книги из ГПНТБ / Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник

что дислокации при отжиге закрепляются атомами примесей или легирующих элементов.

Очень сильный рост предела упругости при дорекристаллизационном отжиге в твердых растворах с г. ц. к. решеткой на базе меди и никеля (иногда в 2—2,5 раза и более, см. табл. 5) можно свя­ зать с образованием атмосфер Сузуки на дефектах упаковки рас­ тянутых дислокаций и возникновением в растворе областей с ближним порядком. Разрушением этих областей и отрывом дисло­ каций от атмосфер можно объяснить разупрочнение при холодной деформации после дорекристаллизационного отжига.

В металлах с о. ц. к. решеткой, например в ниобии (см. табл. 5), рост предела упругости при дорекристаллизационном от­ жиге скорее всего обусловлен закреплением дислокаций коттрелловскими атмосферами из атомов примесей внедрения.

В металлах и однофазных сплавах технической чистоты одной из причин упрочнения при дорекристаллизационном отжиге может быть старение (дисперсионное твердение) из-за выделения на дис­ локациях дисперсных частиц фаз, образованных примесями.

При дорекристаллизационном упрочняющем отжиге предел уп­ ругости возрастает значительно сильнее, чем твердость или предел прочности. Это и понятно, так как на величину предела упругости, характеризующего сопротивление материала малым пластическим деформациям, сильно влияет исходная (до начала механических испытаний) дислокационная структура, мало изменяющаяся в про­

структура сильно изменяется в самом процессе механического ис­ пытания: растет плотность дислокаций, они перераспределяются и создается новая дислокационная структура. Поэтому закрепление дислокаций в исходной структуре при дорекристаллизационном отжиге сильнее влияет на предел упругости и слабее на предел прочности.

Теперь можно считать, что повышение предела упругости при дорекристаллизационном отжиге — это весьма общее явление, свойственное металлам и сплавам с любым типом решетки, метал­ лам обычной и высокой чистоты.

В целом же зависимость прочностных свойств от температуры отжига, изображенная на рис. 50 пунктиром, является одной из типичных и очень часто встречающихся.

3. Изменение физических свойств при отжиге

Электросопротивление изменяется при отжиге сложным обра­ зом. У многих деформированных металлов и неупорядоченных твердых растворов электросопротивление в значительной степени восстанавливается при дорекристаллизационном отжиге. Первич­ ная рекристаллизация окончательно снимает деформационный прирост электросопротивления.

100

Принято считать, что с повышением температуры рекристаллизационного отжига электросопротивление снижается (если при на­ клепе оно возрастало). Но справочные данные не согласуются с этим представлением. У меди, никеля, серебра, алюминия, железа и многих сплавов с повышением температуры рекристаллизационного отжига после обычного снижения электросопротивление по

дать при отжиге раньше, чем начнется сильное уменьшение пре­ дела прочности (рис. 53), так как электросопротивление может значительно снижаться из-за уменьшения концентрации точечных дефектов при возврате, а интенсивное падение предела прочности становится возможным только тогда, когда резко уменьшается плотность дислокаций.

§14. АНИЗОТРОПИЯ СВОЙСТВ ОТОЖЖЕННОГО МЕТАЛЛА

Врекристаллизованном металле с хаотично ориентированными кристаллитами векторные свойства отдельных монокристаллов статистически усредняются по всем направлениям в макрообъеме поликристалла. При наличии текстуры рекристаллизации отож­ женный металл анизотропен. Его анизотропия проявляется тем сильнее, чем совершеннее текстура. Чаще всего анизотропия свойств вредна, но в отдельных случаях требуется получить изде­ лие, в котором какое-то свойство должно быть усилено в опреде­ ленном направлении. Получение отожженного изотропного метал­

101

ла или, наоборот, металла с ярко выраженной анизотропией свойств — важная научная и техническая задача.

1. Фестонистость

Наибольший вред текстура рекристаллизации приносит в том случае, когда листы или ленты предназначаются для глубокой вы­ тяжки. Холоднокатаный лист или ленту перед штамповкой отжи­ гают. Если при отжиге возникает достаточно совершенная тексту­ ра рекристаллизации, то лист становится анизотропным. В этом легко убедиться, вырезая плоские образцы для растяжения под разным углом к направлению прокатки (рис. 58). Особенно резко

выраженная анизотропия механических свойств наблюдается у отожженных металлов и сплавов с г. ц. к. решеткой, обладающих текстурой куба | 001 [<001 > , так как этой текстуре свойственна

исключительно высокая степень совершенства. Например, в мед­ ной полосе с совершенной текстурой куба относительное удлине ние вдоль и поперек направления прокатки равно 16%, а под уг­ лом 45° к направлению прокатки 73%. Резкую разницу в значени­ ях относительного удлинения в этих направлениях легко понять, если учесть, что при растяжении монокристаллов меди перпенди­ кулярно грани куба | 100 [ получается низкое относительное удли­

нение, а перпендикулярно грани ромбического додекаэдра 11 ГО [■—

высокое. В случае текстуры куба ось разрывного образца, выре­ занного вдоль или поперек направления прокатки, оказывается перпендикулярной плоскости | Ю0[, а ось разрывного образца, вы­

резанного под углом 45° к направлению прокатки, — перпендику­

лярной плоскости | 110[.

Анизотропия свойств выражена на графике в координатах свойство — угол к направлению прокатки (рис. 59).

102

во внимание изменениях химического состава. Например, на рис. 61 показано, что наименьшая величина фестона у мельхиора, содержащего 0,3% Мп, получа­ ется при прокатке с обжатием 20—30%, а у мельхиора, содержащего 0,12% М п,— с суммарным обжатием 70—80%. Если мельхиор совсем не содержит марганца, то при всех степенях деформации до 90% и всех температурах отжига до 900°С он дает бесфестонистые стаканы. Марганец применяют при плавке мельхиора как раокислитель. Используя для раскисления мельхиора вместо марганца кремний, можно устранить брак ,по фестониегости при штамповке.

В отдельных случаях можно вводить в металл в строго определенном коли­ честве небольшие добавки, предназначенные только для устранения фестонистости или вообще анизотропии свойств. Например, добавка 0,05% Si к меди марки В4 уменьшает скорость развития кубической текстуры при отжиге, резко снижая анизотропию относительного удлинения.

При благоприятном химическом составе бесфестонистые стаканы можно по­ лучать в широком диапазоне степеней деформации и температур отжига. Такой состав, а также режимы обработки пока подбирают чисто эмпирически.

2. Текстурованная трансформаторная сталь

Важным примером промышленного материала, в котором текс­ тура рекристаллизации полезна, может служить трансформатор­ ная сталь. Стальной лист в сердечнике трансформатора непрерыв­ но перемагничивается. Около 0,4% общего расхода электроэнер­ гии теряется на нагревание сердечников трансформаторов.

Высокий к. п. д. трансформаторов обеспечивается минимальны­ ми потерями на перемагничивание вдоль направления магнитопровода.

Трансформаторная сталь содержит 2,8—3,5% Si и минимально возможное количество углерода. Магнитные свойства монокрис­ талла кремнистого железа сильно анизотропны. В нем так же, как и в чистом железе, ребро куба < 1 0 0 > является направлением наиболее легкого намагничивания, а пространственная диагональ куба < 111 > — направлением наиболее трудного намагничивания (рис. 62). В монокристалле кремнистого феррита максимальная

104

С середины 30-х годов начали разрабатывать технологию получения трансформаторной стали с резко выраженной текстурой ре­ кристаллизации, которая обеспечивает наиболее высокую магнит­ ную проницаемость в направлении прокатки и минимальные поте­ ри на гистерезис, при этом ухудшаются магнитные свойства в дру­ гих направлениях. Магнитопровод из текстурованной стали изго­ товляют так, что направление прокатки листа совпадает с направ­ лением магнитного потока.

В настоящее время промышленность все в больших масштабах производит холоднокатаную трансформаторную сталь с ребровой текстурой | МО I < 1 0 0 > , называемой текстурой Госса. В СССР —

это стали марок Э310, Э320 и др.

При ребровой текстуре ребро куба < 1 О 0 > , т. е. направление самого легкого намагничивания, параллельно направлению про­ катки, а плоскость ромбического додекаэдра { ПО } параллельна

плоскости проката (рис. 63). Направление трудного намагничива­ ния <111 >-находится под углом 54,7° к направлению прокатки, а направление промежуточного намагничивания < 1 1 0 > — попе­ рек прокатки.

Получение промышленного листа толщиной 0,2—0,5 мм с реб­ ровой текстурой — сложный технологический процесс. Он включа­ ет горячую прокатку, две холодные прокатки с промежуточным от­ жигом, отжиг (~800°С) после второй холодной прокатки и, на­ конец, высокотемпературный длительный отжиг (~1100°С) в су­ хом водороде.

При первом отжиге проходит первичная рекристаллизация, соз­ дающая текстуру, один из компонентов которой { ПО}< 110>.

Рекристаллизованная матрица стабилизирована дисперсными час­ тицами нитрида кремния, сульфида марганца и другими соедине­ ниями, образованными примесями. При окончательном высокотем­ пературном отжиге в стабилизированной матрице развивается вто­ ричная рекристаллизация с преимущественным ростом зерен, име­ ющих ориентацию | 110}<100> . В очень чистом сплаве железа с

кремнием рекристаллизованная матрица не стабилизирована и ребровая текстура не создается.

Холоднокатаные трансформаторные стали с ребровой текстурой постепенно вытесняют изотропные горячекатаные. Их применение позволяет уменьшить вес и габариты мощных трансформаторов на 20—25% и сильно снижает потери электроэнергии в народном хо­ зяйстве.

Еще более высокие магнитные характеристики присущи магнитопроводам из стали с кубической текстурой { 100} < 001> , когда

параллельно плоскости прокатки рекристаллизованные зерна уста­ навливаются плоскостью {100} , а параллельно направлению про­

катки и поперек нее — направлением <001 > . В такой стали в- отличие от стали с ребровой текстурой направление легкого, намаг-

105,

■ничивания лежит 'в плоскости прокатки вдоль и поперек катаной по­ лосы. Кубическую текстуру в трансформаторной стали получают в лентах толщиной около 0,04 мм, т. е. на порядок более тонких, чем при получении ребровой текстуры. Кубическая текстура возникает при вторичной рекристаллизации: в матрице, стабилизированной «эффектом толщины» (см. § 9), предпочтительно растут зерна, ко­ торые выходят на поверхность проката гранями 1100J, имеющими

(в присутствии кислорода в атмосфере печи) наименьшую поверх­ ностную энергию.

Режимы обработки для стабильного получения в больших про­ мышленных масштабах кубической текстуры в трансформаторной стали изучены еще недостаточно и находятся в стадии интенсив­ ных исследований.

§15. ВЫБОР РЕЖИМОВ ДОРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО

ИРЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННОГО ОТЖИГА

тер и полноту структурных изменений при отжиге, а также свойст­ ва металла и сплава после отжига. В отдельных случаях, которые будут рассмотрены ниже, важную роль играют также скорость нагрева до температуры отжига и скорость охлаждения с этой температуры.

Режим отжига каждого металла и сплава назначают с учетом требований к его структуре и свойствам, особенностей поведения при отжиге и исходного деформированного состояния. Правильно выбрать температуру и время отжига помогают диаграммы типа тех, что представлены на рис. 47—53.

1. Дорекристаллизационный отжиг

Дорекристаллизационный отжиг бывает смягчающим и упроч­

няющим.

Дорекристаллизационный смягчающий отжиг используют для повышения пластичности при частичном сохранении деформацион­ ного упрочнения. Его применяют, когда необязательно или неже­ лательно полное смягчение, достигаемое рекристаллизационным отжигом. Смягчающий дорекристаллизационный отжиг чаще все­ го служит окончательной операцией, придающей изделию требуе­ мое сочетание прочности и пластичности. Реже его используют как промежуточный процесс между операциями обработки давлением для частичного снятия наклепа. Алюминиевые листы марок АД, АД1 и др. в большом количестве выпускают после дорекристаллизационного смягчающего отжига при 150—300°С (температура отжига зависит от содержания примесей в алюминии, влияющих

на t р ). Дорекристаллизационный смягчающий отжиг широко при­ меняют к магналиям, чтобы обеспечить последующие операции гибки, отбортовки и др. Так, например, у нагартованных листов из сплава АМг2 ав= 3 0 кгс/мм12 и 6= 7%, а у отожженных при 160—

106

ливает разупрочнение при дорекристаллизационном отжиге. Такой отжиг сплавов АМг1 и АМг2 при 150—180°С обеспечивает сочета* ние повышенной (по сравнению с рекристаллизованным состояни* ем) прочности и пластичности, достаточной для проведения после* дующих операций, включающих пластическую деформацию. Так как листы из алюминия и магналиев составляют большую часть листовой продукции, выпускаемой заводами по обработке легких сплавов, понятно, насколько широко и эффективно используется дорекристалл.изационный смягчающий отжиг.

Для тугоплавких металлов VIA группы (Мо и W) дорекристаллизационный отжиг — единственный способ смягчения после обработки давлением, так как при рекристаллизации они сильно охрупчиваются. Дорекристаллизационный отжиг этих металлов и спла­ вов на их основе не только помогает частично снимать деформаци­ онное упрочнение, но и снижает температуру перехода из пластич­ ного состояния в хрупкое (см. рис. 55).

Дорекристаллизационный отжиг часто наряду с повышением пластичности преследует цель уменьшить остаточные нaпpяжeнияt стабилизировать свойства и повысить стойкость против коррозии.

Для выбора режима дорекристаллизационного отжига необхо­ димо знать t* (при данной степени деформации). Чем ближе тем­

пература отжига к t р, тем полнее снимается наклеп.

Дорекристаллизационный упрочняющий отжиг применяют для повышения упругих свойств пружин и мембран. Оптимальную тем­ пературу его (см. § 13) подбирают опытным путем.

При дорекристаллизационном отжиге холоднодеформированных медных сплавов (алюминиевых и хромовых бронз, меднонике­ левых сплавов) можно встретиться с «огневой» хрупкостью из-за образования пор по границам зерен. Поры возникают при отжиге под действием остаточных напряжений и по аналогии с порами, образующимися при ползучести, растут вследствие конденсаций вакансий. Для борьбы с огневой хрупкостью продолжительность отжига в соответствующем критическом температурном интервале должна быть минимальной.

2. Рекристаллизационный отжиг

Рекристаллизационный отжиг подразделяют на полный, непол­ ный и текстурирующий.

Полный рекристаллизационный отжиг, обычно называемый просто рекристаллизационным, — одна из наиболее широко приме­ няемых операций термообработки.

Рекристаллизационный отжиг используют в промышленности

10?

мирования (для снятия наклепа) и как окончательную (выход­ ную) термическую обработку (для придания полуфабрикату или изделию необходимых свойств). Рекристаллизационный отжиг ста­ лей, цветных металлов и сплавов применяют после холодной про­ катки листов, лент и фольги, холодного волочения труб, прутков и проволоки, холодной штамповки и других видов холодной, а также теплой обработки давлением (при теплой обработке давлением ме­ талл значительно наклепывается, хотя и слабее, чем при холод­ ной).

Вотдельных случаях рекристаллизационный отжиг следует за горячей обработкой давлением. Например, горячекатаные рулоны из некоторых алюминиевых сплавов перед холодной прокаткой от­ жигают для снятия остатков наклепа, так как в конце горячей прокатки, когда лист был захоложен до температур 280—330°С, медленная рекристаллизация не успела полностью пройти и снять наклеп.

Впроизводстве полуфабрикатов и изделий из цветных металлов

исплавов рекристаллизационный отжиг как самостоятельная операция термообработки распространен гораздо шире, чем в тех­ нологии призводства стали. Объясняется это тем, что по сравне­ нию со сталями холодной обработке давлением подвергают не­ сравненно большую долю цветных металлов и сплавов.

Температура полного рекристаллизационного отжига должна

быть выше tp. Если металл или сплав имеет критические точки в твердом состоянии, то температура чисто рекристаллизационного отжига должна находиться ниже критической точки, например точки Ас\ в стали или температуры полиморфного превращения в титановых сплавах. При нагреве выше температуры а + р — ^ -п е ­ рехода в титановых сплавах вырастает очень крупное зерно.

Ниже приведены примерные температуры полного рекристал­ лизационного отжига разных материалов, °С:

Время выдержки обычно составляет 10—60 мин.

При выборе времени выдержки иногда приходится учитывать побочные процессы. Так, основным процессом при отжиге холоднодеформированных сталей ниже точки Ас\ является рекристаллиза­ ция феррита. Но, кроме нее, может идти сфероидизация цементи­ та. Время, необходимое для полной рекристаллизации, не превы­ шает 60 мин, а если требуется перевести цементит в зернистую форму, время выдержки доходит до нескольких часов (зернистая

.108

форма цементита наиболее благоприятна для последующего хо­ лодного деформирования).

Оптимальный режим отжига можно выбрать по графикам тем­ пературной зависимости свойств (см.рис. 52 и 53). Так, для восста­ новления пластичности меди можно рекомендовать часовой отжиг при 500—700°С (см. рис. 53). Верхняя температурная граница от­ жига выбрана ниже температуры перегрева (~800°С), а нижняя—

с некоторым превышением tp (~ 400°С), так как при определенной «геометрической» степени деформации изделия отдельные его участки деформированы неравномерно. В участках с меньшей сте­ пенью деформации рекристаллизация заканчивается при более вы­ соких температурах.

При выборе режима отжига можно использовать диаграммы рекристаллизации (типа рис. 46), избегая получения очень круп­ ного зерна и разнозернистости. При этом следует хорошо пред­ ставлять себе те ограничения, которые связаны с использованием диаграмм рекристаллизации.

Только по механическим свойствам не всегда можно судить о качестве отожженного материала. Другим показателем в отдель­ ных случаях служит размер рекристаллизованного зерна. Так, на­ пример, крупнозернистость является причиной появления апельси­ новой корки — характерной шероховатости на поверхности изде­ лий после глубокой вытяжки, растяжки и т. п.

В крупнозернистом материале неоднородность пластической де­ формации разных зерен и внутри одного зерна выражена особенно сильно. Так, в пределах одного крупнозернистого алюминиевого образца относительное удлинение разных зерен может различать­ ся в 10 раз. Неоднородность деформации крупных зерен на сво­ бодной поверхности изделия и проявляется в виде апельсиновой корки. При мелком зерне такой шероховатости не видно.

Разнозернистость обусловливает при глубокой вытяжке сильно неоднородную деформацию и может привести к разрывам.

В листах и лентах однофазных медных сплавов, предназначен­ ных для глубокой штамповки, размер зерна не должен превышать 0,05 мм. Для контроля размера зерна а-латуней и бронз в завод­ ских условиях пользуются эталонами структур.

Кроме требований к уровню свойств и размеру зерна, при вы­ боре режима отжига в ряде случаев следует учитывать требование к допустимой степени анизотропии свойств, связанной с текстурой рекристаллизации (см. о фестонистости в § 14).

Скорость нагрева до температуры отжига чаще всего не имеет значения. Но в отдельных случаях необходим ускоренный нагрев. Так, при медленном нагреве до температуры отжига холоднодеформированных полуфабрикатов из алюминиевого сплава марки АМц вырастают очень крупные зерна, обусловливающие шерохо­ ватость поверхности после правки и снижающие относительное уд­ линение. Крупные зерна вырастают из-за того, что в случае мед­ ленного нагрева первичная рекристаллизация начинается при сра­ внительно низких температурах и идет из малого числа центров.

109