3.Влияние термомеханической обработки на свойства металлов и сплавов

Применение ВТМО при изготовлении полуфабрикатов и деталей из алюминиевых сплавов ограничивается в основном двумя способами сочетания операций горячей обработки давлением и термической обработки: прессованием профилей с закалкой на прессе и горячей объемной штамповкой с закалкой из штампа. В обоих случаях формообразующую и термическую операции выполняют с одного нагрева. Оба способа ВТМО существенно отличаются друг от друга по требованиям, предъявляемым к обрабатываемым материалам и по специфике протекания технологических процессов.

Прессование с закалкой на прессе. В промышленности все более широкое применение находят прессованные полуфабрикаты из алюминиевых сплавов различных форм сечений.

Наиболее рациональным путем увеличение выпуска прессованных полуфабрикатов является повышение производительности действующих прессовых цехов, то есть увеличение скорости прессования и сокращения технологического цикла и изготовление этих полуфабрикатов.

Чтобы обеспечить при скоростном прессовании требуемые механические свойства и качество поверхности полуфабриката, необходимо выполнить определенные условия. Например, высокотемпературную гомогенизацию слитков, неиспользуемых для прессования, и соответствующий термический режим обработки. Чтобы обеспечить высокую скорость прессования и хорошее качество поверхности изделий, заготовки после нагрева и выдержки в печи при температуре, соответствующей температуре нормальной закалке, должны подстуживаться до температуры прессования.

При нагреве заготовки до температуры прессования и прессование с такой скоростью, при которой бы материал заготовки в матрице достигал закалочной температуры; охлаждение водой сразу же после прессования профиля позволяет получать более высокие механические свойства по сравнению с охлаждением на воздухе. Однако охлаждение водой приводит к короблению и ухудшает качество поверхности полуфабриката. Поэтому для сплавов и сечений, прокаливающихся на воздухе, последний способ охлаждения предпочтительнее. Тем более что он целесообразнее и с технологической точки зрения.

По результатам механический испытаний искусственно состаренных профилей установлено, что их прочностные свойства зависят от температуры прессования и режима гомогенизации. Высоких прочностных характеристик достигают при условии прессования гомогенизированного слитка при высокой температуре (500*С).

Влияние гомогенизации слитков на свойства профилей связано с изменением структурного состояния сплава. При благоприятных режимах гомогенизации (нагрев при 520*С в течении 8-10 ч. Или при 540*С в течении 4-6ч. Или 560*С в течении 2-3ч.) происходят примерно одни и те же изменения в структуре слитка: грубые включения интерметаллического соединения , расположенные по границам зерен, частично растворяются, а оставшиеся – коагулируют. Во время охлаждения гомогенизированного слитка на воздухе дисперсные частицы выделяются по телу зерен. При последующем нагреве таких слитков перед прессованием дисперсные частицы растворяются, что увеличивает эффект термической обработки. В случае сравнительно непродолжительного нагрева перед прессованием негомогенизированных слитков грубые выделения не успевают перейти в раствор. Из-за низкой легированности матрицы сплава, профили, изготовленные из негомогенизированного слитка, меньше упрочняются при последующем старении и имеют вследствие этого пониженный предел прочности.

Нагрев при 580*С в течении 6-8ч вызывает появление в структуре грубых выделений в виде сплошной сетки по границам зерен, что может привести к оплавлению эвтектики. Этим, вероятно, объясняется снижение прочности профилей, прессованных из гомогенизированных слитков при указанной температуре. Установлено, что скорость истечения при прессовании, составляющая 30-60 м/мин, не оказывает влияния на механические свойства профилей.

После прессования при 500*С и искусственного или естественного старения профили имеют практически такие же механические свойства, что и состаренные профили, которые для закалки нагревали в печи.

Высокие механические свойства профилей при закалке воздухом на прессе обусловлены низкой критической скоростью закалки сплава, что позволяет при таком способе охлаждения после прессования при температуре 500-520*С получить такой же эффект, что и при обычной закалке из селитровой ванны.

С повышением температуры нагрева заготовок под прессование до 500 и 520*С механические свойства профилей достигают больших значений. Это подтверждается рентгеноструктурным анализом, из которого следует, что концентрация твердых растворов сплавов, закаленных воздухом на прессе и из селитровой ванны, одинакова в случае прессования при температурах 500-520*С.

Повышение механических свойств профилей, закаленным воздухом на прессе, по сравнению со свойствами профилей, закаленных из селитровой ванны, можно объяснить более мелкозернистой структурой первых. Такая структура не зависит от температур прессования и гомогенизации. Различие структур обусловлено ростом зерен при нагреве прессованных профилей для закалки в случае обычной технологии изготовления полуфабрикатов.

Интересно, что нагрев перед закалкой при 520*С не изменяет макроструктуры профилей, отпрессованных при 500*С, но вызывает значительный рост зерна в профилях, отпрессованных при 450-350*С. Это говорит о повышенной стабильности структуры профилей после прессования при 500*С.

Горячая объемная штамповка закалкой из штампа. Рассмотрим данные о влиянии ВТМО на свойства алюминиевых сплавов различных систем, условия выбора основных параметров технологического процесса и особенности физических процессов, сопровождающих этот вид обработки.

Для сплава АВ (0,4% Mg; 1,2% Si; 0,3% Mn) данной системы ВТМО повышает прочностные характеристики, пластичность и вязкость сплава. Худшие свойства у сплава после деформации на 70% по сравнению с деформацией на 50%, что связано, судя по данным металлографического анализа, с начала рекристаллизации (после деформации на 50% ее признаки не обнаруживаются). В результате ВТМО, включающей деформацию осадкой на фрикционном прессе при 510-525*С. После деформации заготовки охлаждали в воде при 18-25*С, а затем старили по стандартному режиму. Время после выдачи заготовок из печи до их переноса в охлаждающую среду составляло 15-25с в зависимости от степени деформации (50 и 70%, большую степень деформации выполняли за два рабочих хода пресса). ВТМО подвергли десять серийных партий деталей различной конфигурации. При этом после закалки использовали ступенчатый режим старения: при 170-180*С в течении 2ч и при 150-155*С в течении 4ч. Этот режим рекомендуется использовать при ВТМО деталей из сплава АВ. Применение ВТМО в производственных условиях подтвердило целесообразность ее использования.

Опытная штамповка партии деталей типа фланца с бобышкой из сплава АВ (0,54% Mg; 0,85% Si; 0,3% Cu; 0,28% Mn) подтвердило, что ВТМО существенно улучшает механические свойства по сравнению со свойствами после обработки по серийной технологии. При этом после ВТМО наилучших прочностных свойств достигают в течении 4-8ч старения.

При штамповке и закалке с одного нагрева обрабатывают каждую кузнечную заготовку: подача от печи к прессу, штамповка и охлаждение в закалочной ванне. При обычной (раздельной) обработке все детали партии собирают в одну термосадку для одновременного нагрева и охлаждения. При комбинированной обработке может изменяться продолжительность различных операций (переноса заготовок к прессу, пребывание изделий в штампе, переноса в закалочную ванну) и температура штампа. Эти изменения сказываются на величине подстуживания перед окончательным охлаждением в закалочной ванне. Все это в той или иной степени может влиять на свойства штампованных заготовок, сказаться на стабильности свойств в пределах одной партии (кузнечные садки) деталей, и поэтому связывается с предположением о возможной нестабильности свойств после ВТМО. Последнее тормозит внедрение этого вида обработки в производство, и очень важно установить влияние различных отклонений при ВТМО, которые могут возникнуть в производственных условиях, на механические свойства изделий.

Для определения стабильности свойств после ВТМО особый интерес представляет исследование штампованных деталей, изготовленных с большими нарушениями в режиме ВТМО. Так, одну из деталей из сплава В93 штамповали за два хода пресса, в то время как другие детали штамповали за один ход пресса. Тонкостенная деталь из сплава АК6 после окончания штамповки оставалась в сомкнутых штампах в течение 4 минут (вместо 40-80сек) перед охлаждением в воде. Однако это незначительно ухудшило механические свойства сплава АК6. Температура детали после извлечения ее из штампа составляла 425*С. Деталь имела сравнительно высокую температуру, несмотря на продолжительную ее задержку в штампе за счет высокой температуры подогрева штампов (до 400*С).

При штамповке детали большой массы из сплава В93 в окончательном штампе за два хода пресса прочностные характеристики увеличиваются, а пластичность снижается по сравнению с характеристиками детали при штамповке за один ход пресса. Возрастание прочностных характеристик и снижение пластичности можно объяснить интенсификацией горячего наклепа из-за низкой температуры деформации при втором ходе пресса.

Значительнее разница свойств при испытании сплавов на статическую выносливость. Так, образцы из сплава АК6, вырезанные из тонкостенной детали, выдерживали в среднем 6945 циклов до разрушения по сравнению с 9842 цикла, которые выдерживали образцы из штампованных деталей, изготовленных ВТМО без отклонения от режима. Однако несмотря на некоторые уменьшения предела статической выносливости, он все же больше предела выносливости серийных штампованных деталей (6380 циклов).

Статическая выносливость детали большой массы из сплава В93 при ВТМО с деформацией за два хода пресса снизилась по сравнению с выносливостью серийных штампованных деталей, хотя осталась достаточно высокой.

Испытаниями на межкристаллитную коррозию установлено, что большая задержка в штампе тонкостенного изделия из сплава АК6 не вызывает заметного ухудшения стойкости против коррозии по сравнению со стойкостью изделия из этого же сплава после ВТМО после небольшой задержки его в штампе.

Результаты исследования позволяют сделать вывод о том, что при изготовлении из сплавов В93 и АК6 мало и крупногабаритных деталей возможно применение ВТМО в обычных условиях без осуществления особых мер по повышению стабильности технологического процесса (например, механизации вспомогательных операций). При использовании ВТМО в указанных условиях рассеивания характеристик механических свойств деталей в пределах кузнечной садки не превосходит рассеивания, характерно для серийной технологии рассеивания характеристик механических свойств после ВТМО также, как и после серийной обработки, определяется в основном влиянием случайных факторов: неоднородностью материала исходных заготовок, погрешностями при определении механических свойств, влияние последних на величину дисперсии механических характеристик больше возможного направленного влияния вида технологии на дисперсию, в связи с чем его нельзя обнаружить.

В производственных условиях можно допускать большие отклонения от режима ВТМО, при этом отклонения значений механических характеристик не выходят за пределы обычных, обусловленных действием случайных факторов. Отклонения от режима ВТМО не должны приводить к снижению температуры заготовок и сплава В93 к моменту штамповки ниже 420-440*С, температуру изделия к моменту ее погружения в воду ниже 350-355*С, температуру изделий из сплава АК6 ниже 420*С.

Стабильность механических свойств штампованных заготовок после ВТМО связано с определенными особенностями этого вида обработки: с увеличением стабильности структурного состояния и расширением интервала до критических деформаций при повышении температуры деформирования. Таким образом, в условиях совмещенной обработки, при которой деформирование выполняется при наиболее высокой температуре, сплав приобретает структурное состояние, характеризующееся повышенной стабильностью свойств.

Наиболее значительное увеличение механических свойств достигается в результате ВТМО с относительно невысокими степенями обжатия (25-40%). Дальнейшее увеличение степени деформации уже не дает интенсивного роста прочности, а изменение пластических характеристик достигает стадии «насыщения» уже при 40-50%. По-видимому, эти последние значения степени деформации и являются предельно целесообразными в случае ВТМО.

Дробность деформирования при ВТМО может в ряде случаев оказаться целесообразной для получения высоких, а главное стабильных механических свойств, однако в основном это применимо для средне- и высоколегированных сталей. Учитывая, что большим преимуществом ВТМО является возможность получения высоких механических свойств на низколегированных сталях, следует иметь в виду трудности практического осуществления дробного деформирования в связи с возможным интенсивным протеканием рекристаллизации между проходами.

При проведении ВТМО в условиях прокатки на непрерывных станах деформирование всегда является дробным.

Что касается скорости деформирования, то, учитывая высказанные ранее соображения о незначительном влиянии частично протекающих начальных стадий рекристаллизационных процессов на получаемые свойства, следует признать, что не только при НТМО, но и при ВТМО целесообразно снижение скорости деформирования.

При замедлении процесса высокотемпературного деформирования (или при его дробности) имеются лучшие условия для переползания дислокаций (уже в ходе деформации) и создания фрагментированной структуры. Но эти соображения приводят к выводу, что в зависимости от температуры деформирования должна существовать оптимальная его скорость, дающая наиболее развитую субструктуру и лучшие свойства.

В общем случае после ВТМО достигается большая устойчивость сталей против разупрочнения при отпуске, чем после обычной закалки, что связано с устойчивостью дислокационной конфигурации и, в частности, фрагментированной структуры. Устойчивость против разупрочнения при отпуске после ВТМО связана и с меньшей тетрагональностью мартенсита из-за «конденсации» углерода на устойчивых дислокационных границах и большей дисперсностью карбидов, блокирующих субструктуру.

Характерно, что при меньшей деформации (75% вместо 90) при более низкой температуре (750 вместо 900*С) можно получить лучшее сочетание механических свойств; это согласуется с изложенными выше положениями о влиянии температуры и степени деформации.

После отпуска при исследовании низких температур у стали, подвергнутой ВТМО, сохраняется более высокая пластичность, чем у стали, прошедшей обычную закалку.

Данные о том, что после отпуска при 500-550*С ударная вязкость, ударная выносливость, а также хрупкая прочность и пластичность при глубоком охлаждении значительно больше в стали, подвергнутой ВТМО, по сравнению с обычно закаленной, свидетельствуют о сохранении структурных особенностей, вносимых ВТМО, до высоких температур отпуска (500-550*С).

Влияние углерода на прочность при ВТМО подобно его влиянию при обычной термической обработке: значения прочности тем больше, чем выше содержание этого элемента. Что касается пластичности, то хотя и наблюдается известная тенденция ее к падению с ростом содержания углерода, однако в случае ВТМО эта тенденция проявляется в меньшей степени. В связи с опасностью преждевременного хрупкого разрушения при высоком содержании углерода, зависимость прочности от его содержания в стали имеет, как известно, экстремальный характер. Оптимальное содержание углерода стали, подвергаемой обычной термической обработке, отвечает обычно примерно 0,4%, а для стали, подвергаемой НТМО, оно составляет примерно 0,5%. При выплавке стали в вакууме и из особо чистых шихтовых материалов это предельное содержание повышается, так как увеличивается запас пластичности.

Преимуществом ВТМО, обеспечивающей получение высоких значений пластичности, является смещение этого максимального значения содержания углерода к примерно 0,6%, когда в условиях возросшего сопротивления отрыву удается с большей полнотой реализовать высокую прочность мартенсита с повышенным содержанием углерода.

Использование ТМО для повышения свойств различных сталей. Преимущество НТМО заключается в достижении более высоких прочностных свойств и преимущество ВТМО – в достижении более высокой пластичности. Однако достаточно объективно сравнить полученные после ВТМО и НТМО свойства невозможно, так как различна методика испытаний и велик разброс получаемых значений, а главное исследования проводились на различных (несопоставимых) марках стали и при сильно различающихся степенях обжатия. Объектом НТМО являются в основном средне- и высоколегированные стали, подвергающиеся обжатию на 70-90%, а объектом ВТМО – углеродистые и низколегированный (в некоторых случаях – среднелегированные), деформация которых в большинстве случаев составляет 25-60%.

Термомеханическая обработка приводит к повышению механических свойств не только при статическом, но и при знакопеременном нагружении: существенно возрастают усталостные характеристики, особенно циклическая прочность в зоне перегрузок (при ограниченной выносливости). В результате ВТМО значительно (в 1,5 – 3 раза) повышается ударная выносливость стали (чего не наблюдается после НТМО). В результате ВТМО ( в отличие от НТМО) практически устраняется развитие обратимой отпускной хрупкости в опасном интервале температур отпуска, ослабляется необратимая отпускная хрупкость и резко повышается ударная вязкость при комнатной и низких температурах. После ВТМО сильно снижается температурный порог хладноломкости, причем переход к хрупкому разрушению в случае стали, подвергнутой ВТМО, сопровождается не межзеренным разрушением, а разрушением по телу зерна с сохранением такого характера излома до температур глубокого охлаждения (до -196*С).

ВТМО обусловливает повышение хрупкой прочности стали, а также уменьшение чувствительности к образованию трещин при термической обработке.

НТМО не приводит к заметному подавлению отпускной хрупкости стали, а ВТМО позволяет резко ослабить проявление хрупкости в опасном интервале температур отпуска. Поэтому значительный интерес представляет предложенная в нашей стране следующая комбинированная схема: ВТМО (для подавления охрупчивания стали) и НТМО (для резкого повышения прочности). Осуществление этой комбинированной обработки на стали 37ХН3А привело к существенному увеличению ударной вязкости в интервале развития обратимой хрупкости по сравнению с ее значениями после НТМО (более чем в три раза). Что касается свойств прочности и пластичности, то они, по крайней мере, равны свойствам, полученным после НТМО с той же степенью обжатия.

Сопоставляя НТМО и ВТМО (используя обычно в качестве критерия получаемые механические свойства), отмечают ряд их преимуществ и недостатков.

Низкотемпературная термомеханическая обработка, во-первых, обеспечивает получение более высоких свойств прочности и предела выносливости, чем ВТМО и, во-вторых в связи с отсутствием опасности рекристаллизации создает возможность применения разнообразных методов пластического деформирования, в том числе с малой скоростью (обычно наиболее желательной для создания оптимальной структуры), но в пределах устойчивости переохлажденного аустенита.

Однако эта обработка:

• не снижает склонности стали к отпускной хрупкости;

• связана с необходимостью подстуживания, что усложняет технологическую схему и требует использования дополнительного термического оборудования;

• требует применения более высоких (по сравнению с ВТМО) степеней обжатия (75-95%), причем в условиях повышенного сопротивления аустенита пластической деформации при температурах промежуточной области; это обусловливает необходимость создания и применения новых мощных деформирующих устройств;

• пригодна лишь для средне- и высоколегированных сталей с высокой устойчивостью аустенита, причем, необходимо учитывать, что деформирование аустенита резко уменьшает его устойчивость в бейнитной области.

Недостатки ВТМО следующие:

• процессы типа рекристаллизационных, неизбежно происходящие при ВТМО, снижают эффект упрочнения;

• в связи с возможной интенсивной рекристаллизацией за счет внутреннего тепла ВТМО применима лишь для изделий определенной толщины.

В то же время ВТМО имеет и ряд преимуществ:

• устраняет отпускную хрупкость;

• одновременно с упрочнением определяет существенное (и большее, чем после НТМО) повышение свойств пластичности; вернее, в связи с увеличением пластичности удается реализовать высокую прочность закаленной стали после низкого отпуска;

• не требует специального термического и, главное, деформирующего оборудования, так как обработка может быть осуществлена в процессе нормального технологического цикла горячего деформирования (прокатка, штамповка и т. п.), тем более, что применяемые обжатия невелики, а сопротивление деформации аустенита при температурах выше критической точки невысокое; это, однако, не означает, что можно использовать обычные существующие в цехах режимы деформации, например, горячей прокатки; необходимо корректирование температуры нагрева и темпов прокатки (последнее – для возможности осуществления последующего немедленного закалочного охлаждения);

• определяет повышение механических свойств углеродистых, низко- и среднелегированных сталей.

ВТМО – более технологичная схема обработки, чем НТМО, и ее можно без больших трудностей использовать для получения лучшего сочетания высоких значений прочности и пластичности широко применяемых машиностроительных сталей.

Однако следует подчеркнуть неправомерность такого, имеющего характер противопоставления сравнения этих двух обработок, в основе которых лежат, вероятно, несколько различные механизмы упрочнения. Так, после НТМО получают более высокую плотность дислокаций и более напряженные их конфигурации, чем после ВТМО. Последняя обусловливает меньшую, чем после НТМО, плотность дислокаций (но большую, чем после обычной закалки), причем в результате рекомбинации при высокой температуре образуются и иные, более устойчивые дислокационные построения. Поэтому ту или иную схему термомеханической обработки (а число их вариантов определяется, в частности, многообразием возможных превращений) следует выбирать в зависимости от природы и назначения сплава.

Естественно, эффективность упрочняющей обработки следует оценивать по комплексу механических свойств. Когда в современной технике говорят о повышении прочности, то под этим понимают в широком смысле повышение сопротивления деформации и разрушению в различных напряженных состояниях, в том числе и таком, которое может вызвать образование хрупкой трещины, преждевременного разрушения и др. Само собой разумеется, что необходимым условием обеспечения прочности является определенный запас пластичности и вязкости; характеристики пластичности и вязкости представляют как бы составные элементы прочности при действительно физической трактовке этого термина. Очевидно, что понятие прочности никогда не может исчерпываться только такими характеристиками, как предел прочности или предел текучести. Поэтому представляется необходимым проводить сравнение эффективности различных упрочняющих обработок не по приросту предела прочности (текучести), а по комплексу механических свойств, в том числе по порогу хладноломкости, хрупкой прочности, работе разрушения и др.

При ПТМО сталь пластически деформируется при низких температурах, после этого осуществляют аустенизацию быстрым нагревом и кратковременной выдержкой, а затем последующую закалку на мартенсит. Дефекты кристаллического строения, внесенные деформацией в α-решетку железа, в какой-то степени наследуются всеми фазами при фазовых переходах α γ и γ М в процессе термической обработки.

В результате такой обработки в мартенсите – в конечной структуре оказывается повышенное количество дефектов кристаллического строения по сравнению с обычной обработкой, что сказывается на свойствах стали.

ПТМО используется и при обработке алюминиевых сплавов, прочностные характеристики которых в закаленном и состаренном состояниях повышают за счет предварительной (до термической обработки) пластической деформации.

Важным является увеличение конструктивной прочности в результате ПТМО. Конструктивную прочность определяли при испытании цилиндров (диаметром 177мм и длиной 500мм) внутренним давлением. Характеристики механических свойств определяли при испытании на одноосное растяжение на образцах, вырезанных из цилиндров.

При увеличении степени предварительной пластической деформации возрастает предел текучести и конструктивная прочность