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

Если в сплаве в равновесных условиях должна образоваться вторая фаза, то в неравновесных условиях ее количество увеличи­ вается. Например, в сплаве Х3 (рис. 5,а) в равновесных условиях относительное весовое количество эвтектики определяется соотно­ шением ао/ае, а в неравновесных условиях so/se (точка s опреде­ ляет средний состав первичных кристаллов при эвтектической тем­ пературе для данной скорости охлаждения).

Положение концентрационной границы появления второй фазы из расплава (точки k) зависит от скорости охлаждения. В равно­ весных условиях эта граница совпадает с точкой предельной раст­ воримости при эвтектической или перитектической температуре (с точкой а на рис. 5). С увеличением скорости охлаждения концент­ рационная граница появления второй фазы сдвигается в сторону основного компонента из-за подавления выравнивающей диффу­ зии в твердом растворе и при полном отсутствии такой диффузии совпадает с ординатой этого компонента на диаграмме состояния.

Эксперименты показали, что в диапазоне скоростей охлажде­ ния при кристаллизации, который реализуется в производствен­ ных условиях, выравнивающая диффузия в твердом растворе сильно подавлена и неравновесная избыточная фаза кристаллизу­ ется при весьма малых концентрациях второго компонента в сплаве (табл. 1).

В литых сплавах типа Х2на рис. S,а количество неравновесной эвтектической жидкости обычно невелико и поэтому эвтетика структурно вырождается в одну фазу: a -фаза из эвтектики отла­ гается на дендритных ячейках (сечениях ветвей дендритов) пер­ вичных a-кристаллов, сливаясь с ними, а по границам дендритных ячеек под микроскопом обнаруживаются только включения второй фазы р эвтектического происхождения.

Распределение легирующего элемента по сечению дендритной ячейки схематично показано на рис. 6 (кривая /). Отрезок pq со­ ответствует сечению дендритной ячейки первичной a -фазы, а кр — сечению включения второй фазы (Р) на границе дендритной ячей­

20

таллизации, возможны и другие. Например, в сплаве Х2 (рис. 5,6)

ка солидуса сплава; в) из расплава кристаллизуются избыточные фазы, которых не должно быть в равновесных условиях, и вместо однофазной образуется двухфазная или многофазная структура; ,г) увеличивается количество второй фазы, если в равновесных ус­ ловиях сплав должен быть гетерофазны.м.

§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПРИ ГОМОГЕНИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

В результате отклонения от равновесия в процессе кристалли­ зации литой сплав имеет следующие основные недостатки:

а. Пластичность сплава обычно снижается, если в результате дендритной ликвации появляется избыточная хрупкая фаза. Осо­ бенно сильно снижается пластичность при образовании по грани­ цам дендритных ячеек сплошных прослоек из грубых частиц хруп­ ких соединений (интерметаллидов, карбидов и др.).

б. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары. Поэтому внутрикристаллитная ликвация твердого раствора снижает стойкость против электрохимической коррозии. Появление неравновесной избыточной фазы в твердом растворе обычно также снижает стойкость против коррозии.

в. При обработке давлением, например прокатке и прессова­

21

нии, микроучастки, имеющие разный химический состав, вытяги­ ваются, и может возникнуть строчечная структура. Такая структу­ ра обусловливает анизотропию свойств в изделии и повышенную склонность к межкристаллитному, а также к шиферному излому. В поперечном направлении может наблюдаться сильное сниже­ ние относительного удлинения, сужения и ударной вязкости.

г. Дендритная ликвация понижает температуру оолидуса сплава, что, как правило, нежелательно. Например, при быстром нагреве под закалку или обработку давлением изделие может частично оплавиться. Оплавляются участки, в которых находится неравновесно образовавшаяся эвтектика, а также межосные пространства в кристаллитах твердого раствора, обогащенные компонентами, снижающими точку оолидуса.

д. Структура и свойства литого сплава нестабильны во време­ ни. В изделии, работающем при повышенных температурах, мо­ жет самопроизвольно постепенно выравниваться состав твердого раствора и рассасываться избыточные фазы. Эти процессы вызы­ вают ускорение ползучести, а также постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы.

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фа­

зационном отжиге протекают два основных процесса: выравни­ вание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворе­ ние неравновесных избыточных фаз (рис. 6). В основе этих про­ цессов лежит диффузия и поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным.

В самом начале выдержки при гомогенизационном отжиге сплавов Х2 или Х3 на границе дендритной ячейки с избыточной р-фазой устанавливается равновесная концентрация а-раствора, соответствующая точке предельной растворимости при темпера­ туре гомогенизации (например, точке г при температуре tr на рис. 5, а). Эта концентрация периферийного слоя а-раствора под­

рость и время полного растворения избыточной фазы. Если услов­

внутри а-раствора приводит к уменьшению его концентрации на

22

границе с (3-фазой до значений ниже точки г на рис. 5, а и 6 и периферийный слой дендритной ячейки становится 'ненасыщен­ ным по отношению к (3-фазе. Поэтому (3-фаза растворяется, под­ нимая концентрацию в периферийном слое а-раствора до равно­ весной и т. д. Постепенно граница а/(3 перемещается в сторону растворяющейся (3-фазы, а состав a-фазы по сечению дендритной ячейки выравнивается (см. пунктирные линии на рис. 6, соответ­ ствующие разным моментам гомогенизации).

Если избыточная (3-фаза должна .полностью раствориться (в соответствии е диаграммой состояния), то после ее исчезнове­ ния через некоторое время завершается и выравнивание кон­ центрации внутри а-раствора (ем. сплав Х2 на рис. 5, а). Если же состав сплава таков, например Х3, что он и в равновесных усло­ виях не должен быть однофазным, то при гомогенизации раст­ воряется только неравновесный избыток второй фазы (или не­ скольких фаз) и после отжига остается некоторое равновесное их количество (рис. 7). Опыты с алюминиевыми сплавами показа-

V,%

Рис. 7. Зависимость объемной доли растворяющихся структурных составляющих (V) и относительного сужения при 400°С ( ф) от времени гомогенизация при 500°С слитка дуралюмина Д16 диаметром

150 мм (И. И. Новиков, В. С. Золоторевский, Т. Н. Чурбакова)

ли, что время полного устранения внутрикристаллитной ликвации ненамного превышает время полного растворения (тр) неравно­ весного избытка фаз. Учитывая, что время тр можно легко опре­ делить, исследуя структуру с помощью светового микроскопа, а для изучения кинетики выравнивания концентрации внутри твер­ дого раствора необходимо использовать более дорогой и сложный микр'Орентгеноснектральный анализ, вполне допустимо в 'боль­ шинстве задач время окончания гомогенизации оценивать по вре­ мени окончания растворения неравновесного избытка фаз.

23

По первому закону Фика количество вещества dm, диффун­ дирующее за .время dx через площадку ds, нормальную к той линии х, вдоль которой происходит диффузия, пропорционально времени dx, площади ds и градиенту концентрации dC/dx\

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и особенно резко от температуры:

(2)

.где R — газовая постоянная; Т — температура;

Q — энергия активации диффузии;

А — константа, практически не зависящая от температуры. Температура входит в показатель степени выражения для

коэффициента диффузии и, следовательно, сравнительно неболь­ шое повышение температуры должно значительно ускорить диф­ фузию. Обычно гомогенизационный отжиг проводят при темпера­ турах выше 0,90—0,95 Тпл (по абсолютной шкале), но ниже точки солидуеа сплава. Иногда температура гомогенизации нахо­ дится в интервале 0,8—0,9 Т„л.

Энергия активации диффузии Q обеспечивает переход атомов из одного положения в решетке в другое. Необходимый для тако­ го перехода избыток энергии приобретается атомом от его сосе­ дей благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кине­ тической энергией. Так как величина энергии активации входит в показатель степени, то она очень сильно влияет на величину ко­ эффициента диффузии.

Энергия активации диффузии элементов, растворенных по спо­ собу внедрения, меньше, чем у элементов, растворенных по спосо­ бу замещения. Поэтому последние диффундируют медленнее. Например, легирующие элементы, растворенные в аустените по способу замещения, обладают значительно меньшей диффузион­ ной подвижностью, чем углерод, растворенный в железе по спо­ собу внедрения. Энергия активации диффузии углерода в аустените среднеуглеродистой стали равна приближенно 31 000 кал/г-атом, а энергия активации диффузии в аустените важней­ ших легирующих элементов обычно превышает 60000 кал/г-атом. Скорость диффузии углерода в аустените на несколько порядков больше скорости диффузии важнейших легирующих элементов.

Некоторые легирующие элементы (Cr, Mo, W и др.) не только сами медленно диффундируют, но и замедляют диффузию угле­ рода в аустените. Например, в стали с 0,4% С энергия активации

24

Слитки из углеродистых сталей обычно не подвергают гомоге-

ные стали для устранения внутрикристаллитной ликвации и

Чрезмерно большие выдержки при гомогенизации обычно нецеле­ сообразны, так как они малоэффективны и приводят к излишнему расходу электроэнергии (топлива) и к неоправданному уменьше­ нию .производительности. Повышение температуры отжига дейст­ вует несравненно эффективнее, чем увеличение времени выдержки.

Время выдержки при гомогенизационном отжиге обычно колеб­ лется в пределах от нескольких до десятков часов (не считая вре­ мени прогрева). Повышая температуру, можно сократить время выдержки при отжиге.

Время полной гомогенизации зависит не только от температу­ ры отжига и .природы сплава, определяющих диффузионную под­ вижность компонентов в твердом растворе. На время гомогениза­ ции сильно влияет исходная микроструктура литого сплава. Ско­ рость гомогенизации зависит от толщины частиц избыточной

где а и b —константы для данного сплава и данной температуры гомогенизационного отжига. Показатель степени в этой формуле для алюминиевых сплавов находится в пределах 1,2—2,5. Естественно, что с уменьшением толщины включений время их растворения сокращается. В диапазоне практически встречаю­ щихся значений т связь тр с т близка к линейной.

С уменьшением размера дендритной ячейки возрастает сред­ ний градиент концентрации по ее сечению (при постоянной раз­ ности концентраций раствори на границе и в центре ячейки) и в соответствии с законом Фика должна ускоряться диффузия. Раз­

25

мер дендритной ячейки влияет на скорость гомогенизации и через толщину избыточной фазы, так как с уменьшением размера ден­ дритной ячейки измельчается и избыточная фаза.

Можно использовать два пути ускорения гомогенизации, регу­ лируя микроструктуру. Первый путь — увеличение скорости кристаллизации сплава. Чем выше скорость кристаллизации, тем меньше размер дендритных ячеек и тоньше частицы избыточных фаз, кристаллизующихся по их границам. Поэтому слитки и фасон­ ные отливки, затвердевавшие при большой скорости охлаждения, быстрее и полнее гомогенизируются, так как они отличаются бо­ лее тонким строением. Например, слитки непрерывного литья малого сечения гомогенизируются быстрее, чем слитки большого сечения; кокильные отливки быстрее гомогенизируются, чем дета­ ли, отлитые в земляные формы.

генизанионного отжига слитков легированной стали увеличивают продолжительность нагрева деформированной заготовки перед последним переделом. Вместо отжига слитков алюминиевых спла­ вов иногда гомогенизируют прессованную заготовку для труб и штамповок. При этом приходится несколько уменьшить скорость прессования слитка, но зато значительно ускоряется гомогенизационный отжиг.

Эффективность применения обработки давлением для ускорения растворе­ ния избыточных фаз определяется характером изменения структуры при пласти­ ческой деформации. Структура разных сплавов по-разному меняется при пласти­ ческой деформации в зависимости от природы избыточной фазы, а также соот­ ношения механических свойств ее и матрицы. Так, например, в алюминиевом сплаве типа В95 при горячей прокатке Г-фаза (Al2Mg3Zn3J сильно измельчает­ ся и вытягивается в тонкие строчки, расстояние между которыми уменьшается с увеличением степени обжатия. Поэтому горячая обработка давлением этого сплава резко ускоряет растворение изб! [точной фазы и тем сильнее, чем больше степень деформации (рис. 8). В сплаве же алюминия с 4,5% Си горячая и хо­

лодная прокатка очень слабо влияет на размер частиц СиА12 и расстояние меж­ ду ними. Поэтому даже большие обжа­ тия слитков этого сплава мало изменя­ ют время растворения частиц соедине­ ния СиА12.

26

перехода через точку полиморфного превращения ом. § 23). Так, при гомогенизационном отжиге легированных сталей, который проводят при высоких температурах, вырастает крупное аустенит­ ное зерно. В слитках это зерно измельчается при последующей обработке давлением, а фасонные отливки из легированной стали

весном состоянии не должен быть однофазным, избыточные фа­ зы, которые не способны полностью раствориться при температу­ ре гомогенизации, могут коагулировать и округляться с увеличе­ нием длительности отжига. Например, в алюминиевых сплавах разветвленные кристаллы силицида Mg2Si, полностью не перехо­ дящего в твердый раствор, при достаточно высоких температурах отжига становятся более компактными. Подобным образом изме­ няется форма некоторых избыточных фаз в легированных сталях.

Г е т е р о г е н и з а ц и я с т р у к т у р ы . Для перевода нерав­ новесного избытка фаз в твердый раствор выбирают такую темпе­

кристаллизации в основном твердом растворе. Тогда при гомоге­ низационном отжиге будут одновременно протекать два процесса: растворение неравновесного избытка фаз в ненасыщенном по от­ ношению к ним твердом растворе, т. е. собственно гомогенизация сплава, и выделение других фаз из пересыщенного по отношению к ним твердого раствора, т. е. гетерогенизация структуры. Такая гетерогенизация играет важную роль при гомогенизационном отжиге многих алюминиевых сплавов.

Большинство алюминиевых сплавов содержит марганец, неко­ торые— цирконий и хром. Эти элементы при быстрой кристалли­ зации слитков непрерывного литья и тонкостенных отливок пол­ ностью или частично входят в твердый раствор на базе алюми­ ния. Эвтектическая или перитектическая температура в соответ­ ствующих двойных системах близка к точке плавления алюминия

27

ры нагрева под закалку, то прессэффект (повышенная прочность нерекрнеталли'зовэнного материала) не проявится. Таким обра­

зом, чтобы обеспечить рассмотренное полезное действие гетерогенизации структуры слитков, следует подобрать режим их отжига, обеспечивающий необходимую дисперсность и плотность выделе­

ний алюминидов переходных металлов.

Гетерогенизация структуры слитка может развиваться не только при изотермической выдержке, но и в период охлаждения

садку охлаждают вместе с печью или выгружают из печи и ох­ лаждают на воздухе. С понижением температуры уменьшается растворимость в алюминии основных легирующих элементов (меди, магния и др.). При очень медленном охлаждении слитков выделяются грубые частицы СиА12, S-фазы и других фаз. При нагреве под обработку давлением эти грубые выделения пол­ ностью не растворяются, вытягиваются в направлении главной деформации и снижают механические свойства, особенно показате­ ли пластичности, в поперечном направлении. Для устранения это­

температуры гамотенизационного отжига на воздухе может прои­ зойти полная или частичная закалка на мартенсит поверхностных

ны, песочины и др.) не удаляются с окалиной и слитки подверга­ ют обдирке, то необходимо после гомогенизационного отжига про­

ют .вторичной в отличие от первичной, образующейся при кристал­

быстро диффундирующие атомы, появляются избыточные вакан­ сии и возникает диффузионная пористость.

Увеличение пористости при обычном гомогенизационном отжи­ ге по абсолютной величине весьма невелико и вряд ли значитель­

29