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

кую — отожженные пробы. В этой же последовательности происходят смещение низкотемпературного провала плас­ тичности от 300 к 500° и упрощение всей зоны хрупкости. У холоднокатаной латуни она выражена наиболее слож­ ной кривой с двумя минимумами — при 300 и 500°. После горячей деформации минимум исчезает и вблизи 500° на кривой относительного сужения остается лишь перегиб.

Рис. 24. Относительное удлинение деформированной латуни Л80: 1 — 55; 2— 11; 3 — 18; 4 — 5%.

Выше 500° наиболее высокую деформируемость имеют образцы холоднокатаного металла (рис. 25), вслед за ними идут горячедеформированные, и наименьшие показатели обнаруживаются у наиболее равновесного сплава — отож­ женного. Пластичность в этой области изменяется монотон­ но с температурой без каких-либо ясно выраженных анома­ лий. Аналогичную зависимость изменения относительного

50

сужения от предварительной обработки имеет латунь Л90 (рис. 25, б), хотя в этом случае более резко выражено раз­ витие зоны хрупкости в сторону высоких температур при переходе сплава к равновесному состоянию.

Температурная миграция провалов пластичности у ла­ туней наблюдается не только при наложении деформации, но и в том случае, если изменение состояния вызвано толь­ ко термической обработкой. Так, у сплава Л75 при перехо­ де от литых образцов к отожженным по разным режимам степень развития провалов при 300, 500 и 700° сильно ме­ няется, что и выражается в наблюдаемом их смещении. Эти данные согласуются с установленной закономерностью вли­

Рис. 25. Пластичность латуней Л80 (а) и Л90 (б) : 1 — холодная дефор­ мация со степенью обжатия 60%, 2 — горячая деформация на 45%; 3 — отжиг при 650° (3 ч).

яния предварительной обработки а-латуней на положение критической точки перехода «порядок — беспорядок» [133]. Следовательно, развитие провалов пластичности у а-лату- ней связывается с развитием превращений типа упорядоче­ ния, а их миграция — с изменением температуры этих пе­

реходов, обусловленным разным состоянием исследуемых образцов.

Аналогичная картина изменения пластичности с темпе­ ратурой и состоянием (не совпадающая лишь в деталях), на­ блюдающаяся и у чистой меди, указывает на то, что и в этом случае развиваются диффузионные процессы, близкие по природе к превращениям в a-твердых растворах. Очевид­ но, это может быть, если в кристаллической решетке чистой меди содержатся атомы, чем-то отличающиеся между со­ бой, способные при некоторых температурах занимать оп­ ределенные места в решетке. Эти рассуждения приводят к признанию гипотезы о существовании у меди разных сор­ тов атомов и о развитии в ней мономорфных превращений при изменении температуры и состояния [4].

51

Рис. 26. Механические свойства (а — сужение, б — удлинение, в — пре­

сверхпластичном состоянии латуней при определенных ус­ ловиях. Так, у холоднокатаной латуни Л80 это состояние наступает около 900° при растяжении образцов, продеформированных со степенью 11%. После обжатия на 45% кро­ ме обычных провалов при средних температурах у этой ла­ туни обнаруживается ясно выраженное аномальное сниже­ ние удлинения вблизи 850°. Горячая деформация с такой же степенью вызывает при этих же температурах сверх­ пластичность, при которой удлинение образцов достигает 170% [69] при весьма незначительном сопротивлении де­ формированию.

Обычно вблизи температур 850—900° пластичность ме­ ди и ее сплавов сильно снижается и это принято объяснять укрупнением зерна, или «пережогом» сплава из-за оплавле­ ния границ, содержащих легкоплавкие примеси. Переход материала при этих условиях в сверхпластичное состояние показывает несостоятельность гипотез, пытающихся свести причину аномалий к чисто механическим явлениям. Оче-

53

видно, наблюдаемые особенности деформируемости лату­ ней и меди связаны прежде всего с изменением их состоя­ ния под влиянием температуры и деформации.

Изменение механических свойств наименее легирован­ ного из этой группы сплавов Л95 в зависимости от степени горячей деформации показано на рисунке 26. Эта ла­ тунь при комнатной температуре и выше 600° имеет высокое относительное сужение, мало меняющееся со степенью де­ формации. Зона хрупкости у нее расположена в неширо­ ком интервале температур с наибольшим снижением плас­ тичности при 400 или 450° в зависимости от степени пред­ варительного обжатия (рис. 26, а). Горячая деформация сильно влияет на изменение относительного удлинения об­ разцов латуни Л95 в высокотемпературной области, где по­ являются признаки перехода сплава в сверхпластичное со­ стояние (около 700 и 800—900°), а в промежуточном интер­ вале возникает провал пластичности. С увеличением предварительного обжатия развитие этих эффектов усили­

наблюдается упрочнение сплавов, сопровождающее ано­ мальное уменьшение пластичности. Интересно, что упроч­ нение при 600° латуней, деформированных на 19 и 33%, совпадает с моментами очень высокого сужения и, наобо­ рот, пониженного удлинения, т. е. со стадией ясно выражен­ ной локализации процесса пластической деформации, что указывает на существование определенной связи между этими явлениями.

Опытами [144] было показано, что повышение пластич­ ности а-латуни, вызванное предварительной деформацией, сдвигает границы зоны хрупкости в сторону низких темпе­ ратур, т. е. наблюдается эффект, похожий на явление реотропического возврата у хладноломких металлов. Эффект реотропического возврата в свое время подробно исследо­ вался для цинка [146, 147]. Установлено, что в этом случае происходит не простое снижение порога хладноломкости, а локальное повышение пластичности в области около 75°, которое зависит от степени предварительной деформации и скорости растяжения образцов. При анализе результатов этих экспериментов было предположено, что хрупкость цин­ ка, как и других хладноломких металлов, обусловлена про­ цессом, способствующим появлению дополнительных сил связи, подобным явлению упорядочения твердых растворов.

54

Предварительная деформация играет роль фактора, усили­ вающего развитие процесса появления дополнительных сил связи.

В связи с этой гипотезой интересно рассмотреть, как ме­ няется пластичность под влиянием деформации в упорядо­ чивающемся сплаве, состоящем из атомов различных эле­ ментов, например у ß-латуни. В свое время авторы [148, 149] объяснили резкое увеличение ее пластичности выше 450° разупорядочением. В отличие от этого в работе [121] показано, что переход отожженной ß-латуни в сверхплас­ тичное состояние совершается сложно и не только при тем­ пературах известной критической точки. Эффекты аномаль­ ного повышения сужения и удлинения образцов обнаружи­ ваются и в более низкотемпературной области, но здесь они не достигают высокого значения. Причины их появления в то время были неясны, хотя в более ранних работах [150] делались предположения о возможности превращений в ß- фазе, связанных со стадией разупорядочения.

Результаты растяжения ß-латуни, деформированной при 485° с разной степенью наклепа, показали, что в этом слу­ чае область перехода к высокой пластичности сдвигается от 480—500 к 300—320°, т. е. почти на 200° в сторону низ­ ких температур. Это смещение происходит не за счет изме­

главным образом вследствие увеличения пластичности при 340 и 380°. У отожженной ß-латуни удлинение резко возрас­ тает при 480—500°, т. е. чуть выше критической точки разупорядочения. У сплава, деформированного со степенью 17%, этот эффект наблюдается при 380°. Переход к сверх­ пластичности у образцов, прокатанных со степенью обжа­ тия 25%, происходит в интервале температур 340—360°, после деформации со степенью 35% — при 300—320°. Даль­ нейшее повышение степени предварительного наклепа уве­ личивает показатели пластичности в области 300—460°. Вблизи критической температуры удлинение деформиро­ ванной ß-латуни при степени наклепа 17% достигает 190%. При большей степени деформации оно несколько снижает­ ся, хотя остается все же выше 150%, а у сплава, прокатан­ ного со степенью 80%, вновь увеличивается до 210%.

На кривых пластичности деформированной ß-латуни в интервале температур 300—460° наблюдается по три пика, свидетельствующих о ее сверхпластичном состоянии при 320, 380—400 и 460°, т. е. при тех же температурах, где вы­ является аномальное повышение пластичности у отожжен­ ных образцов. Вероятно, предварительное деформирование

55

способствует более интенсивному протеканию процессов, вы­ зывающих эти аномалии. Поэтому эффект сверхпластично­ сти у ß-латуни наблюдается после деформирования прокат­ кой только в ограниченном температурном интервале. Око­ ло 250—300°, где при растяжении отожженных образцов обнаруживается провал пластичности, удлинение после де­ формации также возрастает, но оно в этом случае не превы­ шает 50%.

Аналогично изменяется пластичность ß-латуни, предва­ рительно деформированной при 460° и закаленной с этой температуры. Так же, как и в первом случае, в пределах температур 300—440° на кривых удлинения обнаружива­ ются три максимума удлинения, отражающие развитие сверхпластичности. Минимальные значения наблюдаются в интервале, совпадающем с температурой предварительной деформации (460°). С увеличением степени наклепа этот минимум сглаживается или сдвигается к более высоким температурам. Детали развития сверхпластичности у де­ формированной ß-латуни зависят от скорости растяжения образцов.

Таким образом, у упорядочивающейся ß-латуни после предварительного деформирования при 460 и 485° переход в сверхпластичное состояние совершается при более низких температурах, чем у отожженного сплава, т. е. ясно наблю­ дается явление реотропического возврата (снижение темпе­ ратуры перехода из хрупкого состояния в пластичное под влиянием предварительного деформирования).

Это явление у ß-латуни проявляется как эффект сверх­ пластичности в области температур 300—460°. Повышение удлинения в ограниченном температурном интервале свя­ зано, вероятно, с тем, что дефекты, возникающие в кристал­ лической решетке под влиянием деформации, изменяют ки­ нетику перехода из упорядоченного состояния в разупорядоченное и обратно. Вблизи 300° у ß-латуни резко уменьша­ ется и степень дальнего порядка [150]. При повышенной концентрации дефектов этот процесс в деформированной ß-латуни протекает значительно интенсивней, чем в равно­ весном сплаве и пластичность вблизи 300° резко возрастает.

Сравнение особенностей перехода от хрупкого состояния к пластичному у ß-латуни с развитием зоны хрупкости у а- латуни под влиянием деформации, а также с явлением рео­ тропического возврата у цинка [146] показывает, что в этих случаях обнаруживаются одинаковые закономерности. Реотропический возврат у цинка и ß-латуни происходит вслед­ ствие усиления процессов, связанных с установлением разупорядоченного состояния. Эти закономерности, выявлен­

56

ные сначала для цинка [151, 147], отчетливо проявились при изучении пластичности деформированной ß-латуни. Поэтому, если принять метод аналогии, их можно также распространить на а-латуни и чистую медь, у которых так­ же в ограниченном интервале температур наблюдается увеличение пластичности под влиянием предварительной деформации, ведущее к смещению границы перехода от среднетемпературной хрупкости к высокой пластичности, проявляющееся в ' развитии сверхпластичности.

Эта аналогия позволяет идти дальше, т. е. считать, что процессы, активизируемые пластической деформацией, и в этих случаях, вероятно, сводятся к переходам «порядок — беспорядок». Такое заключение не является неожиданным в отношении а-латуней, где это превращение установлено мно­ гими исследователями. Что же касается меди, то и здесь по­ добные предположения высказывались при обсуждении по­ ведения этого металла в самых различных условиях. Допу­ щение возможности развития в чистой меди процессов типа упорядочения неизбежно приводит к признанию существо­ вания у этого металла разных сортов атомов, которые в определенной ситуации ведут себя как чужеродные.

Старение латуней в связи с упорядочением а-фазы

Стабильные а-латуни характеризуются упо­ рядоченным расположением атомов в кристаллической ре­ шетке, которое устанавливается при температурах, завися­ щих от состава сплавов. Латуни, нагретые выше этих кри­ тических точек, а также продеформированные с достаточно высокой степенью' наклепа, разупорядочены.

Кинетика процесса упорядочения в а-латунях относи­ тельно вялая, вследствие этого сплавы, охлажденные обыч­ ным путем (в выключенной печи), неравновесны. Измене­ ние температурных условий, а также длительное вылежи­ вание неравновесных сплавов при комнатной температуре ведут к процессу стабилизации, в результате которого за­ метно изменяются механические и физические свойства ла­ туней. Особый интерес в связи с этим представляет явление аномального повышения прочностных характеристик (твер­ дости, пределов прочности и текучести) латуней при отжиге.

Исследователи заметили, что эти свойства при отжиге упорядочивающихся сплавов изменяются так -же, как и свойства обычных стареющих сплавов при распаде пересы­ щенных твердых растворов. Так, изучая закаленный сплав медь — платина (50/50), не претерпевающий распада, Но­

57

вак [152] прямо указывал, что его поведение по изменению твердости напоминает поведение дисперсионно твердеющих материалов, а величина фазового наклепа превосходит на­ клеп от механической обработки. Поскольку в латунях про­ исходят внешне аналогичные изменения свойств, эффект этот также был назван старением.

Авторы [110], наблюдая изменение рентгеновских ин­ терференций, сопровождающее стабилизацию твердых ра­ створов на основе меди, говорят о «гомогенном» старении. Этот термин подчеркивает особенность данного явления, присущую твердым растворам, в которых изменение свойств не сопровождается выделением второй фазы.

Об аномалии твердости а-латуни (с 70% меди), деформи­ рованной с большой степенью наклепа, писалось в работах [153, 133]. По данным [133], максимальное повышение твердости сплава соответствует пику на кривой выделения энергии, понижению электросопротивления и увеличению плотности образцов. Такое изменение свойств латуни под­ тверждает наличие связи твердости с восстановлением по­ рядка, разрушенного при деформации. К аналогичному вы­ воду пришли исследователи [154—156], которые также об­ наружили этот эффект и трактовали его как результат об­ разования ближнего порядка в сплаве.

Следует заметить, что Кларебро и Лоретто [133] отчет­ ливо наблюдали повышение твердости при отжиге деформи­ рованных сплавов и не нашли его при отпуске закаленных образцов, хотя и та и другая термическая обработка ведет к восстановлению порядка. Это противоречие они объясня­ ют тем, что отпуск после закалки и отжиг после деформации не приводят к одинаковому упорядоченному состоянию или же требуемая для проявления эффекта твердения плот­ ность дислокаций в последнем случае не достигается.

При изучении а-латуни методом микротвердости [157, 158] отмечалось их твердение, независимо от того, были ли они разупорядочены нагревом (с последующей закалкой) или деформацией, хотя величина прироста микротвердости зависела от исходного состояния сплава, его состава, режи­ мов термической обработки и менялась при изменении этих факторов. Кроме того, была установлена связь эффекта твердения со скоростью нагрева и охлаждения при отжиге. Оказалось, что при определенной скорости нагрева для про­ явления эффекта твердения нужна вполне определенная сте­ пень деформации [157], о чем упоминалось еще раньше [159]. Твердение закаленных образцов при отпуске зависит также от температуры закалки, определяющей степень ме­ тастабильности сплавов, а значит и интенсивность развития

58

процесса упорядочения, в результате которого повышается твердость.

Старение отражает стабилизацию латуней, следователь­ но, оно возможно на любой стадии технологического цикла их обработки, когда возникают соответствующие для его развития условия. Поэтому появление напряжений, нерав­ номерное накопление их и образование трещин в металле в результате старения могут наблюдаться не только при об­ работке давлением в процессе отжига, но и при длительном хранении латунных полуфабрикатов и изделий, усугубляе­ мом коррозионным действием окружающей среды. Различ­ ной в этом случае будет лишь скорость этого процесса, за­ висящая от состава, состояния сплава и условий его обра­ ботки.

Большое внимание старению твердых растворов на ос­ нове меди уделяют японские ученые. Они рассматривают это явление как проблемный вопрос, решение которого мо­ жет не только предотвратить преждевременное разрушение металла, но и улучшить свойства некоторых латунных из­ делий [104]. О возможности улучшать упругие свойства медно-цинковых сплавов аномальным упрочнением пишут и немецкие исследователи [160]. Проводятся различные эксперименты, целью которых является изучение влияния на старение сплавов состава, степени и скорости предвари­

дочением, в настоящее время все еще нет единого мнения о физической природе этого процесса и о механизме самого эффекта твердения. Японские ученые в 1945 г. выдвигали несколько гипотез для объяснения повышения твердости а-латуней при отжиге. Авторами [109] рассмотрены эти предположения наряду с другими работами по исследова­ нию связи твердения с упорядочением.

Вывод о связи эффекта твердения с упорядочением спла­ вов в настоящее время достаточно обоснован: имеется боль­ шое число экспериментальных данных, указывающих на повышение прочностных свойств при упорядочении [161, 162]. До некоторой степени разработана и теоретическая сторона этого вопроса [163—166]. Из работ по раскрытию причин упрочнения при упорядочении [164, 166], которые основаны на положениях дислокационной теории, следует, что упрочнение по мере повышения степени порядка изме­ няется по кривой с максимумом. В этом случае полностью упорядоченный или разупорядоченный сплав обладает

59