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

го, наклеп в этом случае способен даже ускорить зонное старение из-за повышения концентрации подвижных вакансий в результате разрушения дислокациями вакансионных скоплений, успевших об­ разоваться при замедленном закалочном охлаждении. Кроме того, в этих условиях ускорение зонного старения может быть также ре­ зультатом генерирования вакансий порогами скользящих дислока­ ций. В таких случаях НТМО, включающую зонное старение, мож­ но использовать для дополнительного упрочнения сплава.

Несравненно больший интерес представляет НТМО, включаю­ щая фазовое старение. Дислокации облегчают зарождение выделе­ ний фаз. Поэтому в наклепанном сплаве с повышенной плотностью дислокаций фазовое старение протекает быстрее, а плотность вы­ делений и. соответственно упрочнение оказываются более высоки­ ми, чем при старении ненаклепанного сплава. Чем больше степень холодной деформации, тем выше плотность дислокаций и соответ­ ственно выше плотность выделений и упрочнение при фазовом ста­ рении (см. рис. 220).

Эффективность применения НТМО определяется тем, какая фа- за-упрочнитель выделяется при старении. Так, например, дополни­ тельное упрочнение от введения деформации перед искусственным старением у сплавов А1—Си—Mg (упрочнитель — фаза S') боль­ ше, чем у сплавов А1—Си (упрочнитель—фаза 0').

При нагреве под старение после холодной деформации рекри­ сталлизация, как правило, не протекает, а развиваются процессы отдыха и полигонизации, несколько уменьшающие упрочнение от НТМО. Следует иметь в виду взаимное влияние этих процессов и распада раствора: выделения тормозят полигонизацию, а полигонизация, если она успела пройти, изменяет плотность и характер распределения выделений.

Холодный наклеп не только ускоряет распад раствора и увели­ чивает плотность выделений. Он может вызвать появление фазы, которая без наклепа при том же режиме старения не выделяется, и даже способен изменить последовательность появления фаз при старении.

Например, в ненаклепанном сплаве А1—4% Си во время старе­ ния при 150°С 0 '-фаза рентгенографически обнаруживается через 15 дней, а 0-фаза (СиА12|) вообще не появляется. После холодной прокатки с обжатием 90% во время старения при той же темпера­ туре сначала (через 5 мин) обнаруживается 0-фаза, а поздп?е (через 30 мин) 0'-фаза. Появление метастабильной фазы после вы­ деления стабильной противоречит обычной последовательности образования фаз при распаде твердого раствора (см. § 21, 42) и вызвано следующим. После холодной деформации с большим об­ жатием по всему объему кристаллов твердого раствора решетка искажена столь сильно, что лолукогерентные выделения 0'-фазь: зарождаться не могут. Вместе с тем в сильно искаженных участ­ ках облегчено зарождение некогерентных выделений 0-фазы. Через некоторое время отдых и полигонизация, протекающие при темпе­ ратуре старения, делают решетку в отдельных участках кристалли­

380

Повышенную прочность можно получить, применяя обычную хо­ лодную деформацию после старения ( без НТМО). По сравнению с такой обработкой НТМО обеспечивает при равной прочности бо­ лее высокую пластичность, меньшие остаточные напряжения и тер­ мически более стабильную структуру.

В настоящее время НТМО широко применяют в технологии производства полуфабрикатов и изделий из стареющих медных, алюминиевых и аустенитных сплавов.

В результате холодной прокатки перед старением бериллиевой бронзы Бр.Б2 предел текучести дополнительно возрастает примерно на 20%. Электрод­ ные медные сплавы типа хромоциркоииевых бронз частично сохраняют упрочне­ ние от НТМО и при повышенных температурах, при которых работают электро­ ды для контактной сварки. Степень холодной деформации стареющих медных сплавов при НТМО составляет 10—80%.

При НТМО пружинных аустенитных сплавов типа 36НХТЮ с обжатием

шими деформациями. Так, например, НТМО листов и труб из сплава АД31 по схеме закалка -> естественное старение продолжительностью не менее 2-ч -«-холодная деформация на 60—90% -«-старение при 200°С позволяет повысить предел прочности на 25—30% по сравнению с пределом прочности после обыч­ ной термообработки (закалка+старение).

Целью НТ1МО может быть не только упрочнение. Алюминиевые сплавы типа А1Мг6 рекомендуется деформировать вхолодную на 30—40% с последую­ щим старением при 220°'С в течение нескольких часов. В первые 20 мин нагрева после деформации проходит полигонизация, а затем равномерное выделение |3- фазы (AhMg2) по субграницам. Такая структура обеспечивает повышенную стойкость против коррозии под напряжением.

Полуфабрикаты из стареющих алюминиевых сплавов (профили, панели, трубы, листы) после закалки обязательно правят растяже­ нием или прогладкой. Степень деформации при правке невелика — обычно не более 3%. Но даже небольшая холодная деформация со степенью 1—3% может сильно увеличить упрочнение при последу­ ющем искусственном старении. Например, предел текучести дуралюмина Д 16, состаренного при 190°С, в результате применения пе­

ние обычно не называют термомеханической обработкой, но факти­ чески он является типичной НТМО.

Благодаря простоте технологии и эффективности процесса чис­ ло стареющих сплавов на разных основах и номенклатура изделий, подвергаемых НТМО, будут расширяться. Но, назначая НТМО, всегда следует учитывать и возможные отрицательные последст­ вия— снижение пластичности, характерное для большинства спла­ вов, уменьшение сопротивления ползучести некоторых алюминие­ вых сплавов, анизотропию свойств и др.

2. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

При ВТМО проводят горячую деформацию, закалку с деформа­ ционного нагрева и старение (рис. 219).

При горячей деформации повышается плотность дислокаций и возникает горячий наклеп, который в процессе самой деформации

38

может частично или полностью сниматься в результате развития

динамической полигонизации и динамической рекристаллизации.

Кривая напряжение — деформация имеет участок подъема на­ пряжения течения, соответствующий стадии горячего наклепа, и участок спада напряжения, обусловленного развитием сначала по­ лигонизации, а затем рекристаллизации.

При динамической полигонизации, как и при обычной статиче­ ской, наблюдающейся при нагреве после холодной деформации, формирование и миграция малоугловых границ контролируются пе­ реползанием дислокаций. Отличие от статической полигонизации состоит в том, что в процессе горячей деформации под действием приложенных напряжений дислокации все время «нагоняются» в тело субзерен. Аналогично отличие динамической рекристаллиза­ ции от статической. Во время горячей деформации непрерывно че­ редуются процессы упрочнения (повышения плотности дислокаций) и разупрочнения (уменьшения плотности дислокаций при полиго­ низации и рекристаллизации).

В зависимости от природы сплава, температуры, скорости, сте­ пени и схемы деформации сплав в момент окончания горячей де­ формации может находиться в наклепанном состоянии, иметь полигонизованную, рекристаллизованную или смешанную структуру (частично полигонизованную, частично рекристаллизованную)1.

Полностью рекристаллизованная структура с минимальной плотностью дислокаций соответствует наиболее стабильному со­ стоянию. Если к моменту окончания горячей деформации структура не рекристаллизована или рекристаллизована неполностью, то име­ ется стимул к статической рекристаллизации. По окончании дефор­ мирования с большими обжатиями можно наблюдать очень быст­ рую рекристаллизацию без инкубационного периода, так как заро­ дыши рекристаллизованных зерен образовались еще в процессе го­ рячей деформации.

Назначение ВТМО состоит в том, чтобы после горячей деформа­ ции и закалки получить пересыщенный твердый раствор с нерекри-

сталлизованной структурой, т. е. с повышенной плотностью несовер­ шенств (границ субзерен, свободных дислокаций). В результате старения сплава с такой структурой возникают повышенные меха­ нические свойства. В большинстве случаев оптимальной является полигонизованная матрица закаленного сплава.

При проведении ВТМО должны выполняться минимум три услсъ вия: 1) получение к концу горячей деформации нерекристаллизованной структуры; 2) предотвращение возможной рекристаллиза­ ции после окончания горячей деформации; 3) достижение необхо­ димой для старения степени пересыщенности твердого раствора.

Если первые два условия не выполнены и закаленный сплав полностью рекристаллизован, то мы имеем дело не с ВТМО, а с за­ калкой, проведенной с температуры деформационного нагрева. Та-

1 Представление о том, что для горячей обработки давлением характерно обязательное прохождение рекристаллизации в период деформации, противоре­ чит экспериментам и является устаревшим.

383

кое совмещение операций горячей деформации и нагрева под за­ калку экономически выгодно, но оно не приводит к улучшению свойств по сравнению с обычной термообработкой, включающей специальный нагрев под закалку.

Получению полигонизованной структуры к моменту окончания горячей деформации способствуют повышение температуры и сни­ жение скорости деформирования, уменьшение степени деформации, приближение схемы деформации к схеме всестороннего сжатия (как при прессовании).

Применение ВТМО ограничивают следующие факторы.

Сплав может отличаться столь узким интервалом температур нагрева под закалку, что поддерживать температуру горячей обра­ ботки давлением в таких узких пределах практически невозможно (например, в пределах ± 5°С для дуралюмина Д16).

Оптимальный температурный интервал горячей деформации мо­ жет находиться значительно ниже интервала температур нагрева под закалку. Например, при прессовании алюминиевых сплавов скорость деформирования без появления поверхностных трещин тем ниже, чем выше температура. Если требуется значительно по­ высить температуру горячей деформации до температур нагрева под закалку, то приходится снижать скорость деформирования, и производительность оборудования падает.

В сплаве с нерекристаллизованной структурой распад переох­ лажденного раствора может идти значительно быстрее, чем в рекристаллизованном сплаве (см. рис. 116). Если такой сплав обла­ дает невысокой прокаливаемостью, то в условиях ВТМО она ока­ зывается еще ниже и может не обеспечить сквозную закалку.

При высокой склонности сплава к рекристаллизации трудна создать к моменту окончания деформации нерекристаллизованную структуру и сохранить ее в период между окончанием деформиро­

вания и достижением при охлаждении температуры /р-

ВТМО используют для повышения прочностных свойств сплава по сравнению со свойствами того же сплава с рекристаллизованной структурой. Прочность при ВТМО растет в результате общего по­ вышения плотности несовершенств уже в закаленном состоянии и более равномерного распада пересыщенного раствора по телу зерен при старении (упрочняющая фаза выделяется по границам субзе­ рен и на одиночных дислокациях внутри них).

Более равномерный распад раствора и характерная для многих сплавов измельченность зерен и искривленность их границ (рис. 222) обусловливают высокий уровень пластичности после ВТМО. В отличие от НТМО, заметно снижающей пластичность, дополнительное упрочнение от ВТМО достигается при практически неизменном уровне пластичности. У алюминиевых сплавов ВТМО может даже повысить пластичность и ударную вязкость.

Упрочнение от ВТМО сохраняется до более высоких температур, чем после НТМО. Повышенная жаропрочность сплавов после ВТМО связана с зубчатостью границ зерен, затрудняющей межзе-

384

(толщиной до 12 мм) охлаждение на воздухе обеспечивает сквоз­ ную прокаливаемость. При большей толщине профилей из сплавов АД31 и 1915 их охлаждают водой прямо на прессе.

ВТМО стареющих сплавов в промышленности применяют зна­ чительно реже, чем НТМО, из-за указанных выше технологических ограничений и меньшего эффекта упрочнения.

Для освоения в производстве рекомендован процесс, включаю­ щий комбинацию ВТМО и НТМО,— так называемая высоко-низко­ температурная термомеханическая обработка (ВНТМО). При ВНТМО вначале .проводят закалку с деформационного натрева, затем холодную деформацию и старение (рис. 219). После ВНТМО прочность получается выше, а пластичность ниже, чем после ВТМО.

3. Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО)

Сущность ПТМО заключается в том, что полуфабрикат, полу­ ченный после горячей деформации в нерекристаллизованном со­ стоянии, сохраняет нерекристаллизованную структуру и при нагре­ ве под закалку. ПТМО отличается от ВТМО тем, что операции го­ рячей деформации и нагрева под закалку разделены (рис. 219).

ПТМО широко применяют в технологии производства полуфаб­ рикатов из алюминиевых сплавов. Давно было известно, что прес­ сованные полуфабрикаты из сплавов типа дуралюмин, авиаль и др. отличаются значительно более высокой прочностью, чем катаные и кованые. Это явление было названо пресс-эффектом. Разница в прочности обусловлена тем, что прессованные полуфабрикаты пос­ ле закалки имели нерекристаллизованную структуру, а катаные и кованые—рекристаллизованную. Позже оказалось, что горячека­ таные листы и штамповки из ряда сплавов после закалки также на­ ходятся в нерекристаллизованном состоянии и характеризуются по­ вышенной прочностью.

Вместо терминов пресс-эффект, прокат-эффект и т. п. В. И. Добаткин предложил обобщающий термин структурное упрочнение, под которым понимается повышение прочности термически обрабо­ танных полуфабрикатов, обусловленное сохранением после закал­ ки нерекристаллизованной структуры. Свойства сплава в состоянии структурного упрочнения обычно сравнивают со свойствами того же сплава в рекристаллизованном состоянии. Прирост пределов прочности и текучести вследствие сохранения нерекристаллизован­ ной структуры у стареющих алюминиевых сплавов составляет от 10 до 40%- Этот прирост проявляется уже в свежезакаленном со­ стоянии из-за повышенной плотности несовершенств (дислокаций, связанных в субграницы, и одиночных дислокаций). Старениенерекристаллизованного сплава дает большее упрочнение, увеличивая разницу в свойствах рекристаллизованного и нерекристаллизованного полуфабриката. Пластичность же выше у сплавов в рекристаллизованном состоянии. Поэтому полуфабрикаты выпускают с рекристаллизованной структурой и повышенной пластичностью, а также и с полигонизованной структурой и повышенной прочностью.

386

Например, у дуралюминовых прутков Д1Р ств^ 38 кгс/м'м2 и 6^44% , а у прутков ДШ П* ств^ 4 3 кгс/м'м2 и 6^10% .

Получению нерекристаллизованной структуры во время горячей деформации при ПТМО, как и при ВТМО, способствуют повыше­ ние температуры и уменьшение скорости деформирования, сниже­ ние степени деформации и приближение схемы деформаций к схе­ ме всестороннего сжатия. В алюминиевых сплавах, как уже отме­ чалось, интенсивно развивается полигонизация, создающая ста­ бильную сетку субграниц, и поэтому в них легко получить нерекристаллизованную структуру, особенно при прессовании.

Добавки марганца, циркония и других антирекристаллизаторов, образующих дисперсные алюминиды (А1бМп, AUZr и др.), повыша­ ют температуру начала рекристаллизации и способствуют получе­ нию нерекристаллизованной структуры при горячей деформации. Особенно важно, что эти добавки, содержащиеся во многих алюми­ ниевых сплавах, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры при последующем нагреве под закалку.

Структурное упрочнение алюминиевых сплавов (ПТМО) давно и широко используется в крупнотоннажном массовом производстве полуфабрикатов и является примером эффективного промышленно­ го применения термомеханической обработки.

§ 52. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ, ЗАКАЛИВАЕМЫХ НА МАРТЕНСИТ

Процессы ТМО сталей начали интенсивно изучать с середины 50-х годов в связи с изысканием новых путей повышения конструк­ тивной прочности.

I. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в обла­ сти его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температу­ ры начала рекристаллизации и затем превращается в мартенсит (рис. 223). После этого проводят низкий отпуск (на рис. 223 не показан).

Сильное упрочнение в результате пластической деформации пе­ реохлажденного аустенита с последующей закалкой е температу­ ры деформирования было открыто американскими исследователя­ ми Лидсом и Ван Цайленом в 1954 г. Этот процесс, названный аусформингом, позволил повысить предел прочности конструкци­ онных легированных сталей до 280—330 кгс/мм2 при б=5-4-7%. Показатели пластичности и ударной вязкости получались не ниже, а в некоторых случаях даже выше, чем после обычной термообра­ ботки, обеспечивающей ав=11804-220 кгс/мм3. Понятно, что полу­ чение «сверхпрочности» сталей методом аусформинга вызвало гро­ мадный ннтерес.

* Р и ПП ■— это юстированные обозначения прутков с рекристаллизованной структурой и повышенной прочностью соответственно.

387

Причина упрочнения стали при НТМО — наследование мартен­ ситом дислокационной структуры деформированного аустенита.

Холодной деформацией нельзя сильно упрочнить сталь с мартен­ ситной структурой, так как мартенсит, содержащий углерод, хрупок и не поддается большим обжатиям. Аустенит же при температурах ниже

температуры начала рекристаллизации можно деформировать с большими обжатиями. При такой деформации в аустените сильно возрастает общая плотность дислокаций, образуются плотные сплетения дислокаций и ячеистая структура.

При мартенситном превращении соседи любого атома в аусте­ ните остаются соседями этого же атома в мартенсите. Поэтому ди­ слокации при у ->- a-превращении по мартенситному механизму не исчезают, а «передаются» от исходной фазы к новой, т. е. мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита. Очень высо­ кая плотность дислокаций в мартенсите, закрепленных атомами уг­ лерода и карбидными выделениями, обусловливает получение ре­ кордных значений прочности после НТМО.

Измельченностью кристаллов мартенсита объясняется приемле­ мый уровень показателей пластичности стали, находящейся в высо­ копрочном состоянии.

НТМО практически применима только к легированным сталям, обладающим значительной устойчивостью переохлажденного аусте­ нита.

Для получения рекордных значений предела прочности (до 330 кгс/мм2) легированные стали можно подвергать НТМО по схе­

388

ме аустенитизация с нагревом выше Лс3 -»■ переохлаждение аусте­

температуры деформации, температуры отпуска, содержания угле­ рода и других факторов. С увеличением степени деформации упроч­ нение от НТМО непрерывно возрастает.

Влияние температуры прокатки при НТМО на свойства хромоникельмолибденовой стали показано на рис. 224. Рост прочностных свойств стали при по­ нижении температуры деформирования обусловлен усилением наклепа аустени­ та. Снижение прочностных свойств в результате прокатки при 400°С вызвано бейнитным превращением во время деформации. Так как немартенситные про­ дукты превращения, образующиеся при НТМО, снижают прочность, то процесс следует вести таким образом, чтобы они не появлялись. Необходимо учитывать, что обычная С-диаграмма не может дать точных количественных данных для установления температурно-временного режима деформирования при НТМО, так как под действием деформации распад аустенита ускоряется. Инкубацион­ ный период при деформировании переохлажденного аустенита может умень­ шиться в несколько раз.

Оптимальные механические свойства после НТМО конструкционных сталей получаются при низкотемпературном отпуске (100—1200°С). С повышением тем­ пературы отпуска упрочнение от НТМО постепенно теряется.

Наиболее высокие свойства в результате НТМО достигаются на сталях с 0,4—0,5% С. При большем содержании углерода из-за охрупчивания значитель­ но снижаются относительное удлинение и предел прочности.

Внедрение НТМО в производство существенно затрудняется не­ обходимостью использования мощного оборудования для обработ­ ки давлением, так как для получения высокой прочности сталь должна подвергаться большим обжатиям (не менее 50%) при та­ ких температурах, при которых сопротивление деформированию очень высокое.

Другой существенный недостаток НТМО — невысокая сопротив­ ляемость хрупкому разрушению сильно упрочненной стали. При по­ вышении плотности дислокаций в мартенсите, вызывающем силь­ ное упрочнение, сопротивление распространению трещины (важ­ нейшая характеристика конструкционного материала) при НТМО не изменяется или даже снижается.

Учитывая необходимость использования мощного специализиро­ ванного оборудования для деформирования стали и недостаточную для современных конструкций сопротивляемость хрупкому разру­ шению, вряд ли можно рассчитывать на широкое использование НТМО в промышленности.

2. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

При ВТМО аустенит деформируют в области его термодинами­ ческой стабильности и затем проводят закалку на мартенсит (рис. 223). После закалки проводят низкий отпуск.

фект. Главная же цель ВТМО — повышение механических свойств стали.

389