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

но сказывается на свойствах .изделий, особенно в тех случаях, когда поры завариваются при горячей пластической деформации.

§ 3. ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ СПЛАВОВ ПРИ ГОМОГЕНИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

рячей обработки давлением. Если, например, слитки сплава Д16 предназначены для прессования, то показатели пластичности сле­ дует определять при температуре прессования, равной 400°С (см. рис. 7).

Механические свойства фасонной отливки следует измерять при температуре эксплуатации детали, например комнатной.

По мере растворения хрупких фаз пластичность растет и пос­ ле окончания их растворения перестает изменяться (см. рис. 7). Относительное удлинение и сужение слитков алюминиевых спла­ вов при температурах горячей деформации .возрастает в резуль­ тате гомогенизации в 1,5—3 раза.

время полного растворения неравновесного избытка фаз. Как от­ мечалось в § 2, это время сокращается, согласно формуле (3), с уменьшением толщины частиц избыточной фазы, а также е из­ мельчением дендритной ячейки. Кроме растворения хрупких из­ быточных фаз, полезное влияние оказывает также их коагуляция. Так, во время гомогенизационного отжига жаропрочной стали Х25Н16Г7 при 1150°С проходят частичное растворение и коагу­ ляция избыточных фаз, .вместо сплошных прослоек их по грани­ цам зерен остаются округлые изолированные включения и пластичность .слитка возрастает.

Повышение пластичности слитков легированных сталей, алю­ миниевых и других сплавов уменьшает брак по трещинам при первой операции горячей обработки давлением, позволяет увели­ чить степень деформации, особенно на первых обжатиях, повы­ сить скорость деформирования, улучшает состояние кромки (уменьшает рванины горячекатаных полос).

Для фасонных изделий значение гомогенизации особенно ве­ лико, так как их структура не измельчается при пластической деформации.

Гомогенизационный отжиг не может полностью устранить влияние исходной литой структуры: чем меньше размер дендрит­ ной ячейки в литом сплаве, тем выше уровень показателей пластичности слитка в гомогенизированном состоянии.

30

2. Деформированные сплавы

Хотя при горячей обработке давлением и происходит коренное изменение строения сплава, но оно все же недостаточно, чтобы полностью устранить влияние литой структуры на его техноло­ гичность при последующей холодной обработке давлением. «На­ следственность» литой структуры с неустраненной дендритной ликвацией проявляется в снижении пластичности холоднодеформированного сплава. Объясняется это тем, что при горячей обра­ ботке давлением, несмотря на сильное измельчение и «перемеши­ вание» структуры, полностью не устраняется микронеоднород­ ность сплава, вызванная дендритной ликвацией. Гомогенизация слитка, повышая пластичность холоднодеформированного сплава, улучшает состояние кромки холоднокатаных полос, позволяет со­ кратить промежуточные отжиги и увеличить степень обжатия при холодной прокатке, улучшает штамлуемоеть листов при глубокой

что в технологическом цикле структура сплава испытывает такие

чую прокатку и закалку, сохраняются грубые скопления эвтекти­ ческих карбидов. В этих местах выкрашиваются лезвие инстру­ мента и трущаяся поверхность шарикоподшипника.

Горячая и холодная прокатка с последующим рекристаллизационным отжигом или закалкой, сильно изменяющими структуру, часто не могут устранить разницу между свойствами листов из алюминиевых сплавов, полученных из негомогенизированного и гомогенизированного слитков. Например, достаточно глубокая гомогенизация слитка повышает относительное удлинение отож­ женных листов из сплава авиаль (марки АВ) на одну четверть по сравнению с такими же листами, но полученными из негомогени-

жения прочности является особое поведение марганца при гомо­ генизации слитка. Как уже отмечалось, при температурах поряд­

шинства сталей такое изменение можно не принимать во внимание.

31

лика и пересыщенный марганцем раствор, образовавшийся при кристаллизации, распадается. Выход марганца из раствора при гомогенизации слитка и коагуляция выделившихся частиц марган­ цевого интерметаллида несколько снижают прочность рекристаллизованных листов дуралюмина, прошедших полную термическую обработку (закалку и старение).

Наиболее заметное и практически очень важное влияние гомогенизационный отжиг оказывает на показатели пластичности, ударную вязкость и усталостные характеристики изделий (прес­ сованных полос, профилей, поковок и др.) поперек волокна, так как избыточные хрупкие фазы вытягиваются вдоль направления

главной деформации.

* * *

Гомогенизационный отжиг — довольно длительная операция, требующая нагрева больших масс металла с повышенным расхо­ дом топлива или электроэнергии. Поэтому в каждом конкретном случае устанавливают целесообразность применения помогенизационного отжига.

Гомогенизационный отжиг железных сплавов, требующий большого расхода топлива и сопровождающийся значительными потерями металла на окалину, применяют лишь к высококачест­ венным легированным сталям ответственного назначения (темпе­ ратуру отжига выбирают в интервале 1050—1250°С). Из углеро­ дистых сталей только автоматные подвергают гомогенизанионно­ му отжигу. Автоматные стали содержат повышенное количество серы, улучшающей обрабатываемость резанием (до 0,2—0,3%

.вместо обычных 0,04—0,06%). Сера сильно ликвирует к границам зерен при кристаллизации и вызывает красноломкость при про­ катке. Гомогенизационный отжиг при 1150°С устраняет красно­ ломкость автоматной стали.

Слитки большинства деформируемых алюминиевых сплавов подвергают гомогениз анионному отжигу для улучшения обраба­ тываемости давлением и повышения механических свойств полу­ фабрикатов. Температуру отжига, обычно находящуюся в интер­ вале 450—550°С, выбирают в зависимости от марки сплава и ви­ да полуфабрикатов.

Слитки деформируемых магниевых сплавов гомогенизируют при 390—405°С с той же целью, что и слитки алюминиевых спла­ вов. Часто гомогенизацию совмещают с операцией нагрева слит­ ков перед горячей обработкой давлением, увеличивая время вы­ держки в печи.

К фасонным отливкам из алюминиевых и магниевых сплавов гомогенизационный отжиг как самостоятельную операцию не при­ меняют. Гомогенизация органически входит в операцию нагрева под закалку фасонных отливок. Этот нагрев проводят при таких высоких температурах и длительных выдержках, чтобы в твердый раствор перешло максимально возможное в производственных ус­ ловиях количество избыточных фаз.

32

К слиткам и фасонным отливкам из медных, никелевых, тита­ новых и цинковых сплавов гомогенизационный отжиг как само­ стоятельную операцию в промышленности или совсем не .приме­ няют, или применяют крайне редко, так как он не дает большого эффекта. Исключением являются слитки и ответственные фасон­ ные отливки из некоторых оловянных бронз, которые для повы­ шения пластичности подвергают гомогенизации при 650—700°С, чтобы рассосался неравновесный избыток хрупкого эвтектоцда a+ C u 3iSn8.

§ 4. ГОМОГЕНИЗАЦИЯ С НАГРЕВОМ ВЫШЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НЕРАВНОВЕСНОГО СОЛИДУСА

В некоторых случаях степень гомогенизации, проводимой при температурах вблизи неравновесного солидуса, но ниже его, мо­ жет оказаться недостаточной. Необходимая полнота гомогениза­ ции при этом или вообще не достигается, или достигается при таких длительных выдержках, которые неприемлемы в производ­

закалочных трещин и мелких пузырей на поверхности листа, кро­

ные закалочные трещины под действием закалочных напряжений. Оплавленные участки имеют эвтектический состав, и при быст­ рой кристаллизации во время закалки по границам зерен образу­ ется прослойка из хрупкого интерметаллида, входящего в состав эвтектики. Если пережог и не вызвал образования .видимых зака­ лочных трещин, то эти хрупкие межкристаллитные прослойки* снижая пластичность листа, могут стать причиной брака.

Хорошо известен также сильный пережог изделий тонкого сечения из стали, меди и медных сплавав при чрезмерно высокой температуре или большой выдержке в окислительной атмосфере. Такой пережог вызван проникновением кислорода по границам зерен насквозь через все сечение изделия и образованием окис­

2 Зак. 638

33

ниже равновесного солидуса. На,пример, твердый раствор на базе алюминия при температуре на рис. 10 ненасытен по отношению к неравновесным включениям расплава. Легирующий элемент из

Процессы гомогенизации при отжиге с нагреванием выше точ­ ки неравновесного солидуса идут гораздо быстрее, чем при обычном отжиге ниже солидуса. Например, у дуралюмииа Д16 температура неравновесного солидуса равна примерно 508°С, а равновесного — около 530°€ (при разных составах в пределах до­ пусков для одной марки сплава значения температуры солидуса могут несколько различаться). Время растворения неравновесно­ го избытка фаз в промышленном слитке диаметром 150 мм при температуре отжита 515°С в 2,5 раза меньше, чем при темпера­ туре 480°С.

Причиной сильного ускорения гомогенизации при отжиге с назреванием до температур выше неравновесного солидуса явля­ ется не присутствие жидкой фазы, а увеличение коэффициентов диффузии легирующих элементов с повышением температуры. Ве­ дущим звеном процесса растворения фаз ниже и выше неравно­ весного солидуса является диффузионный отвод атомов легирую­ щих элементов от межфазной границы в центральную зону дендритной ячейки. Сам по себе переход через точку солидуса не является критическим по отношению к процессу гомогенизации, но повышение температуры отжига даже на 20—30°С может резко увеличить коэффициенты диффузии, например в два раза, по сравнению с условиями обычного отжига [не следует забывать,

34

дуса значительно сокращает продолжительность отжига, обеспе­ чивающего необходимую технологическую пластичность при обра­ ботке давлением. Для некоторых сплавов возможно повышение технологической пластичности (по сравнению с пластичностью после обычной гомогенизации) и соответственно повышение об­ жатий и скорости обработки давлением, например скорости прес­ сования. Кроме того, повышаются показатели пластичности де­ формированных полуфабрикатов, особенно поперек волокна. Прочностные свойства деформированных полуфабрикатов из алю­

ская кристаллизация неравновесных включений расплава приводит к выделению из него водорода, образующего газовые поры. Могут ли полностью завариваться эти поры при горячей деформации слитка и каково их влияние на эксплуатаионные свойства изде­ лий — еще точно не установлено. Поэтому гомогенизационный от­ жиг с нагреванием выше температуры неравновесного солидуса, называемый в технологии алюминиевых сплавов «высокотемпера­ турной» гомогенизацией, следует использовать только после тща­ тельного опробования, исключив возможные нежелательные его последствия. Применять высокотемпературную гомогенизацию к изделиям особо ответственного назначения не рекомендуется.

Высокотемпературная гомогенизация дает хорошие результаты для сплавов, а которых неравновесная легкоплавкая составляющая полностью растворяется

переходят в алюминиевый твердый раствор при нагревании слитков и исчезают еще до того, как они оплавятся при температуре неравновесного солидуса сплава. Поэтому, например, слитки из магналия АМпб рекомендуется подвергать высокотемпературной гомогенизации при 490— 510QC (точка неравновесного со­ лидуса 460*0). При таком отжиге, кроме растворения неравновесной (3-фазы во время нагрева слитка, при высокотемпературной выдержке происходит другой важный процесс — коагуляция разветвленных и до конца нерастворимых частиц MgjSi, приобретающих более желательную компактную форму за сравнительно короткий период времени.

дущих к разрушению металла, здесь не рассматриваются, так как эти дефекты при последующем отжиге практически не устраняются.

36

меры кристаллитов. Основное изменение формы кристаллитов со­ стоит в том, что они вытягиваются в направлении главной де­ формации растяжения (например, в направлении прокатки или волочения). Кроме того, могут также уширяться зерна в соот­ ветствии со схемой главных деформаций.

С повышением степени холодной деформации, например сте­ пени обжатия при прокатке, зерна все более вытягиваются и структура приобретает волокнистый характер.

Изменение формы и размеров кристаллитов хорошо выявля­ ется при травлении поверхности изделия, на макрошлифе или же под микроскопом.

2. Текстура деформации

При пластической деформации кристаллические решетки зерен

деформации. Возникновение текстуры является одним из важней­ ших следствий кристаллографической направленности скольже- «ия в каждом зерне по определенным плоскостям и направлениям пространственной решетки, так как эти направления закономерно поворачиваются по отношению к осям деформации изделия. На­ пример, при растяжении монокристалла направление скольжения приближается к оси растяжения.

Характер текстуры деформации зависит от вида и условий обработки давлением (в основном от схемы главных деформаций) и от природы металла (типа кристаллической решетки и энергии дефектов упаковки). В табл. 2 приведены текстуры холодного во­ лочения и холодной прокатки, наиболее характерные для каждого типа кристаллической решетки.

Т а б л и ц а 2

Характерные текстуры холодной обработки давлением

В металлах с гранецентрированной кубической решеткой (А1, Си, Ni, Аи, Ag, Pb) параллельно оси проволоки устанавливается направление пространственной диагонали куба -<111> или же в одних зернах устанавливается направление < 1 1 1 > , а в других — направление ребра куба < 1 0 0 > ; в последнем случае волок­ нистая текстура называется двойной.

37

В металлах с объемноцентрированной кубической решеткой (Fe, W, Мо) вдоль оси проволоки ориентируется направление диагонали грани куба < 1 1 0 > .

Текстура прессования через матрицу обычно близка к текстуре волочения. Если текстура волочения характеризуется пространст­ венной ориентировкой определенного кристаллографического нап­ равления, вокруг которого кристалл может быть как угодно повер­ нут, то текстура прокатки характеризуется преимущественной ори­ ентировкой и кристаллографического направления, и кристаллогра­ фической плоскости.

В холоднокатаных металлах с гранецентрированной кубической решеткой чаще всего плоскость.} 110} параллельна плоскости про­

катки, а направление < 112> параллельно направлению прокатки. Условное обозначение такой ориентировки, называемой текстурой типа латуни, ^ 110}< 112 > .

В меди при прокатке с большими обжатиями наблюдается дру­

гая ориентировка кристаллов:} 112 }<111>, называемая текстурой типа меди. Эта текстура возникает в условиях, когда развито попе­ речное скольжение дислокаций. У меди энергия дефектов упаковки выше, чем у латуни, и поэтому поперечное скольжение дислокаций в ней происходит легче, чем в латуни. В алюминии, имеющем зна­

уменьшающим энергию дефектов упаковки (например, при добав­ лении к меди цинка или алюминия), поперечное скольжение зат­ рудняется и текстура типа меди сменяется текстурой типа латуни } 110 } < 1 1 2 > . С повышением температуры прокатки тепловые

флуктуации способствуют перетяжке дефектов упаковки, попереч­ ное скольжение дислокаций облегчается и текстура типа латуни имеет тенденцию сменяться текстурой типа меди.

В холоднокатаных металлах с объемноцентрированной кубичес­ кой решеткой параллельно плоскости прокатки устанавливается плоскость куба } 100 }, а вдоль направления прокатки — направле­ ние диагонали грани куба < 1 1 0 > . В холоднокатаных железе, ма­ лоуглеродистой стали и трансформаторной стали (3% Si) обнару­ жено наложение трех типов ориентировок: } 100 [ < 1 1 0 > ,} 112 [

< 1 Ю > и }1П } < 1 1 2 > . Ориентировка } 1 0 0 } < 1 1 0 > - — ос­ новная, характерная для большей части кристаллитов.

В заключение отметим, что в деформированном металле не все кристаллы имеют идеальную преимущественную ориентировку. Совершенство текстуры возрастает с ростом степени деформации.

3. Изменение внутреннего строения кристаллов

Количество тепла, выделяющегося в металле при пластической деформации, меньше энергии, затраченной на деформирование. До 10—20% идущей на деформирование работы поглощается метал­

38