книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии

немонотонно. В холодном состоянии обрабатываемость этих сплавов давлением оценивается по-разному (табл. 7), но наибольшее значение сужения образцов не превышает 0,7. В области средних температур они обнаруживают характер­ ный для медных сплавов провал пластичности, степень раз­ вития которого зависит от состава, состояния сплава и ус­ ловий деформации. При дальнейшем нагреве пластичность увеличивается так, что становится возможной прокатка слитков вгорячую. Однако данные о режимах горячей об­ работки алюминиево-марганцевых бронз противоречивы.

Большой разброс данных, приведенных в таблице, гово­ рит о том, что пластичность бронзы Бр.АМц9-2 в области высоких температур сильно зависит от состава и состояния, которые в разных условиях являются неодинаковыми. По­ дробное исследование связи механических свойств этих сплавов с химическим составом и изменением последнего под влиянием деформации [276] подтвердило это предполо­ жение. Были изучены сплавы с разным содержанием алю­ миния (6,4—10,5 вес. % ) и марганца (1,3—2,6 вес. %) в литом и равновесном состояниях. Для установления связи анома­ лий механических свойств с фазовыми превращениями про­ водился микроанализ образцов, закаленных из области температур, соответствующих эффектам свойств до и после разрушения при растяжении.

Таблица 7

Рекомендуемые температурные режимы обработки давлением алюминиево-марганцевых бронз

Температурный Обрабатывае­ интервал горячей мость давлением обработки давле­ в холодном со­ нием, °С стоянии

Из политермического разреза диаграммы состояния Си—Al—Мп (см. рис. 62) следует, что бронзы, содержащие более 7,5% алюминия, при комнатной температуре имеют двухфазное строение, это же показывает и микроанализ. Литые сплавы состоят из a-твердого раствора и низкотемпе­ ратурной модификации ß-фазы, а после ступенчатого отжи­

160

га в течение 483 ч — из а- и y-фаз. Количество последней зависит от концентрации сплавов. При нагревании все спла­ вы проходят фазовые области: а + у, а + y + ß, ß, поэтому с повышением температуры в результате превращений фазо­ вый состав их изменяется.

Рис. 71. Изменение количества a-фазы при нагреве сплава

стоянным. При 515—530° в зависимости от состава в этих сплавах начинается эвтектоидное превращение. Оно закан­ чивается при 545° и ведет к появлению ß-фазы. При более высоких температурах осуществляется переход в фазовую область a+ß. Отжиг перед деформацией в течение 15 мин не приводит к завершению указанных переходов. Дефор­ мация активизирует превращение, и после нее количество a-фазы заметно уменьшается (рис. 71). Некоторое увеличе­ ние ее вблизи 550° связано с эвтектоидным распадом y-кристаллов (a+y-^a+ß+y). После деформации при 500° ß-фаза обнаруживается лишь в месте разрыва образцов.

Выше 500°, особенно начиная с 700°, ее количество заметно возрастает. У бронз с низким содержанием алюминия (7,5 и 7,9%) значительное количество ß-фазы появляется выше

800°.

Микроанализ показывает, что прирост ß-фазы после де­ формации составляет от 3 до 11% в зависимости от соста­ ва, состояния и температуры сплавов. Характер изменения

фазового состава у равновесных бронз такой же, как у ли­ тых, но количество превратившихся а- и y-кристаллов в ß-фазу меньше.

Эти данные показывают, что механические свойства бронзы Бр.АМЦ9-2 до 500° определяются свойствами a-твердого раствора и содержанием хрупкой составляющей (ß-фазы в литых или y-фазы в равновесных сплавах). С по­ вышением концентрации алюминия и марганца количество этих фаз увеличивается. При появлении в образцах более 20% ß- или 10% y-кристаллов пластичность сплавов резко снижается, а прочность возрастает. Сравнение изменения фазового состава бронз до и после деформации с величиной пластичности дает основание полагать, что в области вы­ соких температур механические свойства определяются главным образом развитием фазовых переходов во время деформации.

Практически у всех исследуемых сплавов в интервале эвтектоидного превращения наблюдается всплеск пластич­ ности [281], и они сильно разупрочняются. Развитие этого эффекта зависит от состава и состояния сплава. Микроана­ лиз выявляет трехфазную структуру образцов после разры­ ва. Экспериментально установлена прямая зависимость между изменением относительного сужения (Дф) при 500 и 400° и количеством ß-кристаллов, выделившихся в результа­ те эвтектоидного превращения во время деформации равно­ весных образцов [276].

При скоростях растяжения 50, 500 и 2000 ммімин на кривой температурной зависимости пластичности вместо всплеска сужения при той же самой температуре обнаружи­ вается провал. Таким образом, результат влияния эвтекто­ идного превращения на пластичность алюминиево-марган­ цевых бронз, как и при других превращениях, зависит от степени соответствия кинетик процесса деформации и фа­ зового перехода.

При высоких температурах алюминиево-марганцевые бронзы очень пластичны, в ряде случаев значения удлине­ ния настолько велики, что позволяют говорить об эффекте сверхпластичности [281]. Сверхпластичными являются сплавы с 9,0% алюминия и выше и постоянной концентра­ цией марганца, равной 2,0%. У бронзы, имеющей 9% алю­ миния, этот эффект проявляется только в литом состоянии вблизи 900°. В интервале температур 850—900° удлинение возрастает с 95 до 160%. Литые бронзы с 9,6 до 10,5% алюминия имеют аномально высокое удлинение начиная с 750 и 650° соответственно (рис. 72). Максимальное удлине­ ние для этих сплавов отмечается при разных темпера­

162

турах в зависимости от состава. Так, у сплава, содержаще­ го 9,6% алюминия, максимальное удлинение (162%) на­ блюдается при 850°, а у бронзы с 10,5 % алюминия — при 800°, т. е. увеличение содержания этого элемента в сплаве снижает температуру развития сверхпластичности.

Рис. 72. Удлинение бронзы Бр.АМц9-2, содержа­ щей 2% марганца и разное количество алюми­

оплавы.

В равновесном состоянии высокое удлинение свойствен­ но бронзам, содержащим свыше 9% алюминия. Сверхпла­ стичность у них обнаруживается при более высоких темпе­ ратурах, чем у литых, и они характеризуются более низ­ кими значениями пластичности. Например, для образца с 10,5% алюминия в литом состоянии максимальное удли­ нение составляет 162%, а в равновесном — 132%. Характер температурной зависимости пластичности при этом сохра­ няется. Изменение содержания марганца в этих сплавах от 1,6 до 2,6% существенно сказывается на развитии сверх­ пластичности. Увеличение концентрации марганца при по­ стоянном содержании алюминия снижает температуру мак­ симального удлинения.

Сравнение данных по пластичности и изменению коли­ чества ß-фазы в результате деформации позволило устано­ вить определенную зависимость между этими факторами:

163

явление сверхпластичности выявляется только в том слу­ чае, если при деформации происходит переход более 8% неравновесного количества a-фазы в ß-фазу. Например, у сплава с 9% алюминия максимальное удлинение, равное 162%, наблюдается при 900°, когда в процессе пластической деформации более 10% неравновесной a-фазы превращает­ ся в ß-фазу.

Температурные точки максимальной пластичности спла­ вов, содержащих от 9,5 до 10,5% алюминия и постоянное количество марганца, при нанесении их на участок политермического разреза диаграммы состояния медь — алю­ миний — цинк оказываются расположенными выше линии, разделяющей фазовые области ct + ß и ß. С увеличением со­ держания алюминия температура завершения перехода сни­ жается и увеличивается степень перегрева сплава при пре­ вращении [281]. Таким образом, тройные алюминиево-мар­ ганцевые бронзы обнаруживают такую же закономерную связь повышения пластичности с фазовым переходом a->ß,

как и бинарные (а + ß)^aTyHH.

Исследования [281] показали, что с увеличением време­ ни нагрева опытных образцов перед разрывом величина по­ казателей снижается. Литые сплавы, деформированные без выдержки, имеют более значительное удлинение по сравне­ нию с образцами, разорванными после выдержки в течение 60 мин. При немедленной деформации по достижении 800° сплав становится сверхпластичным, а после выдержки 60 мин при этой температуре он деформируется как обыч­ но, его удлинение снижается почти вдвое.

Микроанализом бронзы с 9,8% алюминия и 2,6% мар­ ганца установлено, что отжиг образцов перед растяжени­ ем изменяет фазовый состав сплавов до деформации [281] :

Относительно быстрый нагрев сплава до деформации приводит к накоплению неравновесной a-фазы, которая рас­ падается во время деформации. Распад a-фазы сопровожда­ ется интенсивным диффузионным процессом, вызывающим развитие сверхпластичности. Отжиг снижает количество a-фазы, способной к распаду во время деформации, в связи

164

с этим уменьшается число атомов, принимающих участие в побочном диффузионном процессе при растяжении, и пла­ стичность понижается.

Другим важным фактором, влияющим на развитие сверхпластичности, является скорость деформации. Из опы­ тов [282] следует, что начиная с 800° и выше удлинение бронзы указанного состава при всех скоростях растяжения

50 мм/мин этот эффект исчезает у всех сплавов независимо от состава и пластичность снижается в два и более раза, что приводит к появлению при этих же температурах про­ тивоположной аномалии — провала пластичности, разви­ тие которого усиливается при дальнейшем увеличении ско­ рости деформации (рис. 73).

В области более высоких температур (600—700°) на пла­ стичность алюминиево-марганцевых бронз влияет другой диффузионный процесс — переход а—>ß, и действие скорости растяжения при этих условиях проявляется несколько ина­ че : сужение образцов вначале резко увеличивается со ско­

165

ростью, а затем снижается, т. е. меняется так же, как и у латуней в области развития перехода ct->-ß.

Авторы работы [282] показали, что влияние скорости деформации на пластичность бронзы Бр.АМц9-2 зависит от химического состава сплавов и температуры. Однако это лишь чисто внешняя зависимость. В действительности же

исостав и температура — это лишь факторы, определяю­ щие возможность, природу и кинетику диффузионных пре­ вращений в сплавах. Только развитие этих превращений оп­ ределяет степень и сам факт влияния скорости деформации на свойства металлических материалов.

Г. О. Аубакиров [283] провел математическую обработ­ ку результатов исследования механических свойств алю­ миниево-марганцевой бронзы в связи с фазовыми превра­ щениями. Он установил количественную зависимость между значением пластичности и структурой при низких и высо­ ких температурах для сплавов, содержащих 2% марганца

ипеременное количество (7,9—10,5%) алюминия. Им изу­ чены три области состояния сплавов: низкотемпературная (20°), когда они состоят из а + у-фаз, высокотемпературная (550—700°), в которой сплав содержит a + ß-фазы, и область

эвтектоидного превращения, в этом интервале бронзы содер­ жат три фазы — a, ß и у.

Найдены эмпирические формулы, связывающие фазовый состав сплавов с величиной пластичности при разных тем­ пературах. Эта зависимость в общем виде выражается сле­ дующей формулой:

Дф=аДФ—bАФ2,

где Дф и ДФ — изменение пластичности и количества вто­ рой фазы (%); a, b — постоянные, зависящие от фазового состава, температуры, скорости деформирования и времени выдержки образцов перед разрывом. Приведенное уравне­ ние позволяет, во-первых, определить критическое количе­ ство второй фазы, после достижения которого деформируе­ мость сплава резко изменяется, во-вторых, путем вычисле­ ния построить кривую температурной зависимости пластич­ ности бронз, свойства которых экспериментально не иссле­ довались. Для такого расчета требуется знать содержание y-фазы в сплаве в интервале 20—400° и прирост количест­ ва ß-фазы в процессе деформирования выше 500°.

Расчеты (табл. 8) показали, что максимальное снижение относительного сужения в интервале 20—400° по сравнению с пластичностью сплава с 7,9% алюминия, который принят за исходный (он состоит из a-твердого раствора и содержит до 1,0% y-фазы), происходит при содержании y-фазы от 25 до 40%. В области 550—700° этот эффект наблюдается при

166

изменении количества ß-фазы в процессе деформации до

4%.

При высоких температурах увеличение пластичности оп­ ределяется приростом ß-фазы за счет распада а-кристаллов во время деформации. Растяжение образцов с 10,5% алю­ миния вблизи 700° показало, что при увеличении количест­

+ y + ß, приблизительно описывается прямой линией. Таким образом, математической обработкой эксперимен­

тальных данных установлено, что изменение фазового со­ става алюминиево-марганцевой бронзы Бр.АМц9-2 при де­ формации по-разному влияет на пластичность в зависимо­ сти от температуры. В области высоких температур диффу­ зионные процессы превращения неравновесной a-фазы ока­ зывают решающее влияние на повышение пластичности бронзы Бр.АМц9-2.

Влияние скорости кристаллизации на свойства бронзы Бр.АМц9-2. Слитки бронзы Бр.АМц9-2 в настоящее время получают литьем в медные водоохлаждаемые формы или в чугунные изложницы. В ряде случаев применяют и полуне­ прерывный способ отливки [284, 285]. О влиянии способа литья, определяющего скорость кристаллизации сплавов на свойства алюминиево-марганцевых бронз, известно из

167

работы [268]. В ней исследовались бронзы с содержанием 9% алюминия и 1—3% марганца. Сплавы, отлитые с малой скоростью кристаллизации (0,4 традімин), при высокой кон­ центрации марганца (3%) имеют относительное сужение около 0,4 и предел прочности, равный 48 кг¡мм2. Уменьше­ ние содержания марганца до 1 % заметно понижает механи­ ческие свойства. В то же время повышение скорости кри­ сталлизации на два порядка (50 градімин) позволяет дове­ сти пластичность и прочность у этого сплава до уровня, на­ блюдаемого у высоколегированных образцов.

Рис. 74. Пластичность бронзы Бр.АМц9-2 с 8% алюминия я марганца, % : 1, 3 — 1,6; 2, 4 — 2,6; 1, 2 — отлитая в чугунную изложницу, 3, 4 — отлитая в медную водоохлаждаемую изложницу.

В работе [255] влияние скорости охлаждения при литье изучалось для сплавов, содержащих 6—10,5% алюминия

и1,6—2,6% марганца. Для получения разной скорости кри­ сталлизации они отливались в чугунную, медную водоох­ лаждаемую изложницы и в стальной кокиль. Микроскопи­ ческий анализ показал, что при любом способе литья эти сплавы двухфазны, однако количество второй фазы, форма

ивеличина зерен меняются в зависимости от условий ох­ лаждения. Наиболее тонкое строение с равномерным рас­ пределением эвтектоида между зернами a-твердого раство­ ра имеют бронзы, кристаллизовавшиеся в стальном кокиле,

наиболее грубая структура получается при литье в медную водоохлаждаемую изложницу.

На рисунке 74 приведены данные о пластичности спла­ вов разного состава, отлитых с разной скоростью охлажде­

168

ния. Бронзы с низким содержанием марганца (1,6%) при комнатной температуре имеют невысокую пластичность (-ф = 0,5), которая относительно мало зависит от способа ли­ тья. В интервале 200—800° сплав, отлитый в чугунную из­ ложницу, оказывается пластичнее бронзы, кристаллизо­ вавшейся в медной изложнице, особенно заметна эта раз­ ница в области 150—500 и при 800°. Неравномерность изме­ нения деформируемости с температурой, проявляющаяся в образовании трех всплесков пластичности и провалов, в этом случае выражена особенно сильно.

Несколько по-иному влияет изменение скорости кри­ сталлизации на сплавы с более высоким содержанием мар­ ганца (2,6%). При переходе от литья в чугунные изложни­ цы к медным водоохлаждаемым относительное сужение образцов в области 20—300° возрастает, и провал пластич­ ности вблизи 100° устраняется, вместе с тем уменьшается развитие зон хрупкости при 600 и 800°. Резкое повышение относительного сужения вблизи 500° и низкая пластичность при 400° обнаруживаются при разрыве всех образцов неза­ висимо от скорости охлаждения слитков. Бронзы, особенно с низким содержанием марганца, отлитые в чугунную из­ ложницу, начиная с 300° становятся намного пластичнее сплавов, отлитых в медную форму. У сплавов с высоким со­ держанием марганца (2,6%) пластичность при 500° в обла­ сти Есплеока не завиоит от скорости кристаллизации, с по­ нижением концентрации марганца чувствительность сплаЕов к условиям охлаждения возрастает и относительное су­ жение при 500° резко меняется.

Чем выше температура деформации, тем сильнее выра­ жена зависимость пластичности алюминиево-марганцевых бронз от скорости кристаллизации. Значительный интерес представляют данные о влиянии условий кристаллизации на деформируемость бронзы Бр.АМц9-2 для интервала тем­ ператур горячей обработки 600—900° [255]. При содержа­ нии марганца на нижнем пределе (1,6%) бронза, отлитая в медную водоохлаждаемую изложницу, имеет относительное сужение в области 600—800° около 0,35, а при 900°—0,6 (рис. 74, кривая 3). Сплав того же состава из чугунной из­ ложницы обнаруживает высокую пластичность около 800°г что позволяет говорить о возможности обработки его в горячем состоянии. Бронза с 2,6% марганца, отлитая в чу­ гунную форму, имеет более широкую зону деформируемости при высоких температурах (600—900°) по сравнению со' сплавом, отлитым в медную изложницу, охлаждаемую во­ дой (750—900°).

16»