Как температура влияет на свойства металлов?

Температура оказывает значительное влияние на физико-химические свойства металлов, что делает её ключевым параметром в процессе термической обработки. В этом разделе мы более подробно рассмотрим, как изменение температуры влияет на кристаллическую структуру металлов и как это, в свою очередь, меняет их механические свойства.

1. Изменение твердости и прочности

Процесс: При нагреве металла до высоких температур, его кристаллическая структура изменяется. Например, в сталях при достижении температуры    аустенитзации происходит превращение феррита и перлита в аустенит — фазы с более высокой температурой плавления и изменённой кристаллической решеткой. Это изменение структуры позволяет дальнейшее преобразование в более твердую фазу при последующем охлаждении.

Высокие температуры и твердые фазы: После нагрева металл может быть подвергнут быстрому охлаждению (закалке), что приводит к образованию твердых фаз, таких как мартенсит. Мартенсит имеет очень высокую твердость благодаря своей сложной кристаллической структуре, но он также может быть хрупким. Вследствие этого, его применяют там, где требуется высокая прочность.

Применение: Высокая твердость и прочность, полученные при закалке, подходят для инструментов, ножей, и других деталей, подвергающихся интенсивным механическим нагрузкам.

Твердость металлов играет ключевую роль в их способности противостоять давлению и различным усилиям. Это особенно важно для деталей, таких как валы или подшипники, которые подвергаются воздействию центробежных сил и трения.

Степень твердости материала определяет его пригодность для использования в качестве инструмента для обработки других металлических или неметаллических материалов. Например, инструментальная сталь с повышенным содержанием углерода (от 0,7% и выше) широко применяется для изготовления разнообразных инструментов — как для промышленного производства, так и для домашних нужд. В этом классе стали изготавливаются сверла, фрезы, молотки, плоскогубцы, напильники, а также хирургические инструменты, такие как ножницы и скальпели.

Из вышеизложенного следует, что показатель твердости металлов имеет критическое значение, и вопрос о возможности его повышения является актуальным.

Важно помнить, что для каждого конкретного изделия требуется определённый уровень твердости. Не существует универсального правила, что "чем тверже, тем лучше". Изделия с чрезмерно высокой твердостью могут быть трудными в обработке и становятся склонными к хрупкости.

2. Улучшение пластичности

Процесс: Процессы, такие как отжиг и отпуск, проводятся при температурах ниже тех, которые используются в закалке. Эти методы помогают улучшить пластичность и снизить хрупкость металлов. Отжиг включает в себя нагрев металла до определенной температуры и медленное охлаждение, что способствует рекристаллизации и выравниванию кристаллической структуры.

Отжиг: При отжиге кристаллические зерна в металле становятся более крупными и равномерными, что улучшает пластичность и обрабатываемость. Это также способствует снижению остаточных напряжений, возникших в результате предыдущих обработок.

Отпуск: Этот процесс также улучшает пластичность путем преобразования части мартенсита в более мягкую фазу (темперированный мартенсит). Это делает металл менее хрупким и более подходящим для дальнейшей обработки и использования.

Применение: Улучшенная пластичность и обрабатываемость после отжига и отпуска важны для деталей, которые будут подвергаться деформации или сложной обработке, таких как валы, пружины и детали машин.

Отжиг металлических деталей

3. Снижение внутренних напряжений

Процесс: Внутренние напряжения могут возникать в результате неравномерного охлаждения, термической обработки или механических деформаций. Медленное охлаждение, применяемое при отжиге, позволяет внутренним напряжениям равномерно распределяться и снижаться.

Медленное охлаждение: Это предотвращает резкие изменения в структуре металла, которые могут привести к образованию трещин или других дефектов. Применение этого метода позволяет избежать излишней хрупкости и обеспечивает более равномерные механические свойства по всей детали.

Применение: Снижение внутренних напряжений важно для обеспечения долговечности и надежности деталей, особенно тех, которые подвергаются сложным нагрузкам или воздействиям. Это также критично для предотвращения деформаций и повреждений в процессе эксплуатации.

Охлаждение металла

Заключение

Температура играет критическую роль в термической обработке металлов, вливаясь в процесс изменения их кристаллической структуры и свойств. Высокие температуры могут способствовать образованию твердых фаз, улучшая прочность, тогда как умеренные температуры помогают в улучшении пластичности и снижении хрупкости. Медленное охлаждение, в свою очередь, помогает уменьшить внутренние напряжения и повысить долговечность материала. Понимание этих процессов позволяет эффективно управлять свойствами металлов для достижения оптимальных результатов в их применении.