CC BY
5
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, ПРИМЕНЯЕМАЯ В АГРОПРОМЫШЛЕННОМ КОМПЛЕКСЕ Грашков Сергей Александрович, к.т.н., доцент (e-mail: [email protected]) Долгополова Наталья Валерьевна, д . с-х. н, профессор ([email protected]) Сазонов Евгений Владимирович, магистрант (e-mail: [email protected])
Курский государственный аграрный университет имени И.И. Иванова
В данной статье мы рассмотрим, термическую обработку металлов и сплавов и ее применения в агропромышленном комплексе. В статье рассмотрены основы металловедения и физические принципы, связанные с термической обработкой. Также освещены различные методы термической обработки, их влияние на структуру и свойства материалов. Дополнительно представлен обзор применения термической обработки в машиностроении, авиации, энергетике и других отраслях промышленности. Статья подчеркивает важность термической обработки для улучшения свойств материалов и обозначает перспективы развития в этой области, включая новые материалы и передовые технологии.
Ключевые слова: термическая обработка, металловедение, сплавы, структура материалов, свойства материалов, методы термической обработки, влияние термической обработки, применение в промышленности, отрасли промышленности, инновации в термической обработке, будущее термической обработки, машиностроение, авиация, энергетика, медицина.
Металловедение - это научная дисциплина, изучающая структуру, свойства и процессы, связанные с металлами и их сплавами. Эта область знаний имеет огромное значение в различных отраслях промышленности, включая машиностроение, авиацию, энергетику, медицину и многие другие.
Металлы и сплавы являются основными строительными блоками современной технологии и играют важную роль во многих аспектах нашей жизни. Они используются для создания различных изделий, начиная от автомобилей и самолетов, и заканчивая медицинскими имплантатами и электронными устройствами.
Основная цель металловедения - понять свойства металлов и сплавов на микро- и макроуровне. Это включает изучение структуры металлов, их фазовых превращений, механических свойств, термической стабильности и других факторов, которые могут влиять на их поведение и производительность в различных условиях [1,2].
Одним из важных аспектов металловедения является термическая обработка металлов и сплавов. Термическая обработка - это процесс изменения
микроструктуры и свойств материала путем нагрева и охлаждения в определенных условиях. Этот процесс может влиять на механические свойства материала, его твердость, прочность, устойчивость к коррозии и другие характеристики [3].
Важно отметить, что каждый металл и сплав имеет свои уникальные свойства и требования к термической обработке. Изучение и оптимизация процессов термической обработки позволяют улучшить эти свойства и достичь требуемых характеристик материала для конкретных применений.
Цель данной статьи - рассмотреть основы металловедения и термической обработки металлов и сплавов, а также их влияние на структуру и свойства материала. Мы также рассмотрим применение термической обработки в различных отраслях промышленности и рассмотрим инновации и будущие направления исследований в этой области.
Введение в металловедение и его значение: Металловедение - это научная дисциплина, изучающая структуру, свойства и процессы, связанные с металлами и их сплавами. Она играет ключевую роль в промышленности и науке, позволяя нам лучше понять и управлять свойствами металлов для различных приложений [4,5].
1. Структура металлов:
Металлическая структура: Металлы обладают кристаллической структурой, где атомы располагаются в регулярной решетке. Такая структура обеспечивает металлам их характерные свойства, такие как высокая проводимость электричества и тепла, пластичность и прочность.
Зерна и границы зерен: Металлы имеют зернистую структуру, состоящую из множества кристаллических зерен, разделенных границами зерен. Эти границы оказывают влияние на свойства металла и его поведение при термической обработке.
2. Микроструктура металлов:
Фазы и составы: Металлы могут иметь различные фазы, которые обусловлены составом и термической обработкой. Фазы могут быть однородными или состоять из различных компонентов, таких как растворы или соединения.
Твердые растворы: Одним из основных понятий в металловедении являются твердые растворы - гомогенные смеси атомов различных элементов в кристаллической решетке металла. Различные твердые растворы могут существовать при разных температурах и составах.
3. Влияние химического состава:
Легирующие элементы: Химический состав металла играет важную роль в его свойствах. Добавление легирующих элементов может изменить структуру и фазовый состав металла, а также его механические и физические свойства. Это позволяет создавать сплавы с улучшенными характеристиками, такими как прочность, твердость и коррозионная стойкость.
4. Методы исследования:
Микроструктурный анализ: Для изучения металлов и их микроструктуры используются различные методы, такие как металлография, электронная микроскопия и рентгеноструктурный анализ. Эти методы позволяют исследовать зернистую структуру, границы зерен, фазовые превращения и другие детали структуры металла.
Механическое испытание: Для оценки механических свойств металлов проводятся испытания на растяжение, ударную вязкость, твердость и другие параметры. Это позволяет определить прочность, пластичность и другие механические характеристики металла.
Металловедение является ключевой научной дисциплиной, изучающей структуру, свойства и процессы, связанные с металлами и их сплавами. Понимание основ металловедения позволяет нам более глубоко вникнуть в свойства металлов и сплавов, а также разработать оптимальные методы и технологии для их использования в различных отраслях промышленности [6].
II. Термическая обработка металлов и сплавов
1. Определение и значение термической обработки:
Термическая обработка - это процесс изменения микроструктуры и свойств металлов и сплавов путем нагрева и последующего охлаждения в определенных условиях. Этот процесс может приводить к изменениям в кристаллической структуре, фазовому составу, механическим свойствам и химическому состоянию материала.
Термическая обработка имеет огромное значение в промышленности, так как позволяет достичь требуемых свойств металла, улучшить его прочность, твердость, устойчивость к коррозии, магнитные и электрические свойства, а также улучшить обрабатываемость материала.
2. Основные виды термической обработки:
Отжиг: Отжиг представляет собой процесс нагрева металла до определенной температуры, за которой следует контролируемое охлаждение. Цель отжига может быть различной, например, снятие напряжений, восстановление пластичности, изменение фазового состава или размеров зерен.
Закалка: Закалка - это процесс быстрого охлаждения нагретого металла, обычно в воде, масле или воздухе, с целью получения жесткой структуры и повышения прочности. Закалка приводит к формированию мартенсита -метастабильной фазы, обладающей высокой твердостью.
Отпуск: Отпуск - это процесс нагрева закаленного металла до определенной температуры, с последующим контролируемым охлаждением. Цель отпуска заключается в снижении хрупкости, устранении остаточных напряжений и улучшении пластичности и ударной вязкости материала.
3. Влияние термической обработки на металлы и сплавы:
Изменение структуры: Термическая обработка может изменить микроструктуру металлов и сплавов путем изменения размеров и формы зерен,
распределения фаз, превращения фаз и образования новых фаз. Это влияет на механические, электрические и магнитные свойства материала.
Изменение механических свойств: Термическая обработка может значительно повлиять на механические свойства металлов и сплавов, такие как прочность, твердость, пластичность и ударная вязкость. Она может улучшить эти свойства или сделать материал более податливым к дальнейшей обработке.
Контроль дефектов: Термическая обработка может также влиять на дефекты в металле, такие как дислокации, пустоты, трещины и границы зерен. Она может способствовать их устранению или, наоборот, созданию новых дефектов.
4. Применение термической обработки:
Промышленное производство: Термическая обработка широко применяется в различных отраслях промышленности, таких как автомобильное производство, машиностроение, аэрокосмическая промышленность и энергетика. Она используется для получения оптимальных свойств металла в конкретных приложениях, например, для создания деталей двигателей, шасси, инструментов и пружин.
Восстановление и ремонт: Термическая обработка также применяется для восстановления поврежденных деталей, устранения напряжений и восстановления свойств материала. Это важно для ремонта металлических конструкций, машин и оборудования.
Термическая обработка металлов и сплавов является неотъемлемой частью металловедения и играет важную роль в определении свойств и применений материалов. Понимание основ и методов термической обработки позволяет управлять свойствами металлов и сплавов, оптимизировать производственные процессы и разрабатывать новые материалы с требуемыми характеристиками [7].
III. Влияние термической обработки на структуру и свойства металлов
1. Изменение структуры металлов:
Рост зерен: Термическая обработка может приводить к росту зерен в металле. При нагреве и последующем охлаждении зерна могут изменять свой размер и форму. Более высокие температуры и длительное время нагрева могут способствовать более интенсивному росту зерен, в то время как более быстрое охлаждение может привести к более мелкой структуре зерен.
Фазовые превращения: Термическая обработка также может вызывать фазовые превращения в структуре металла. При изменении температуры и времени нагрева и охлаждения металла могут происходить превращения между различными фазами, такими как аустенит, феррит, цементит и мартенсит. Эти превращения могут приводить к изменению механических свойств металла.
Дефекты структуры: Термическая обработка может также влиять на дефекты структуры металла, такие как дислокации, трещины и границы зе-
рен. Она может способствовать их движению, уменьшению или, наоборот, созданию новых дефектов.
2. Изменение механических свойств металлов:
Прочность: Термическая обработка может значительно влиять на прочностные свойства металлов. Она может увеличивать или снижать прочность в зависимости от условий обработки. Например, закалка может повысить прочность металла путем образования мартенсита, который обладает высокой твердостью и прочностью. Отпуск может снизить прочность, но улучшить пластичность материала.
Твердость: Термическая обработка также может влиять на твердость металлов. Закалка может повысить твердость за счет образования более жесткой структуры, в то время как отжиг или отпуск могут снижать твердость. Изменение температуры и времени обработки может приводить к различным значениям твердости материала.
Пластичность: Термическая обработка может оказывать влияние на пластичность металлов. Отжиг и отпуск могут улучшать пластичность материала путем снижения его хрупкости и устранения остаточных напряжений. Более низкие температуры обработки могут способствовать сохранению пластичности при повышенных значениях прочности.
3. Влияние на электрические и магнитные свойства:
Электрические свойства: Термическая обработка может изменять электрические свойства металлов. Например, изменение структуры и размера зерен может влиять на электропроводность материала. Некоторые металлы и сплавы могут быть термоэлектрическими, что означает, что их электрические свойства могут изменяться с изменением температуры.
Магнитные свойства: Термическая обработка также может влиять на магнитные свойства металлов. Изменение структуры и фазового состава может влиять на их магнитную восприимчивость и магнитные свойства. Например, некоторые металлы могут стать магнитными или изменить свою магнитную проницаемость в результате термической обработки.
Термическая обработка металлов оказывает значительное влияние на их структуру и свойства. Понимание этого влияния позволяет настраивать свойства металлов в соответствии с требованиями конкретных приложений. Термическая обработка широко применяется в промышленности для улучшения механических свойств, твердости, прочности и пластичности металлов, а также для контроля электрических и магнитных свойств.
IV. Применение термической обработки в различных отраслях
1. Автомобильная промышленность:
Закалка и отпуск используются для создания деталей двигателей и трансмиссий с необходимыми механическими свойствами, такими как прочность и износостойкость.
Прокалка используется для улучшения пластичности и обработаемости листового металла, который затем используется для кузовных деталей автомобилей.
2. Машиностроение:
Закалка и отпуск используются для создания инструментов, таких как ножи, пресс-формы и режущие инструменты, для повышения их твердости и прочности.
Цементация используется для поверхностной закалки деталей, чтобы улучшить их износостойкость.
3. Аэрокосмическая промышленность:
Закалка и отпуск применяются для создания компонентов двигателей, структурных элементов и систем крепления, чтобы обеспечить необходимые механические свойства при высоких температурах и экстремальных условиях эксплуатации.
Термическая обработка также используется для создания легких сплавов с высокой прочностью и прочных сварных соединений.
4. Энергетическая промышленность:
Термическая обработка применяется в производстве турбин, генераторов и трубопроводов для электростанций и энергетических систем. Закалка и отпуск обеспечивают необходимые механические свойства и стабильность работы при высоких температурах и давлениях.
Закалка также используется для создания компонентов ядерных реакторов с высокой стойкостью к радиационному воздействию.
5. Медицинская промышленность:
Закалка и отпуск используются в производстве медицинских инструментов, имплантатов и протезов для обеспечения необходимой прочности и биосовместимости материалов.
Применение термической обработки в медицине также включает создание сплавов с определенными свойствами, такими как формовка памяти, которые позволяют имплантатам принимать и сохранять определенную форму.
6. Производство инструментов:
Закалка, отпуск и цементация используются для создания инструментов с высокой твердостью, износостойкостью и стойкостью к ударным нагрузкам, таких как сверла, фрезы и пилы.
Закалка также применяется для поверхностной закалки инструментальных сталей, чтобы создать защитное покрытие с повышенной износостойкостью.
7. Производство электроники:
Термическая обработка применяется в производстве полупроводниковых материалов и микроэлектроники для создания специфических структур и свойств.
Закалка и отпуск могут использоваться для создания контактных элементов, соединений и покрытий с требуемыми электрическими и механическими свойствами.
Термическая обработка металлов широко применяется в различных отраслях для улучшения механических свойств, твердости, прочности, пла-
стичности, электрических и магнитных свойств материалов. Каждая отрасль имеет свои специфические требования и процессы термической обработки, что позволяет настраивать свойства металлов в соответствии с требованиями конкретных приложений [8].
Инновации и будущее термической обработки
Термическая обработка металлов и сплавов играет важную роль в современной промышленности, обеспечивая необходимые механические свойства и функциональность материалов. С развитием технологий и научных исследований в области металловедения, появляются новые инновации и техники термической обработки, которые могут изменить будущее этого процесса. В этом разделе мы рассмотрим некоторые инновации и перспективы будущего в области термической обработки металлов.
1. Применение новых материалов:
Развитие новых сплавов и материалов открывает возможности для улучшения термической обработки. Например, появление новых высокопрочных и легких сплавов, таких как титановые сплавы и никелевые сплавы, требует разработки новых методов термической обработки для обеспечения необходимых свойств этих материалов.
Наноматериалы также представляют потенциал для инноваций в термической обработке. Изменение размеров зерен до нанометрового масштаба может привести к уникальным свойствам материалов и требовать новых методов обработки для достижения желаемых результатов.
2. Прогресс в моделировании и симуляции:
Развитие компьютерного моделирования и численного моделирования процессов термической обработки позволяет более точно предсказывать и оптимизировать результаты. С использованием современных алгоритмов и вычислительных методов, исследователи могут анализировать и прогнозировать влияние различных параметров, таких как температура, время и скорость охлаждения, на структуру и свойства материалов.
Виртуальная симуляция термической обработки может помочь сократить время и затраты на эксперименты и позволить более эффективное проектирование процессов обработки.
3. Применение новых методов охлаждения:
Охлаждение является важной частью термической обработки, и инновации в этой области могут привести к улучшению процесса и получению новых свойств материалов. Например, использование различных сред охлаждения, таких как сжатый воздух или суперхолодные жидкости, может обеспечить более контролируемый и равномерный процесс охлаждения.
Также исследуются новые методы охлаждения, такие как ультрабыстрое охлаждение или лазерное охлаждение, которые могут создавать особые структуры и свойства материалов.
4. Применение плазменной и ионной обработки:
Плазменная и ионная обработка являются новыми направлениями в термической обработке металлов. Эти методы позволяют изменять поверхно-
стные свойства материалов путем ионного имплантирования или нанесения пленок.
Плазменная и ионная обработка может улучшить адгезию, стойкость к износу, коррозионную стойкость и другие поверхностные свойства материалов, расширяя их область применения.
5. Использование технологий искусственного интеллекта и анализа данных:
Применение искусственного интеллекта и анализа данных в термической обработке может улучшить процесс контроля и оптимизации параметров обработки. Алгоритмы машинного обучения могут помочь в определении оптимальных условий обработки, а системы мониторинга и анализа данных позволяют более точно контролировать процессы и выявлять аномалии.
Инновации в термической обработке металлов и сплавов предлагают новые возможности для улучшения и оптимизации процессов обработки и получения материалов с уникальными свойствами. Применение новых материалов, развитие моделирования и симуляции, применение новых методов охлаждения, плазменной и ионной обработки, а также использование технологий искусственного интеллекта и анализа данных являются перспективами для будущего термической обработки. Эти инновации могут привести к созданию новых материалов с улучшенными свойствами и расширению области их применения в различных отраслях промышленности.
Заключение:
В данной статье мы рассмотрели основы термической обработки металлов и сплавов, а также её влияние на структуру и свойства материалов. Термическая обработка является неотъемлемой частью процесса производства и применяется во множестве отраслей, включая машиностроение, авиацию, автомобильную промышленность, энергетику, медицину и конечно же в агропромышленном комплексе [9,10].
Список литературы
1. Сазонов, Е. В. Инженерная экономика / Е. В. Сазонов, М. С. Кожевников, С. А. Грашков // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2022 : сборник научных статей 11-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 10-11 ноября 2022 года. Том 1. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 397-400.
2. Коняев, Н. В. "Умная" осветительная установка / Н. В. Коняев, Н. И. Коняева // Актуальные проблемы и инновационная деятельность в агропромышленном производстве : материалы Международной научно-практической конференции, Курск, 28-29 января 2015 года / Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова. Том Часть 2. - Курск: Курская государственная сельскохозяйственная академия им. профессора И.И. Иванова, 2015. - С. 57.
3. Сазонов, Е. В. Способы повышения надежности и долговечности машин / Е. В. Сазонов, И. С. Шуклин, С. А. Грашков // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых - 2022 : сборник научных статей 11-й Международной молодежной научной конферен-
ции, Курск, 10-11 ноября 2022 года. Том 4. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 457-460.
4. Сазонов, Е. В. Экономика сельского хозяйства и её эффективность / Е. В. Сазонов, Р. А. Крупчатников, С. А. Грашков // Поколение будущего: Взгляд молодых ученых -2022 : сборник научных статей 11-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 10-11 ноября 2022 года. Том 1. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 400-403.
5. Коровин, М. А. Безопасность жизнедеятельности при техническом обслуживании сельскохозяйственной техники / М. А. Коровин, Е. В. Сазонов, С. А. Грашков // Технологии, машины и оборудование для проектирования, строительства объектов АПК : сборник научных статей Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров, Курск, 15 марта 2023 года. - Курск: Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова, 2023. - С. 340-344.
6. Коровин, М. А. Безопасность жизнедеятельности при техническом обслуживании сельскохозяйственной техники / М. А. Коровин, Е. В. Сазонов, С. А. Грашков // Технологии, машины и оборудование для проектирования, строительства объектов АПК : сборник научных статей Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов, магистров и бакалавров, Курск, 15 марта 2023 года. - Курск: Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И.Иванова, 2023. - С. 340-344.
7. Грашков, С. А. Техническое обслуживание электрооборудования / С. А. Грашков,
A. А. Ланин, Е. В. Сазонов // Электроэнергетика сегодня и завтра : сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции, Курск, 24 марта 2023 года / Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова. Том 1. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2023. - С. 169-172.
8. Сурненков, П. М. Организация, обслуживание и ремонт энергооборудования энергетической службой / П. М. Сурненков, Е. В. Сазонов, С. А. Грашков // Электроэнергетика сегодня и завтра : сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции, Курск, 24 марта 2023 года / Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова; Научно-образовательный центр «Инженер». Том 2. - Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2023. - С. 189-192.
9. Сазонов, Е. В. Термическая обработка шестерен / Е. В. Сазонов, С. А. Грашков, Е. С. Калуцкий // Современные проблемы и направления развития агроинженерии в России : сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции, Курск, 28 октября 2022 года. - Курск: Курская государственная сельскохозяйственная академия имени И.И. Иванова, 2022. - С. 175-180.
10. Сазонов, Е. В. Развитие российской отрасли автомобильных грузоперевозок / Е.
B. Сазонов, М. А. Коровин, С. А. Грашков // Современные материалы, техника и технологии. - 2022. - № 6(45). - С. 104-111.
11. Термодинамика гомогенного зарождения цементита в аустените в процессе цементации стали/ Пивовар Н.А., Грашков С. А., Агеев Е.В.// Современные материалы, техника и технологии. 2021. № 2 (35). С. 23-30.
12. Восстановление корпусных деталей агрегатов автомобиля кгп с электроэрозионными материалами/ Агеев Е.В., Грашков С.А., Хардиков С.В.// Курск, 2020.
13. Способы повышения надежности и долговечности машин/ Сазонов Е.В., Шук-лин И.С., Грашков С.А.// В сборнике: Поколение будущего: Взгляд молодых ученых -2022. сборник научных статей 11-й Международной молодежной научной конференции. Курск, 2022. С. 457-460.
14. О возможности повышения долговечности топливной аппаратуры дизелей путем цементации деталей из инструментальных сталей в высокоактивном карбюризаторе/ рашков С. А., Пивовар Н.А., Колмыков В.И.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 9. № 3 (32). С. 28-43.
15. Рациональная организация, эксплуатация и обслуживание электроборудования в сельском хозяйстве/ Коровин М.А., Сазонов Е.В., Грашков С.А.// Современные материалы, техника и технологии. 2023. № 1 (46). С. 66-72.
16. Термическая обработка шестерен/ Сазонов Е.В., Грашков С.А., Калуцкий Е.С.// В сборнике: Современные проблемы и направления развития агроинженерии в России. сборник научных статей 2-й Международной научно-технической конференции. Курск, 2022. С. 175-180.
Grashkov Sergey Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor (e-mail: [email protected])
Dolgopolova Natalia V., Doctor of Agricultural Sciences, Professor
Sazonov Evgeny Vladimirovich, Master's student
(e-mail: [email protected])
Kursk State Agrarian University named after I.I. Ivanov
HEAT TREATMENT OF METALS AND ALLOYS USED IN THE AGRO-
INDUSTRIAL COMPLEX
Annotation. In this article we will consider the heat treatment of metals and alloys and its applications in various industries. The article discusses the basics of metal science and the physical principles associated with heat treatment. Various methods of heat treatment, their influence on the structure and properties of materials are also highlighted. Additionally, an overview of the application of heat treatment in mechanical engineering, aviation, energy and other industries is presented. The article emphasizes the importance of heat treatment to improve the properties of materials and indicates the prospects for development in this area, including new materials and advanced technologies.
Keywords: heat treatment, metallology, alloys, structure of materials, properties of materials, methods of heat treatment, influence of heat treatment, application in industry, industries, innovations in heat treatment, the future of heat treatment, mechanical engineering, aviation, energy, medicine.
