В науке материалов , тушение является быстрым охлаждением обрабатываемой детали в воде, масле или на воздухе для получения определенных свойств материала . Тип термообработки , закалка, предотвращает нежелательные низкотемпературные процессы, такие как фазовые превращения. Это достигается за счет сокращения временного окна, в течение которого эти нежелательные реакции являются как термодинамически благоприятными, так и кинетически доступными; например, закалка может уменьшить размер кристаллического зерна как металлических, так и пластмассовых материалов, увеличивая их твердость.
В металлургии закалка чаще всего используется для упрочнения стали путем индуцирования мартенситного превращения, когда сталь должна быстро охлаждаться через ее эвтектоидную точку, температуру, при которой аустенит становится нестабильным. В стали, легированной такими металлами, как никель и марганец , температура эвтектоида становится намного ниже, но кинетические барьеры для фазового превращения остаются прежними. Это позволяет начинать закалку при более низкой температуре, что значительно упрощает процесс. В быстрорежущей стали также добавлен вольфрам., который служит для создания кинетических барьеров, которые, среди прочего, придают материалу такие свойства (твердость и стойкость к истиранию), как если бы заготовка охлаждалась быстрее, чем на самом деле. Даже медленное охлаждение таких сплавов на воздухе дает большинство желаемых эффектов закалки; быстрорежущая сталь намного меньше ослабевает от теплового цикла за счет высокоскоростной резки. [1]
Чрезвычайно быстрое охлаждение может предотвратить образование всей кристаллической структуры, приводящей к образованию аморфного металла или «металлического стекла».
Закалочное упрочнение [ править ]
Закалочная закалка - это механический процесс, при котором сплавы стали и чугуна упрочняются и упрочняются. Эти металлы состоят из черных металлов и сплавов. Это делается путем нагревания материала до определенной температуры, в зависимости от материала. Это дает более твердый материал за счет поверхностного или сквозного упрочнения, в зависимости от скорости охлаждения материала. Затем материал часто подвергают отпуску, чтобы снизить хрупкость, которая может увеличиваться в процессе закалки. Элементы, которые могут быть закалены, включают шестерни, валы и изнашиваемые блоки.
Цель [ править ]
Перед закалкой литые стали и чугун имеют однородную и пластинчатую (или слоистую) перлитную зернистую структуру. Это смесь феррита и цементита, образующаяся при производстве стали или чугуна и медленном охлаждении. Перлит - не идеальный материал для многих распространенных применений стальных сплавов, поскольку он довольно мягкий. При нагревании перлита до температуры эвтектоидного перехода 727 ° C и последующем быстром охлаждении часть кристаллической структуры материала может быть преобразована в гораздо более твердую структуру, известную как мартенсит. Стали с этой мартенситной структурой часто используются в тех случаях, когда заготовка должна иметь высокую устойчивость к деформации, например, режущая кромка лезвий. Это очень эффективно.
Процесс [ править ]
Процесс закалки - это постепенный процесс, который начинается с нагрева образца. Большинство материалов нагреваются до температуры от 815 до 900 ° C (от 1500 до 1650 ° F), при этом особое внимание уделяется поддержанию однородности температуры по всей заготовке. Минимизация неравномерного нагрева и перегрева - ключ к достижению желаемых свойств материала.
Второй этап процесса закалки - замачивание. Заготовки можно замачивать на воздухе (воздушная печь), в жидкой ванне или в вакууме. Рекомендуемое время пребывания в соляных или свинцовых ваннах - до 6 минут. Время замачивания может быть немного выше в пределах вакуума. Как и на этапе нагрева, важно, чтобы температура во всем образце оставалась как можно более равномерной во время замачивания.
Как только заготовка пропитается, она переходит к этапу охлаждения. На этом этапе деталь погружается в охлаждающую жидкость; различные закалочные жидкости могут существенно повлиять на конечные характеристики закаленной детали. Вода - одна из наиболее эффективных закалочных сред, где требуется максимальная твердость, но есть небольшая вероятность того, что она может вызвать деформацию и крошечные трещины. Когда можно пожертвовать твердостью, часто используют минеральные масла. Эти жидкости на масляной основе часто окисляются и образуют осадок во время закалки, что, следовательно, снижает эффективность процесса. Скорость охлаждения масла намного меньше, чем у воды. Промежуточные скорости между водой и маслом могут быть получены с помощью специально разработанного охлаждающего агента, вещества с обратной растворимостью, которое, таким образом, оседает на объекте, замедляя скорость охлаждения.
Тушение также может быть выполнено с использованием инертных газов, таких как азот и благородные газы. Азот обычно используется при давлении выше атмосферного в диапазоне до 20 бар абсолютного давления. Гелий также используется, потому что его теплоемкость больше, чем у азота. В качестве альтернативы можно использовать аргон; однако его плотность требует значительно больше энергии для движения, а его теплоемкость меньше, чем у альтернатив. Чтобы свести к минимуму деформацию заготовки, длинные цилиндрические заготовки закаливают вертикально; плоские заготовки закалены по кромке; и толстые секции должны попасть в ванну первыми. Для предотвращения образования паров ванну встряхивают.
Часто после закалки железный или стальной сплав будет чрезмерно твердым и хрупким из-за переизбытка мартенсита. В этих случаях, еще один метод термообработки известный как темперирования осуществляются на закаленном материале , с тем , чтобы увеличить ударную вязкость по железу основанного сплавов . Закалка обычно выполняется после закалки , чтобы уменьшить часть избыточной твердости , и осуществляется путем нагревания металла до некоторой температуры ниже критической точки в течение определенного периода времени, а затем охлаждения на неподвижном воздухе.
История [ править ]
Есть свидетельства того, что кузнецы использовали закалку еще в середине железного века , но существует мало подробной информации, связанной с развитием этих методов и процедур, применяемых ранними кузнецами. [2] Хотя первые мастера-металлисты должны были быстро заметить, что процессы охлаждения могут влиять на прочность и хрупкость железа, и можно утверждать, что термическая обработка стали была известна в Старом Свете с конца второго тысячелетия до нашей эры, [3]Археологически сложно идентифицировать преднамеренное использование тушения. Более того, похоже, что, по крайней мере, в Европе «закалка и отпуск по отдельности не стали обычным явлением до 15 века»; поэтому полезно различать «полную закалку» стали, когда закалка настолько быстрая, что образуется только мартенсит, и «слабая закалка», когда закалка медленнее или прерывистая, что также позволяет образовываться перлиту и приводит к меньшему хрупкий продукт. [4]
Самые ранние образцы закаленной стали могут происходить из древней Месопотамии, с относительно надежным примером закаленного долота четвертого века до нашей эры из Эль-Мина в Турции. [5] Книга 9, строки 389-94 Одиссеи Гомера широко цитируется как ранняя, возможно, первая письменная ссылка на тушение: [2] [6]
как когда человек, который работает кузнецом, погружает кричащий большой клинок топора или тесла в холодную воду, чтобы вылечить его от гнева, так как таким образом сталь делается прочной, даже в этом случае глаз Циклопа шипел вокруг луча оливы.
Однако не вызывает сомнений, что этот отрывок описывает преднамеренное закалочное упрочнение, а не просто охлаждение. [7] Точно так же есть вероятность, что Махабхарата относится к закалке железных наконечников стрел маслом, но доказательства проблематичны. [8]
Плиний Старший обратился к теме закаливания, различая воду разных рек. [9] Главы 18-21 из двенадцатого века Де diversis Артиса по Пресвитеру Теофила упоминает закалку, рекомендовав среди прочего , что «инструменты также дают труднее темперирование в моче небольшого рыжего мальчика , чем в обычной воде» . [2] Одним из наиболее полных ранних дискуссий о закалке является первая западная печатная книга по металлургии Von Stahel und Eysen , опубликованная в 1532 году, что характерно для технических трактатов позднего средневековья.
Современное научное исследование тушения тушения начало набирать обороты с семнадцатого века, и важным шагом стало обсуждение под руководством наблюдений Джамбаттисты делла Порта в его Magia Naturalis 1558 года . [10]
Механизм отвода тепла при закалке [ править ]
Отвод тепла происходит в три этапа:
Этап A. Пузырьки пара образуются над металлом и начинают охлаждаться
На этом этапе из-за эффекта Лейденфроста объект полностью окружен паром, который изолирует его от остальной жидкости.
Стадия B: охлаждение паром
Как только температура упадет в достаточной степени, паровой слой дестабилизируется, и жидкость сможет полностью контактировать с объектом, и тепло будет отводиться намного быстрее.
Этап C: жидкостное охлаждение
Эта стадия возникает, когда температура объекта ниже точки кипения жидкости.
См. Также [ править ]
- Закалочный пресс
- Темперирование
- Martempering
- Аустемперирование
Ссылки [ править ]
- ^ Legerská, M .; Chovanec, J .; Чаус, Александр С. (2006). «Разработка быстрорежущих сталей для металлорежущего инструмента» . Явления твердого тела . Проверено 5 апреля 2019 .
- ^ a b c Mackenzie, DS (июнь 2008 г.). «История закалки». Международная термическая обработка и обработка поверхностей . 2 (2): 68–73. DOI : 10.1179 / 174951508x358437 . ISSN 1749-5148 .
- Перейти ↑ Craddock, Paul T. (2012). «Металлургия в Старом Свете». В Silberman, Нил Ашер (ред.). Оксфордский компаньон археологии . Том 1 из 3 (2-е изд.). Нью-Йорк: Oxford University Press (опубликовано 12 октября 2012 г.). С. 377–380. ISBN 9780199739219. OCLC 819762187 .
- ^ Уильямс, Алан (2012-05-03). Меч и тигель: история металлургии европейских мечей до 16 века . История войны. Том 77. Лейден: Brill. п. 22. ISBN 9789004229334. OCLC 794328540 .
- ^ Мури, PRS (Питер Роджер Стюарт) (1999). Древние мезопотамские материалы и производства: археологические свидетельства . Озеро Вайнона, штат Индиана: Айзенбраунс. стр. 283 -85. ISBN 978-1575060422. OCLC 42907384 .
- ^ Forbes, RJ (Роберт Джеймс) (1972-01-01). Исследования древних технологий . Металлургия в древности, часть 2. Медь и бронза, олово, мышьяк, сурьма и железо. 9 (2-е изд. Ред.). Лейден: Э. Дж. Брилл. п. 211. ISBN. 978-9004034877. OCLC 1022929 .
- ^ PRS Moorey, Древние месопотамские Материалы и промышленности: Археологические доказательства (Winona Lake, штат Индиана: Eisenbrauns, 1999), стр. 284.
- ^ RK Dube, «Железные наконечники стрел и их закалка в масле: некоторые ранние индийские свидетельства», JOM: The Journal of the Minerals, Metals & Materials Society , 60.5 (май 2008), 25-31.
- ^ Джон Д. Верховен, Стальная металлургия для неметаллургов (Парк материалов, Огайо: ASM International, 2007), стр. 117.
- ^ J. Vanpaemel. ИСТОРИЯ ЗАКАЛКИ СТАЛИ: НАУКА И ТЕХНОЛОГИЯ. Journal de Physique Colloques, 1982, 43 (C4), стр. C4-847-C4-854. DOI: 10.1051 / jphyscol: 19824139; https://hal.archives-ouvertes.fr/jpa-00222126 .
Внешние ссылки [ править ]
 | Поищите тушение в Викисловаре, бесплатном словаре. |
- СМИ, связанные с тушением на Викискладе?
