книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии
.pdfм&ции и длительности отжига температура рекристаллиза ции меди снижается в пределах 100—300° [35, 36]. По дан ным [35], при степени деформации 41% температура нача ла рекристаллизации составляет 190°. У меди, закристалли зовавшейся при интенсивном охлаждении (в процессе не прерывного литья), образование двойников наблюдается в результате отпуска при 385—450° [34].
Рекристаллизация играет важную роль в формировании структуры и свойств деформированной меди. Показано [34], что у меди, деформированной со степенью 25 и 60%, первые признаки рекристаллизации, обнаруженные рент геноструктурным анализом, появляются после отжига при 225°. Температура рекристаллизации обработки после де формации на 25% находится в пределах 375—550°; с уве личением наклепа до 60 % этот интервал сужается и состав ляет 375—450°. Медь, деформированная на малые степени (до 5%), не рекристаллизуется вплоть до 900° [37]. Опыта ми установлено, что наклеп, возникающий при докритических деформациях, во время отжига полностью не снима ется, вызывая заметное изменение свойств не только у де формированного, но и у отожженного металла.
Литье и кристаллизация меди всегда в какой-то степени сопровождаются образованием макро- и микропористости. Поры могут возникать также в процессе деформации и тер мической обработки. Пористость в ряде случаев рассматри вают как важный фактор, определяющий механические свойства меди. Некоторые исследователи [38—40] склон ны считать ее главной причиной разрушения чистой меди при высоких температурах.
При кристаллизации таких сортов меди, как бескисло родная и вакуумно-плавленая, появляется относительно небольшое число пор, которые равномерно распределяются по сечению слитка. В процессе длительного вылеживания, а также в результате отжига, особенно при 500°, число пор несколько возрастает, однако плотность меди при этом практически не изменяется. По мнению автора работы [41], причиной образования пор в этом случае является распад твердого раствора водорода в меди с образованием молеку лярного водорода.
Свойства меди
Физические свойства технической меди [42]. Ценным свойством чистой меди является низкое элек тросопротивление. Согласно работе [43], его среднее-значе ние составляет 1,7з-1О-6 ом-см. После часового отжига при
10
700° в вакууме оно уменьшается до 1,67з-10 6 ом-см и на воздухе — до 1,65з-Ю_6 ом-см. По данным измерения элек тросопротивления меди вайербарсов непрерывного и гори зонтального литья, проволока из бескислородной меди име ет более высокие электрические свойства (1,69-ІО-6 ом- -см/мм2) по сравнению с металлом горизонтального литья
(1,7-ІО-6 ом-см/мм2).
Термическая обработка и пластическая деформация су щественно изменяют электрические и тепловые свойства ме ди. Под влиянием деформации электросопротивление воз растает, а при отжиге вначале уменьшается, а затем, выше 500°, увеличивается (рис. 2). При определении электросопро-
Рис. 2. Зависимость электро сопротивления меди от темпе ратуры отжига.
Температура отжиеа/С
тивления в условиях непрерывного нагрева со скоростью 2,5 град/мин обнаружено изменение температурного коэф фициента при 100, 450 и 700°, намного превышающее воз можную ошибку эксперимента. Найденные отклонения кри вой от прямолинейной зависимости связываются с измене нием состояния проб при указанных температурах [43].
При исследовании теплового расширения меди, дефор мированной с разной степенью наклепа после закалки, вы являются эффекты при 250—300 и 550°, свидетельствующие об изменении коэффициента теплового расширения при этих температурах. Эксперименты с использованием дилато метра специальной конструкции показали, что у меди обна руживаются аномалии теплового расширения при 200, 350, 500 и 800° [44]. Следует заметить, что при этих же темпе ратурах наблюдается скачкообразное изменение удельной теплоемкости [45] (хотя автор и усредняет ее значения).
Пластичность меди при комнатных температурах имеет относительно высокое значение, сужение образцов составля ет 0,7—0,8. Однако начиная с 200—300° оно резко снижает ся, до минимума при 400—500°, а затем снова возрастает. Образование температурной зоны хрупкости у меди неодно кратно отмечалось исследователями и явилось в дальнейшем предметом специального изучения. Определяя сужение и
11
удлинение образцов из электролитической меди, Бенгоу [46] нашел зону хрупкости с минимальным значением по казателей вблизи 400°. Увеличение пластичности при более высоких температурах сопровождалось перегибом на кри вой прочности, который Хадсон [47] объяснял протекани ем рекристаллизации.
Хрупкое состояние меди в широком интервале темпера тур наблюдал Ганзер [48], по данным которого уменьшение относительного сужения образцов начиналось с 200° и ми нимальные значения пластичности отмечались при 400— 500°. Таким образом, в интервале температур 200—500^ значения показателей уменьшились более чем в два раза. При дальнейшем нагреве (700—750°) они увеличивались до исходной величины (рис. 3, а).
Изучая пластичность меди при высоких температурах, А. В. Бобылев и А. И. Чипиженко [49] приводят данные,, полученные ранее Зибе, Штрибеком, Лорингом и др. Почти все они обнаружили ярко выраженный провал пластичности с минимальным значением относительного сужения вбли зи 500° (рис. 3, б). Однако степень развития этого эффекта в
разных экспериментах была различной. Зибе [50] |
отметил |
уменьшение пластичности начиная с 200° (рис. |
3, б). По |
Штрибеку [51], зона хрупкости распространяется вплоть до 700°. В противоположность этим результатам Крупковский [52] и Хантингтон [53] считают, что медь является очень пластичной вплоть до 800° и только выше этой температуры она становится хрупкой. Лоринг, Даль и др. [54] вообще не обнаружили провала пластичности при деформации меди.
Почти монотонное изменение деформируемости меди с температурой было выявлено при статическом и динамиче ском растяжении отожженного металла марки Ml [55].
12
При этом отмечено лишь небольшое снижение относитель ного сужения при 400°.
В работе [49] найдено, что провал пластичности с ми нимумом при 500° возникает при относительно малых ско ростях деформации (до 20 мм/мин). Особенно резко и в наиболее широком интервале температур хрупкость прояв ляется при растяжении образцов со скоростью 1 мм/мин. Увеличение последней до 300 ммімин дает результаты, близкие к данным экспериментов С. И. Губкина и др. [55].
Показано [49], что в зоне хрупкости (500—700°) относи тельное сужение с увеличением скорости растяжения воз растает только вначале, а затем не изменяется. Аналогич ная картина наблюдалась при изгибе образцов: если они изгибались медленно, то оказывались хрупкими, а при бы стром изгибе были пластичными. При растяжении образ цов в восстановительной атмосфере авторы не обнаружили зоны хрупкости и на этом основании пришли к выводу, что температурная хрупкость не свойственна чистой меди. Она возникает, по их мнению, лишь в присутствии примесей в связи с изменением их растворимости с температурой, а также вследствие неполной рекристаллизации при дефор мации и влиянии окружающей среды. Действие окружаю щей среды сводится к окислению границ зерен, вызываю щему понижение их пластичности. Однако, согласно данным этих же авторов [56], время выдержки образцов перед рас тяжением при высоких температурах, а следовательно, про должительность воздействия воздушной атмосферы не ока зывают влияния на пластичность меди.
Анализируя результаты работ [49, 55, 56], Е. М. Савиц кий [10] приходит к заключению, что механические свой ства чистой меди изменяются с температурой монотонно. Аномалии, наблюдаемые при 500°, вызваны протеканием рекристаллизации или воздействием примесей, в частности кислорода, у недостаточно раскисленного металла. Возник новение зоны хрупкости и развитие ее при уменьшении скорости деформации, найденное А. В. Бобылевым и А. И. Чипиженко, он объясняет окислением границ зерен на воз духе. При растяжении проволочных образцов в вакууме им не обнаружено снижения пластичности вплоть до 500°, однако в интервале 500—600° относительное сужение и удлинение уменьшились примерно на 10%.
Образование зоны хрупкости при деформации меди мар ки Ml было описано С. К. Максимовым [57], который изу чал влияние длительного нагружения на пластичность и показал, что понижение удлинения образцов начинается с 250°. При 200° разрушение происходит по телу зерна, а уже
13
при 350° излом становится хрупким и развивается по гра ницам кристаллов. По данным работы [58], пластичность меди понижается при температуре около 200° (сужение и удлинение) и 600° (удлинение).
Зависимость пластичности меди от количества примесей и температуры исследовал Смительс [59]. Он определял удлинение образцов, вырезанных из горячекатаных листов толщиной 14,3 мм, при скорости растяжения 6,35 ммімин в интервале от 20 до 500°. При комнатной температуре все
Рис. 4. |
Пластичность |
меди раз |
||
ных сортов |
по Смительсу [69] : |
|||
1 — рафинированная |
электроли |
|||
тическая (99,91% с 0,04% кисло |
||||
рода) ; |
2 — раскисленная |
без- |
||
мыпіьяковистая (99,92% с 0,05% |
||||
фосфора) ; |
3 — рафинированная |
|||
электролитическая |
(99,95% |
с |
0,38% мышьяка и 0,05% кисло рода); 4—раскисленная мышья ковистая (99,95% с 0,40% мышьяка и 0,06% фосфора).
сорта меди имели практически одинаковую пластичность. С повышением температуры влияние примесей становилось более заметным и достигало максимального значения при 500° (рис. 4). Наиболее высокая деформируемость обнару живалась у безмышьяковистой раскисленной меди (чисто той 99,92%), содержащей 0,05% фосфора. Удлинение образ цов из этого металла при нагреве от 200 до 500° понижа-
'лось на 16,6%. Самую низкую пластичность в области тем ператур 400—500° имела рафинированная электролитиче ская медь (при чистоте 99,9 и 99,51%). Увеличение количе ства примесей в указанных пределах не изменило заметно деформируемость при 20°. Однако понижение последней с температурой в этом случае было наиболее значительным. Опыты Смительса показывают, что кислород и мышьяк способствуют снижению пластичности меди при 400—500°. Уменьшение количества этих примесей ослабляет развитие зоны хрупкости, однако не устраняет ее полностью.
Ряд авторов [60—63] связывают образование провалов пластичности у меди с присутствием водорода, о механиз ме действия которого существуют разные представления. По наиболее распространенной гипотезе хрупкость объясняется протеканием распада пересыщенного твердого раствора во дорода в меди начиная с 200°. При высоких температурах степень пересыщения, а следовательно, и интенсивность рас пада уменьшаются и пластичность возрастает.
14
Содержание кислорода и водорода в меди связано меж ду собой гиперболической зависимостью [62], поэтому о концентрации последнего судят, изучая медь с разным ко личеством кислорода. Опыты [60] по изучению меди раз ных сортов показали, что способ ее получения, от которого зависит содержание кислорода (водорода), оказывает ре шающее влияние на пластичность при повышенных и высо ких температурах. Бескислородной меди (с высоким содер жанием водорода) свойственно наиболее значительное по нижение показателей при 400—700° (рис. 5, кривая 2). Ва куумная медь менее пластична при низких температурах, зона хрупкости в этом случае менее развита и смещена к более низким температурам (200—400°).
Рис. 5. Пластичность меди [60] : 1—вакуумная; 2—бескислород ная; 3 — с 0,05% кислорода; 4 — ,с 0,12% кислорода.
В области до 300° при увеличении количества кислоро да отмечается понижение пластичности, однако с темпера турой относительное сужение образцов возрастает (рис. 5, кривые 3 и 4). В меди с большой концентрацией кислорода, т. е. содержащей мало водорода, зона хрупкости не обна руживается (рис. 5, кривая 4). Таким образом, увеличение содержания водорода в меди приводит к образованию про вала пластичности. По мнению Д. Г. Бутомо [60], разруше ние металла происходит вследствие образования неплотно стей по границам зерен, возникающих при выделении водо рода из пересыщенного твердого раствора. С этих позиций объясняется и повышение пластичности со скоростью рас тяжения : распад не завершается за время деформации и его действие не проявляется.
Специальными опытами [64] установлено, что образова ние зоны хрупкости у медных сплавов не связано с «пор чей» границ зерен во время растяжения образцов. Исследо вания очень чистых сортов меди, в том числе вакуумно плавленой,. методом электронно-лучевой плавки показали,
15
что и самая чистая медь, прошедшая деформацию и отжиг, обнаруживает понижение пластичности вблизи 500° [65].
Всвязи с этими данными высказывается предположение
отом, что тепловая хрупкость присуща самой меди и вызы вается особого рода превращениями в очень чистом метал ле [4]. В работе [40] хрупкость связывается с образовани ем вторичной пористости при межзеренных перемещениях.
Рис. 6. Пластичность литой бескислородной меди непрерывного литья производства Балхашского завода ОЦМ.
Таким образом, среди исследователей нет единого мнения о природе температурной хрупкости меди.
Значительные трудности, возникающие при обработке этого металла, особенно при изготовлении тонких сортов проката и волочения, заставили снова обратиться к решению данной проблемы. В цикле работ по широкому изучению свойств меди в зависимости от состояния и различных фак торов обработки [34, 37, 66] исследовалась медь различных сортов, в том числе бескислородная — производства Бал хашского завода,— полученная путем вакуумной плавки на заводе «Красный Выборжец», и обычная — поставки Пышминского медьзавода.
Зона хрупкости была обнаружена у меди всех сортов не зависимо от способа ее получения. При деформировании литых образцов, как правило, наблюдается большой раз брос данных (рис. 6) в связи с разной пластичностью образ цов, характеризующих свойства отдельных зерен крулнокристаллитной меди. В этом случае как будто трудно вьт-
16
явить определенную закономерность изменения деформи руемости с температурой. Однако, анализируя и эти дан ные, можно заметить, что понижение пластичности начина ется с 200—300°, а провал имеет несколько минимумов.
Таким образом, зона хрупкости у меди представляет со бой суперпозицию нескольких провалов пластичности и, следовательно, ее развитие определяется не одним процес сом, а рядом превращений, которые протекают в разных температурных интервалах. Особенно четко это явление обнаруживается при деформировании меди с большими ско ростями, когда разброс показателей значительно уменьша ется.
Логарисрн скорости растяжения
Рис. 7. Влияние скорости растяжения на пластичность меди при температурах, °С: 1 — 20; 2 — 300; 3— 400; 4— 500; •
5 — 600 ; 6 — 700 [67].
В исследованиях [67] был применен больший диапазон скоростей растяжения, чем в опытах А. В. Бобылева и А. И. Чипиженко [56], который позволил проявиться более слож ной и интересной зависимости пластичности меди от скоро сти деформации.. Оказалось, что при низких температурах (до 200—250°) темп растяжения не играет большой роли в изменении пластичности (рис. 7, кривая 1). Начиная с 300° этот фактор оказывает решающее влияние на дефор мируемость меди. Выявлены три области температур, в ко торых пластичность изменяется по-разному. При 300 и 700° сужение образцов непрерывно и достаточно резко воз
2-182
растает с увеличением скорости. В зоне провала (400—■ 600°) пластичность изменяется по кривой с максимумом, т. е. существует оптимальная скорость, при которой металл является наиболее пластичным.
Рис. 8. Пластичность литой (о) и деформированной (6) меди [54]: 1 — бескислородная, высокопроводящая; 2—раскис ленная фосфором, высокопроводящая ; 3 — рафинирован ная электролитическая.
Увеличение скорости растяжения уменьшает развитие провалов пластичности у меди, хотя и не приводит к их полному устранению. Очевидно, для каждого состояния образцов можно подобрать такую скорость деформации, при которой зона хрупкости исчезнет. Однако при изменении ус ловий деформирования, состава или состояния образца, определяющих возможность протекания превращений при определенных температурах и их кинетику, зона хрупко сти образуется снова.
18
Эксперименты и практика обработки меди показывают, что ее деформируемость в значительной степени зависит от состояния. О влиянии этого фактора на пластичность меди писали авторы работы [54]. Они исследовали литые и де формированные образцы бескислородной и раскисленной фосфором меди, а также рафинированной электролитиче ской. В литом состоянии наиболее высокая пластичность обнаруживается у меди, раскисленной фосфором. В этом случае не наблюдается обычной хрупкости, небольшое по нижение относительного сужения происходит вблизи тем ператур 150 и 300° и более значительное — при 650° (рис. 8,а, кривая 2). При деформации металла двух других сор
тов возникает резко выраженная зона хрупкости: |
у |
элек |
тролитической рафинированной меди — в интервале |
300— |
|
700° (рис. 8,а, кривая 3), а у бескислородной — в |
области |
200—600° (рис. 8,а, кривая 1).
Деформация меди перед растяжением резко изменяет характер температурной зависимости пластичности. Медь, которая в литом состоянии проявляет максимальное сниже ние относительного сужения при средних температурах, пос ле деформации становится наиболее пластичной (чр=0,9— 1,0), сужение образцов с температурой изменяется моно тонно (рис. 8,6, кривая 1). У меди других сортов провалы пластичности наблюдаются при 400° (рис. 8,6, кривая 2, 3). Однако и в этом случае деформация приводит к резкому увеличению пластичности, сокращению зоны хрупкости и смещению ее от 600 до 400°. Особенно значительно пла стичность электролитической меди увеличивается в обла сти 500—700°. Воздействие предварительной деформации настолько велико, что в ряде случаев медь переходит в сверхпластичное состояние, когда удлинение образцов до стигает 140 и 150% [68, 69].
Прочность меди, по данным работы [60], составляет 20—22 кгімм2. Бескислородная медь производства Балхаш ского завода имеет более низкий предел прочности: у образ цов, вырезанных из разных зон вайербарса, при комнатной температуре он колеблется от 12 до 16 кгімм2. При добав лении 0,0035% кислорода прочность возрастает до 20— 22 кгімм2. Под влиянием температуры прочность меди сни жается и при 900° составляет около 0,5 кгімм2. Однако в определенных интервалах, обычно при 100, 250, 450, она увеличивается на 0,5—2 кгімм2 (рис. 9). При переходе от одной зоны слитка к другой эти аномалии изменяются по величине эффектов и температурам.
В результате горячей прокатки предел прочности меди возрастает. В этом случае также наблюдается отклонение
19'