Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ

скольжения достигает 1000 %, у ГЦК и ОЦК монокристаллов она не превы-

шает 10 - 15 %.

С ростом деформации скольжение распространяется на другие системы, и возникает множественное скольжение. На этой 77 стадии дислокации перемещаются в пересекающихся плоскостях, возрастает сопротивление их движению, и образуется сложная дислокационная структура.

Наконец, III стадия характеризуется более замедленным упрочнением по сравнению со // стадией. Винтовые дислокации переходят в смежные плоскости скольжения, и возникает поперечное скольжение, которое, по своей сути, является процессом разупрочнения. Разупрочнение на /// стадии развивается по мере деформирования, и его называют динамическим возвратом.

Скольжение дислокаций не связано с диффузией, так как происходит без переноса массы. Этим объясняется сравнительная легкость их передвижения и при отрицательных температурах, когда скорость диффузии мала.

Впроцессе скольжения возникают новые дислокации, и их плотность повышается от 108 до 1012 см-2 (более высокую плотность получить нельзя изза появления трещин и разрушения металла). Существует несколько механизмов образования новых дислокаций. Важным из них является источник Франка — Рида (рис. 5.5). Под действием касательного напряжения закрепленная дислокация выгибается, пока не примет форму полуокружности. С этого момента изогнутая дислокация распространяется самопроизвольно в виде двух спиралей. При встрече спиралей возникают расширяющаяся дислокационная петля и отрезок дислокации. Отрезок распрямляется, занимает исходное положение, и генератор дислокаций готов

кповторению цикла. Один источник Франка — Рида способен образовать сотни новых дислокаций.

Воснове упрочнения металла при деформировании лежит прежде всего повышение плотности дислокаций.

Движению дислокации мешают различные препятствия — границы зерен, дефекты упаковки, межфазные поверхности, дислокации, пересекающие плоскость скольжения. Через некоторые препятствия дислокации проходят, но при более высоких напряжениях. Такими препятствиями являются, например, пересекающиеся с плоскостью скольжения дислокации.

Каждое скопление дислокаций создает поле напряжений, отталкивающее приближающуюся дислокацию. Чем больше дислокаций в скоплении, тем сильнее отталкивание и тем труднее деформируется металл. Когда плотность дислокаций в скоплении достигает определенного значения, в этом месте зарождается трещина.

При нагреве выше 0,ЗTпл начинает действовать другой механизм перемещения дислокаций — переползание. Оно представляет собой диффузионное смещение дислокации в соседние плоскости решетки в результате присоединения вакансий (рис. 5.6). Вакансии присоединяются последовательно к краю избыточной полуплоскости, что равносильно перемещению

края на один атомный ряд вверх, и «атакуют» дислокацию в разных местах, в результате чего на дислокации появляются ступеньки. По мере присоединения вакансий дислокация на значительном участке своей длины смещается на десятки межатомных расстояний. Из-за переползания ослабляется тормозящий эффект частиц второй фазы. Переместившиеся дислокации далее сдвигаются путем скольжения под действием напряжения (см. рис. 5.6, е). При нагреве выше 0,ЗТпл вакансии весьма подвижны, а необходимое число вакансий создается пластической деформацией.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ПОЛИКРИСТАЛЛОВ

При деформировании поликристаллов отсутствует стадия легкого скольжения, деформация зерен начинается сразу по нескольким системам скольжения и сопровождается изгибами и поворотами плоскостей скольжения. Пока общая деформация мала (порядка 1 %) зерна деформируются неоднородно в силу их разной ориентации по отношению к приложенным нагрузкам.

Изменения микроструктуры при деформировании сводятся к следующему (рис. 5.7).

С ростом степени деформации зерна постепенно вытягиваются в направлении пластического течения (см. рис. 5.7, в). Внутри зерен повышается плотность дефектов. При значительных деформациях образуется волокнистая структура, где границы зерен различаются с трудом (см. рис. 5.7, г).

При значительной деформации в металле появляется кристаллографическая ориентация зерен, которая называется текстурой деформации.

Текстура деформации — это результат одновременного деформирования зерен по нескольким системам скольжения. Она зависит от вида деформирования (рис. 5.8), кристаллической структуры металла, наличия примесей и условий деформирования.

При волочении возникают так называемые аксиальные текстуры, когда определенное кристаллографическое направление оказывается параллельным оси проволоки для большинства зерен (см. рис. 5.8, б).

При прокатке получается более сложная текстура: параллельно плоскости прокатки располагаются плоскость и направление решетки. Между направлением прокатки и направлением кристаллической решетки устанавливается угол а (см. рис. 5.8, а). Текстура деформации делает металл анизотропным.

Как было установлено при помощи электронно-микроскопических исследований, в наклепанных металлах появляется ячеистая тонкая структура (рис. 5.9). Ячейки диаметром 0,25 - 3 мкм представляют собой свободные от дислокаций участки; границы ячеек — это сложные переплетенные стенки дислокаций. Между собой ячейки разориентированы. У разных сплавов, естественно, имеются различия, которые зависят от химического состава сплавов, степени деформации.

С увеличением деформации размеры ячеек сохраняются практически неизменными, увеличивается лишь плотность дислокаций в стенках ячеек.

ДЕФОРМИРОВАНИЕ ДВУХФАЗНЫХ СПЛАВОВ

Каждая фаза имеет свои системы скольжения и свои критические на-

пряжения сдвига, поэтому деформирование двухфазных сплавов оказывается более сложным. Сохранение неразрывности вдоль поверхности раздела фаз при деформировании усложняет пластическое течение. При равных условиях в двухфазных сплавах образуются более сложные текстуры деформации. Процесс деформирования в таких сплавах зависит не только от свойств второй фазы и ее содержания в сплаве, но и от характера распределения этой фазы в структуре. Если хрупкая вторая фаза располагается в виде непрерывной сетки по границам зерен, то сплав окажется хрупким. Если такое же количество второй фазы разместится в виде отдельных зерен в пластичной матрице — основе сплава, то сплав сохранит пластичность, а присутствие второй фазы проявится в упрочнении.

Основная масса промышленных сплавов имеет поликристаллическую структуру. Обработка давлением стала основой важных технологических процессов изготовления деталей и изменения свойств сплавов. В зависимости от температуры обработки и скорости деформирования различают процессы холодного, теплого и горячего деформирования.

Холодное деформирование осуществляют при температурах не выше

0,3Tпл.

Главное значение здесь имеют процессы упрочнения, обусловленные резким увеличением плотности дислокаций (до 1012 см-2) и ограничением их подвижности. Разупрочнение из-за поперечного скольжения винтовых дислокаций несущественно отражается на свойствах сплавов.

Теплое деформирование проводят при температурах (0,3 — 0,5)T ПЛ. Основными здесь являются процессы упрочнения, при одновременно идущих процессах разупрочнения — поперечное скольжение винтовых и переползание краевых дислокаций.

Горячее деформирование осуществляют при температурах выше 0,6ТПЛ. В этом случае основную роль играют процессы разупрочнения, когда с большой скоростью развиваются динамический возврат, полигонизация и рекристаллизация. Благодаря разупрочнению обеспечивается деформирование с большими степенями деформации за одну операцию. Упрочнение материала при деформировании выше 0,6TПЛ можно сохранить лишь резким охлаждением, не дожидаясь снятия наклепа вследствие протекания процессов разупрочнения.

является предельным; при попытке продолжить деформирование металл разрушается. Путем наклепа твердость и временное сопротивление удается повысить в 1,5-3 раза, а предел текучести в 3 - 7 раз. Металлы с ГЦК решеткой упрочняются сильнее металлов с ОЦК решеткой. Среди сплавов с ГЦК решеткой сильнее упрочняются те, у которых энергия дефектов упаковки минимальна (например, интенсивно наклёпываются аусте-нитная сталь, никель, а алюминий упрочняется незначительно).

Из-за неоднородности деформации в объеме металла различны изменения плотности, что служит причиной появления остаточных напряжений — как растягивающих, так и сжимающих.

С увеличением деформации повышается удельное электросопротивление (максимально на 6%), а у ферромагнетиков, к которым относится большинство сталей, понижаются магнитная проницаемость и остаточная индукция, возрастает коэрцитивная сила.

Наклеп понижает плотность металла из-за нарушения порядка в размещении атомов при увеличении плотности дефектов и образовании микропор. Уменьшение плотности используют для увеличения долговечности деталей, которые при эксплуатации подвержены переменным нагрузкам. С этой целью применяют поверхностное пластическое деформирование детали с помощью обдувки дробью или обработки специальным инструментом. Наклепанный слой стремится расшириться, встречая сопротивление со стороны ненаклепанных участков детали. В результате в этом слое возникнут напряжения сжатия, а под ним, на большем расстоянии от поверхности, появятся напряжения растяжения. Сжимающие напряжения в поверхностном слое замедляют зарождение усталостной трещины и тем самым увеличивают долговечность деталей.

Наклепанные металлы легче корродируют и склонны к коррозионному растрескиванию. Образование текстуры деформации вызывает анизотропию свойств.

Несмотря на снижение пластичности, наклеп широко используют для повышения прочности деталей, изготовленных методами холодной обработки давлением. Снижение пластичности при наклепе улучшает обрабатываемость резанием вязких и пластичных материалов (латуней, сплавов алюминия и др.).

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СПЛАВОВ

ВИДЫ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

Термической обработкой называют технологические процессы, состоящие из нагрева и охлаждения металлических изделий с целью изменения их структуры и свойств.

Термической обработке подвергают слитки, отливки, полуфабрикаты, сварные соединения, детали машин, инструменты.

Основные виды термической обработки — отжиг, закалка, отпуск и

старение. Каждый из указанных видов имеет несколько разновидностей. Отжиг — термическая обработка, в результате которой металлы или

сплавы приобретают структуру, близкую к равновесной: отжиг вызывает разупрочнение металлов и сплавов, сопровождающееся повышением пластичности и снятием остаточных напряжений.

Температура нагрева при отжиге зависит от состава сплава и конкретной разновидности отжига; скорость охлаждения с температуры отжига обычно невелика, она лежит в пределах 30 — 200° С/ч.

Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении.

Конструкционные и инструментальные сплавы закаливают для упрочнения. Сильно упрочняются при закалке сплавы, претерпевающие в равновесных условиях эвтектоидное превращение. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо из-за понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящей к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь. Если в результате закалки при 20 — 25 ° С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при 20 — 25 ° С.

Всплавах с особыми свойствами закалка позволяет изменить струк- турно-чувствительные физические или химическое свойства: увеличить удельное электросопротивление или коэрцитивную силу, повысить коррозионную стойкость и др.

Отпуск и старение — термические обработки, в результате которых в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной.

Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электросопротивления и др.) по сравнению с отожженным состоянием.

Вбольшинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь, твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, — распад пересыщенного твердого раствора.

Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Скорость охлаждения с температуры отпуска или старения за редким

исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия. В связи с этим выделяют следующие основные группы сплавов1:

1) сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (см.

рис. 4.3, 4.10);

2)сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (см. рис. 4.4);

3)сплавы с эвтектоидным превращением (см. рис. 4.9).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.

ДИФФУЗИЯ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Диффузия — это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами. Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

Диффузионное движение любого атома — это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой ~ 1013с-1.

Вакансии в тугоплавких металлах и оксидах выше, чем в меди и латуни. Кроме того, молибден нерастворим в меди и латуни.

Диффузия молекул в полимерах отличается от диффузии атомов или ионов, так как, во-первых, молекулы полимеров имеют большие размеры и массу (из-за изгибов и петель соседние молекулы перепутываются, что препятствует их перемещению) и, во-вторых, они обладают малой тепловой энергией (полимеры обычно используют при 100 - 1000 К).

Практическое значение имеет диффузия различных веществ через полимерные пленки или мембраны. Например, диффузионный поток воздуха (молекул азота и кислорода) через стенки резиновой камеры при 20 ° С и разности давлений Ар = 7 кПа может быть равным 1012 молекул/(см2 • с).

Термическую обработку проводят независимо от того, происходят ли в

сплавах фазовые превращения в твердом состоянии или нет. Такую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным.

НАГРЕВ ДЛЯ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали.

Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т.п.

Чаще всего эти напряжения нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии (например, сварной конструкции), остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионноактивной среды. Остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

Встальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при 450 ° С; после выдержки при 600 ° С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливают от нескольких до десятков часов в зависимости от массы изделия.

Всплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-

300° С.

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; обычно она находится в пределах 20 - 200° С/ч.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на воздухе. Цель отжига — понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств; и заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100 - 200 ° С выше температуры рекристаллизации (см. § 5.2).

Рекристаллизационный отжиг может быть использован в качестве окончательной обработки полуфабрикатов.

Внекоторых металлах и твердых растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях (магнитные свойства в трансформаторной стали и пермаллоях, модуль упругости в некоторых пружинных сплавах и т.д.).

Вмашино- и приборостроении широкое применение находят металлы

исплавы — твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (алюминий, медь, никель, ферритные и аустенитные стали, однофазные латуни и бронзы).

Втаких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ (ГОМОГЕНИЗАЦИЯ)

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла — внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части — компонентом, понижающим температуру плавления.

На примере системы с эвтектическим превращением на рис. 6.7 схематично показано изменение средней концентрации твердого раствора сплавIв интервале температур кристаллизации при отклонении от равновесия. Кристаллы твердого раствора содержат меньше легирующего компонента В по сравнению с равновесной концентрацией.

Если температура конца кристаллизации сплава из-за уменьшения содержания компонента В в твердом растворе станет ниже эвтектической, как это показано на рис. 6.7 для сплава I (t2 < tЭ), то оставшийся к моменту достижения эвтектической температуры жидкий раствор затвердевает по эвтектической реакции и в структуре сплава появляется эвтектическая составляющая.

Внутрикристаллическая ликвация, особенно в случае появления в структуре эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как снижается пластичность сплавов.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированных сталей и многих алюминиевых сплавов, а в некоторых случаях и отливки.

Встальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объеме зерен твердого раствора. Если температура отжига достаточно высока, отжиг приводит к более благоприятному распределению сульфидов. Диффузионный отжиг стальных слитков ведут при 1100 - 1300 ° С

втечение 20 - 50 ч.

Вслитках алюминиевых сплавов ликвация особенно нежелательна. В результате ликвации оси дендритов содержат меньше легирующих элементов, чем межосные пространства и границы зерен, поэтому при охлаждении слитков вторичные кристаллы выделяются главным образом между осями дендритов и по границам зерен, часто в очень неблагоприятной форме (по границам зерен в виде сплошных хрупких оболочек).

Диффузионный отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при 420 - 520 ° С с выдержкой 20 - 30 ч для устранения ликвации.

6.4. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии дает возможность значительно упрочнять сплавы путем термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа — стареющих сплавов — в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой