Добавил:
okley
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс) / 178_Физическое материаловедение_6 том
.pdf
81
тику) средний размер включений увеличивается, т.е. коагуляция
оксидной пленки происходит с участием жидкой фазы.
Схему получения изделий или заготовок из порошкового Be
можно представить следующим рядом технологических операций:
получение магниетермического слитка
→ рафинировочная плавка
для снижения содержания примесей
→ дробление слитка на прессе
на частицы размерами в 10
−20 мм либо стружкование слитка на
фрезерных станках
→ истирание (помол) этих частиц или стружки в
порошок крупностью 30
−200 мкм → сортировка (классификация)
частиц
→ компактирование методом вакуумного горячего прессо-
вания (ГП) при 1100
−1200 °С (основной метод), либо путем горя-
чего изостатического прессования (ГИП). В настоящее время
ГИП
− самая передовая технология порошковой металлургии, ко-
торая находит широкое практическое применение. Также в некото-
рых случаях используется непосредственная штамповка порошков
(ШП), засыпанных в технологические стальные оболочки. Полу-
ченные компактные заготовки являются почти изотропными по
механическим свойствам.
Из полученных по одному из указанных выше способов ком-
пактных заготовок путем механической обработки можно вырезать
готовые изделия. Компактные заготовки можно также подвергать
обработке давлением (выдавливание, осадка, ковка, прокатка,
штамповка и т.п.) с целью получения прутков, листов, фольг и дру-
гой продукции. Обработка давлением проводится при температу-
рах 800–1100
°С. Для предотвращения окисления при этих темпе-
ратурах заготовки помещаются в стальные чехлы. После обработки
давлением бериллий обладает сильной текстурой и, соответствен-
но, высокой анизотропией механических свойств.
Рассмотрим подробнее процессы, происходящие в бериллии при
остывании от температуры компактирования. Как было отмечено
выше, в изотропном бериллии при комнатной температуре каждое
зерно сжато вдоль гексагональной оси и растянуто в азимутальных
направлениях. Величина сжимающих напряжений определяется
глубиной прохождения релаксационных процессов при остывании.
С практической точки зрения важно выделить те механизмы релак-
сации, которыми можно управлять, варьируя параметрами техно-
логии. Очевидно, что диффузионные и диффузионно-дислокацион-
82
ные механизмы идут с заметной скоростью при повышенных тем-
пературах, т.е. когда сами микронапряжения невелики. Поэтому их
вклад не является определяющим. Что касается дислокационного
скольжения в сочетании с поворотными (дисклинационными) мо-
дами деформации, то теоретически эти процессы возможны в лю-
бом диапазоне температур. Более того, поскольку микронапряже-
ния являются движущей силой этих процессов, то по мере сниже-
ния температуры их роль возрастает.
Одним из возможных путей реализации поворотных мод де-
формации является пpоскальзывание по границам зерен, которое
наблюдается при комнатной температуре в высокочистом бериллии
литейного происхождения. Очевидно, что зеpногpаничные вклю-
чения оксида, всегда присутствующие в структуре порошкового
бериллия, препятствуют осуществлению межзеpенного пpо-
скальзывания, обусловливая тем самым более высокий уровень
микронапряжений в порошковом металле по сравнению с литей-
ным бериллием. Также очевидно, что количество и степень дис-
персности зеpногpаничных включений оксида должны оказывать
существенное влияние на фиксируемую при комнатной температу-
ре величину микронапряжений и, соответственно, предел прочно-
сти. Именно дисклинационные моды деформации в некоторой мере
восполняют дефицит систем скольжения в бериллии и обеспечи-
вают существование заметной трехмерной пластичности у изо-
тропного металла.
23.3.3. Влияние легирования на структуру
и механические свойства бериллия
При легировании металлов удается значительно изменить и
улучшить их свойства, что является главной задачей легирования.
Одной из предполагаемых задач легирования Be является улучше-
ние его механических свойств, прежде всего, пластичности и вяз-
кости разрушения.
Повышение пластичности Be в принципе воз-
можно изменением
характера межатомной связи, т.е. увеличени-
ем отношения
с/а кристаллической решетки до значений, близких к
1,59, соответствующих наиболее пластичным ГПУ металлам;
нейтрализацией вредного действия примесей внедрения; устране-
83
нием частиц второй фазы; измельчением зерна. Но заметное изме-
нение параметров решетки возможно при растворимости легирую-
щего элемента в бериллии не менее 8 ат. % (1 атом на элементар-
ную ячейку), но нет элементов с такой растворимостью в бериллии
при комнатной температуре. Таким образом, возможности метода
легирования для изменения характера межатомной связи весьма
проблематичны из-за низкой растворимости большинства химиче-
ских элементов в бериллии.
Оценки показывают, что увеличение
с/а легированием раство-
римыми в бериллии элементами может снизить температуру акти-
вации пирамидального скольжения и, следовательно, увеличить
число систем скольжения и, в конечном итоге, пластичность. Экс-
перименты показали, что легирование Be медью и никелем дей-
ствительно способствует пирамидальному скольжению при 20 °С,
но это не привело к заметному увеличению пластичности. Легиро-
вание бериллия малыми количествами (0,3
−0,5 %) Ti, Zr, Ce, Nb,
Mo, Ca, Pt, Y, т.е. элементами, образующими бериллиды и имею-
щими весьма ограниченную растворимость, приводит, наоборот, к
увеличению температуры хрупко-вязкого перехода
Т
хр
. Некоторое
увеличение пластичности, достигаемое при легировании бериллия
Al, Ag и Sn вследствие образования пластичных фаз сопровождает-
ся снижением его модуля нормальной упругости, удельной плотно-
сти и жаропрочности.
Примеси в Be могут находиться в состоянии пересыщенного
твердого раствора и частиц второй фазы внутри зерна и по грани-
цам зерен и субзерен. Именно примеси способствуют хрупкому
сколу, усилению двойникования и множественного скольжения,
что в конечном итоге способствует росту
Т
хр
. Есть мнение, что глу-
бокое рафинирование
и снижение размера зерна одновременно
позволяют повысить пластичность и прочность (вследствие упроч-
нения границ зерен), что следует из анализа формул (23.3) и (23.4).
Кратковременная прочность увеличивается по мере снижения чи-
стоты бериллия. Например, предел текучести магниетермического
Be (чистота 99 %) выше предела текучести дистиллированного ме-
талла (чистота 99,8 %). Легирование Be медью и никелем позволяет
увеличить
σ
в
и σ
т
.
Вязкость разрушения (
K
IC
) бериллия непосредственно связана с
его сопротивлением распространению трещины. При затруднении
84
пластической деформации и ее неспособности эффективно тормо-
зить трещину, имеются принципиальные возможности влиять на
вязкость разрушения путем создания специальных гетерогенных
структур типа эвтектик. Например, ударная вязкость таких эвтек-
тических композиционных материалов на основе сплава Ве
−Al
выше, чем у бериллия.
С ростом температуры влияние примесей и легирующих эле-
ментов на механические свойства изменяется вследствие смены
состояния примесей и добавок в бериллии. В зависимости от тер-
мической обработки Be может находиться в гомогенизированном
(метастабильном) состоянии, а также быть частично или полно-
стью состаренным. Кроме того, с ростом температуры изменяется
механизм деформации от
дислокационного скольжения при темпе-
ратурах ниже 400 °С до диффузионного
переползания дислокаций с
порогами и
диффузионной ползучести при температуре выше
600 °С.
Температурные зависимости таких механических характеристик
бериллия, как предел прочности
σ
в
, предел текучести σ
т
и удлине-
ние до разрушения
ε
р
, представлены на рис. 23.20, а соответствую-
щие характеристики исследованных образцов
− в табл. 23.17.
Рис. 23.20. Температурные зависимости пределов текучести σ
т
(а), прочности
σ
в
(б) и удлинения до разрушения ε
р
(в) поликристаллического Be (обозначения
кривых см. в табл. 23.17)
85
Таблица 23.17
Характеристики исследованных образцов бериллия
Номер
кривой
на рис.
23.20
Способ получения
образцов
Текстура
Чистота
образцов, %
Параметры
термообра-
ботки
Размер
зерна,
мкм
Условия
механиче-
ских испы-
таний
1
Прокатка
слитков
Базисная
99,6
830 °С, 1,5 ч
∼200
Поперек НП
2
То же
То же
99,6
830 °С, 1,5 ч
∼200
Вдоль НП,
v = 0,2
мм/мин
3
Программиро-
ванное деформиро-
вание слитков
"
99,9
800 °С,
20 мин
13
Вдоль НП,
v = 0,2
мм/мин
4
Выдавливание
слитков
"
99,6
(0,22 % Zr)
750 °С, 24 ч
40−50
Вдоль НП
5
Горячее
прессование
Слабая
базисная
95
(4,5 % BeO)
Рекристалли-
зационный
отжиг
6,5
То же
6
Горячее
прессование (элек-
тролитичес-
кий Ве)
То же
97
(2,3 % BeO)
То же
9,6
"
7
Горячее
прессование
(дистиллиро-
ванный Ве)
Квази-
изотроп-
ная
99,4
(0,3 % BeO)
850 °С, 14 ч
20
"
8
Горячее
прессование (маг-
ниетермический
Ве)
То же
98,5
(0,5 % BeO)
850 °С, 14 ч
20
"
9
Выдавливание и
осаждение
слитока
Слабая
99,8
750 °С,
10 мин
31
v = 0,2
мм/мин
10
Трехкратное вы-
давливание и
осаждение
слитока
То же
99,8
750 °С,
10 мин
3−5
То же
11
Горячее
прессование
Квази-
изотроп-
ная
99,2
1100 °С,
15 мин,
v
охл
=
= 100 °С/мин
60
"
12
То же
То же
99,2
То же +
+ 750 °С, 40 ч
60
"
13
"
"
99,2
То же +
+ 700 °С, 100 ч
60
"
14
Прокатка
слитков
Базисная
99,92
800 °С,
10 мин
42
"
Примечание: НП − направление прокатки.
86
Анализ температурных зависимостей позволяет отметить ряд
особенностей. У горячепрессованного Be (кривые
7 и 8 на
рис. 23.20) в интервале 400
−600 °С наблюдается заметное увеличе-
ние всех трех механических характеристик, обусловленное диспер-
сионным упрочнением вследствие относительно высокого (по
сравнению с образцами
1 и 14) содержания примесных элементов.
У более чистого Be предел прочности в этом интервале темпера-
тур изменяется плавно. Уменьшение
σ
в
при низких температурах
(рис. 23.20,
б, кривая 4) связано, по-видимому, с очень низкой пла-
стичностью и преждевременным разрушением вследствие недоста-
точного сопротивления зарождению и росту трещин. Легирование
бериллия элементами, входящими в твердый раствор (Сu, Ni) или
образующими бериллиды и другие частицы второй фазы (Fe, Nb,
W, С, О и др.), приводит к повышению прочности при высоких
температурах. Учитывая это, на практике используют оксид берил-
лия для повышения жаропрочности бериллия. Повышение прочно-
сти и пластичности в интервале температур до 500° С наблюдали
при измельчении размера зерна (рис. 23.20,
в, кривые 9 и 10). Ана-
лиз показывает, что относительное удлинение резко возрастает при
некоторой температуре, зависящей от структуры и концентрации
примесей (рис. 23.20,
в, кривые 3, 5−7).
Наличие на границах зерен легкоплавких эвтектик (в частности,
Be
−Al или Be−Al−Si), а также дисперсионное упрочнение матрицы
заметно снижают запас пластичности в области температур выше
400 °С. Связывание Al и Si в соединения путем комплексного (до-
полнительного) легирования (например, железом), глубокое старе-
ние для упрочнения границ зерен и рафинирования матрицы,
очистка Be от нежелательных примесей позволяют устранить или
ослабить красноломкость бериллия. Легирование Be цирконием
(рис. 23.20,
в, кривая 4), титаном, иттрием и другими химически
активными элементами с большим сродством к примесям внедре-
ния способствует повышению пластичности при температурах вы-
ше 200
−300 °С. Эффект достигается, по-видимому, вследствие хи-
мического взаимодействия вводимых элементов с примесными
элементами.
Как видно из табл. 23.17 и рис. 23.20,
в, относительное удлине-
ние Ве высокой чистоты (кривая
3) монотонно увеличивается с ро-
стом температуры, достигая 100 % при 800
°С.
87
Таким образом, можно констатировать, что примеси и легирую-
щие элементы существенно изменяют прочностные и пластические
характеристики Ве при высоких температурах. Повысить пластич-
ность Ве при температурах выше 300
°С можно рафинированием,
легированием и термической обработкой. Эффективность метода
термической обработки существенно зависит от содержания в Ве
железа и алюминия. Повышение пластичности сопровождается
снижением упругости и жаропрочности.
Важной особенностью бериллия является то, что образующиеся
в процессе термообработок простые и сложные интерметаллиды
имеют меньший коэффициент термического расширения, чем у
бериллия. Следовательно, механизм влияния зернограничных
включений интерметаллидов аналогичен таковому для включений
оксида. Разница заключается в том, что состоянием интерметалли-
дов можно управлять путем соответствующих термообработок, в
то время как структура зернограничных включений оксида закла-
дывается на стадии компактирования порошка и не изменяется в
процессе термообработки.
23.3.4. Технологические методы повышения
пластичности бериллия
Приведенные выше фактические данные по механическим свой-
ствам Ве и его сплавов свидетельствуют о существенной зависимо-
сти их от вида
предварительной обработки металла, технологии
его получения. Поэтому рассмотрим некоторые технологические
приемы, позволяющие в некоторых пределах управлять механиче-
скими свойствами, в первую очередь, пластичностью бериллия в
рамках рассмотренной выше порошковой технологии, которая яв-
ляется основным технологическим процессом получения компакт-
ного бериллия.
1. Установлено, что применение
металлокерамического Be яв-
ляется предпочтительнее литого металла. Определенные резервы
повышения пластичности Be связаны с
технологическими операци-
ями
получения порошков, позволяющими регулировать чистоту
(степень загрязнения), размер и форму частичек металла. Для по-
лучения порошков применяют методы механического измельчения
крупки или стружки бериллия в дисковых истирателях с бериллие-
88
выми дисками (Росссия и Казахстан), либо в ударно центробежных
мельницах, где бериллиевая стружка разгоняется потоком инертно-
го газа и ударяется о бериллиевую мишень (США и КНР). Суще-
ствуют и более экзотические способы получения порошков, кото-
рые не нашли практического применения. К ним можно отнести
распыление расплава струей аргона, испарение и конденсацию рас-
плава в инертной атмосфере или в вакууме, электролитическое
осаждение, плазменная сфероидизация бериллиевых чешуек и не-
которые другие. Схему получения изделий или заготовок из по-
рошкового Be можно представить следующим рядом технологиче-
ских операций: получение слитка
→ переплав для снижения уровня
примесей
→ дробление слитка на частицы размерами в 10−20 мм
→ истирание (помол) этих частиц до 10−20 мкм → сортировка
(классификация) частиц
→ компактирование. Прочность горяче-
прессованного Be возрастает с уменьшением среднего размера ча-
стиц порошка, однако оптимальной величиной считают размер
около 7
−10 мкм, обеспечивающий максимальное относительное
удлинение. Дальнейшее измельчение порошка с последующим го-
рячим или изостатическим прессованием не улучшает пластично-
сти, что связано с загрязнением порошка по мере его измельчения.
2.
Глубокое рафинирование методом зонной плавки за восемь
проходов позволяет получать бериллий с высокой пластичностью
(
δ = 140 %) даже в литом состоянии; Ве с размером зерна 3−7 мкм
и чистотой 99,99 %, полученный путем тройной вакуумной ди-
стилляции и последующей семикратной зонной очистки, имел от-
носительное удлинение
δ = 400 %. Таким образом, глубокая очист-
ка и рафинирование позволяют получать пластичный и даже
сверхпластичный бериллий. Однако эти технологии весьма дороги,
малопроизводительны и лишены практической целесообразности.
3. На стадии получение порошка важное значение имеет и сре-
да, в которой осуществляется диспергирование (измельчение) ме-
талла, и связанное с ней загрязнение порошков. Например, прессу-
емость порошка и свойства металлокерамического Be зависят от
содержания ВеО, Si, Fe, Ni, Cr. Так, пленка ВеО затрудняет спека-
ние. Из зависимости свойств Be от содержания примесей, пред-
ставленной в табл. 23.18, видно, что минимальный предел текуче-
сти и максимальное относительное удлинение имеют чистые по
89
примесям образцы. Изменяя содержание ВеО, размер частиц ВеО,
количество и соотношение металлических примесей из числа Fe, Al
и Si, можно оказать существенное воздействие на высокотемпера-
турные характеристики, повысить жаропрочность бериллия. Жаро-
прочность Be повышается также при нанесении на порошинки
хрома (около 0,3 % по массе) вследствие образования интерметал-
лида СrВе
12
, который в процессе прессования препятствует росту
зерна.
Таблица 23.18
Свойства и состав порошкового бериллия
Сорт бериллия
Содержание примесей, % Свойства при 20 °С
ВеО С
ΣМе*
σ
в
, МПа σ
0,2
, МПа δ, %
Магниетермический
(грязный)
4,57
0,152 0,34 550 390 3,2
Магниетермический
(чистый)
2,29
0,111 0,21 580 380 4,1
Электролитический и
зонно-рафинированный
2,14 0,042 0,056 540 280 6,0
* ΣМе − суммарное количество металлических примесей.
4. Процессы предварительного уплотнения порошков путем
вибрации, холодного прессования, изостатической подпрессовки,
воздействием взрыва и другими методами способствуют лучшему
компактированию бериллия при последующем горячем или теплом
изостатическом прессовании. Лучшие результаты получены при
применении предварительного виброуплотнения с последующим
горячим обычным (Т = 1000÷1100 °С, р = 50÷700 МПа, τ = 14÷20 ч)
или изостатическим (Т = 700÷950 °С, р = 70÷100 МПа, τ ≈ 2 ч)
прессованием. Однако следует иметь в виду, что вибрация может
приводить к расслоению порошка по гранулометрическому составу
и, соответственно к неоднородности свойств по объему конечной
заготовки. Компактность металла в целом увеличивается по мере
роста давления и температуры прессования. Путем горячего прес-
сования получают Be с δ ≤ 4 %, а при изостатическом прессовании
с твердофазной средой δ ≥ 4,5 %. С ростом температуры испытаний
механические характеристики существенно изменяются. Как видно
на рис. 23.21, предел прочности горячепрессованного Be монотон-
90
но снижается, а относительное удли-
нение сначала увеличивается (до тем-
пературы 400 °С), а затем снижается
вследствие усиления явления красно-
ломкости при температуре около
600 °С.
Рис. 23.21. Зависимость механических свойств
горячепрессованного Be от температуры:
а
−
предел прочности; б − относительное
удлинение в зависимости от температуры;
цифры над кривыми − доля образцов, значения
свойств которых равны или превышают зна-
чения, характеризуемые этой кривой
5. Механические свойства прессованного Be значительно улуч-
шаются при последующей обработке давлением: прокатке, ковке,
выдавливании, раскатке и другом деформировании. Обычно эти
операции проводят при нагреве (400−1000 °С) с обязательной
очехловкой бериллия стальными или никелевыми оболочками для
его равномерного деформирования, смазки и защиты от окисления.
В результате получают листы, фольги, трубы, проволоку и другой
прокат.
Механические свойства листов сложным образом зависят от
структуры и состава исходного металла, условий прокатки и отжи-
га, размера зерна и текстуры. Например, из данных рис. 23.22 вид-
но, что относительное удлинение листового Be существенно зави-
сит от размера зерна и возрастает по мере измельчения зерна в ши-
роком интервале температур испытания. В отличие от прессован-
ного листовой Be менее чувствителен к красноломкости (сравните
данные рис. 23.22 и 23.21, б). Пластичность листового Be сложным
образом зависит от степени обжатия, проходя через максимум при
обжатии 6−10 % вследствие изменения характера текстуры таким
образом, что активируется базисное скольжение. Из анализа зави-
симости относительного удлинения при растяжении Be от обжатия
при прокатке, показанной на рис. 23.23 видно, что экстремальная
Соседние файлы в папке Курсовой проект 5 кафедра (спецы 4 курс)