Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

исключением не влияет на структуру и свойства сплавов.

Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др.).

Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия. В связи с этим выделяют следующие основные группы сплавов1:

1) сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (см.

рис. 4.3, 4.10);

2)сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии (см. рис. 4.4);

3)сплавы с эвтектоидным превращением (см. рис. 4.9).

Любой технологический процесс термической обработки состоит из трех основных этапов: нагрев, изотермическая выдержка и охлаждение. Нагрев, а иногда и весь процесс термической обработки (отжиг) проводят в термических печах.

ДИФФУЗИЯ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ

Диффузия — это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами. Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

Диффузионное движение любого атома — это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой ~ 1013с-1.

Вакансии в тугоплавких металлах и оксидах выше, чем в меди и латуни. Кроме того, молибден нерастворим в меди и латуни.

Диффузия молекул в полимерах отличается от диффузии атомов или ионов, так как, во-первых, молекулы полимеров имеют большие размеры и массу (из-за изгибов и петель соседние молекулы перепутываются, что препятствует их перемещению) и, во-вторых, они обладают малой тепловой энергией (полимеры обычно используют при 100 - 1000 К).

Практическое значение имеет диффузия различных веществ через полимерные пленки или мембраны. Например, диффузионный поток воздуха (молекул азота и кислорода) через стенки резиновой камеры при 20 ° С и разности давлений Ар = 7 кПа может быть равным 1012 молекул/(см2 • с).

Термическую обработку проводят независимо от того, происходят ли в

сплавах фазовые превращения в твердом состоянии или нет. Такую обработку применяют, например, для уменьшения остаточных напряжений в изделиях, рекристаллизации пластически деформированных полуфабрикатов, уменьшения внутрикристаллической ликвации в слитках или отливках. Соответствующие операции термической обработки являются разновидностями отжига: отжиг (нагрев) для уменьшения напряжений, рекристаллизационный отжиг, диффузионный отжиг (гомогенизация). Состояние сплавов после теплового воздействия становится более равновесным.

НАГРЕВ ДЛЯ СНЯТИЯ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ

Многие технологические воздействия на обрабатываемые детали сопровождаются возникновением в них остаточных напряжений, которые уравновешиваются в объеме детали.

Значительные остаточные напряжения возникают в отливках и полуфабрикатах, неравномерно охлаждающихся после проката или ковки, в холоднодеформированных полуфабрикатах или заготовках, в прутках в процессе правки, в сварных соединениях, при закалке и т.п.

Чаще всего эти напряжения нежелательны. Они могут вызвать деформацию деталей при обработке резанием или в процессе эксплуатации, а суммируясь с напряжениями от внешних нагрузок, привести к преждевременному разрушению или короблению конструкции; увеличивая запас упругой энергии (например, сварной конструкции), остаточные напряжения повышают вероятность хрупкого разрушения. Во многих сплавах они вызывают склонность к растрескиванию в присутствии коррозионноактивной среды. Остаточные напряжения могут достигать предела текучести.

Для уменьшения остаточных напряжений изделия нагревают. С повышением температуры предел текучести понижается, поэтому остаточные напряжения вызывают пластическую деформацию и снижаются до уровня предела текучести металла при температуре нагрева.

Встальных и чугунных деталях значительное снижение остаточных напряжений происходит в процессе выдержки при 450 ° С; после выдержки при 600 ° С напряжения понижаются до очень низких значений. Время выдержки устанавливают от нескольких до десятков часов в зависимости от массы изделия.

Всплавах на основе меди и алюминия существенное уменьшение остаточных напряжений происходит при меньших температурах нагрева. Например, в холоднодеформированных латунных полуфабрикатах остаточные напряжения практически полностью снимаются в процессе отжига при 250-

300° С.

По окончании выдержки при заданной температуре изделия медленно охлаждают, чтобы предотвратить возникновение новых напряжений. Допустимая скорость охлаждения зависит от массы изделия, его формы и теплопроводности материала; обычно она находится в пределах 20 - 200° С/ч.

РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИОННЫЙ ОТЖИГ

Нагрев деформированных полуфабрикатов или деталей выше температуры рекристаллизации называют рекристаллизационным отжигом; в процессе выдержки происходит главным образом рекристаллизация. Скорость охлаждения при этой разновидности отжига не имеет решающего значения; обычно охлаждение по окончании выдержки проводят на воздухе. Цель отжига — понижение прочности и восстановление пластичности деформированного металла, получение определенной кристаллографической текстуры, создающей анизотропию свойств; и заданного размера зерна.

Рекристаллизационный отжиг часто используют в качестве межоперационной смягчающей обработки при холодной прокатке, волочении и других операциях холодного деформирования. Температуру отжига обычно выбирают на 100 - 200 ° С выше температуры рекристаллизации (см. § 5.2).

Рекристаллизационный отжиг может быть использован в качестве окончательной обработки полуфабрикатов.

Внекоторых металлах и твердых растворах рекристаллизация сопровождается образованием текстуры (преимущественной ориентации кристаллов в объеме детали), которая создает анизотропию свойств. Это позволяет улучшить те или иные свойства вдоль определенных направлений в деталях (магнитные свойства в трансформаторной стали и пермаллоях, модуль упругости в некоторых пружинных сплавах и т.д.).

Вмашино- и приборостроении широкое применение находят металлы

исплавы — твердые растворы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии (алюминий, медь, никель, ферритные и аустенитные стали, однофазные латуни и бронзы).

Втаких материалах единственной возможностью регулирования размера зерен является сочетание холодной пластической деформации с последующим рекристаллизационным отжигом.

ДИФФУЗИОННЫЙ ОТЖИГ (ГОМОГЕНИЗАЦИЯ)

В реальных условиях охлаждения расплава кристаллизация твердых растворов чаще всего протекает неравновесно: диффузионные процессы, необходимые для выравнивания концентрации растущих кристаллов по объему, отстают от процесса кристаллизации. В результате сохраняется неоднородность состава по объему кристалла — внутрикристаллическая ликвация: сердцевина кристаллов обогащена тугоплавким компонентом сплава, а наружные части — компонентом, понижающим температуру плавления.

На примере системы с эвтектическим превращением на рис. 6.7 схематично показано изменение средней концентрации твердого раствора сплавIв интервале температур кристаллизации при отклонении от равновесия. Кристаллы твердого раствора содержат меньше легирующего компонента В по сравнению с равновесной концентрацией.

Если температура конца кристаллизации сплава из-за уменьшения содержания компонента В в твердом растворе станет ниже эвтектической, как это показано на рис. 6.7 для сплава I (t2 < tЭ), то оставшийся к моменту достижения эвтектической температуры жидкий раствор затвердевает по эвтектической реакции и в структуре сплава появляется эвтектическая составляющая.

Внутрикристаллическая ликвация, особенно в случае появления в структуре эвтектической составляющей, затрудняет последующую обработку давлением, так как снижается пластичность сплавов.

Диффузионным отжигом называют длительную выдержку сплавов при высоких температурах, в результате которой уменьшается ликвационная неоднородность твердого раствора. При высокой температуре протекают диффузионные процессы, не успевшие завершиться при первичной кристаллизации.

Диффузионному отжигу подвергают слитки легированных сталей и многих алюминиевых сплавов, а в некоторых случаях и отливки.

Встальных слитках в результате диффузионного отжига достигается более равномерное распределение фосфора, углерода и легирующих элементов в объеме зерен твердого раствора. Если температура отжига достаточно высока, отжиг приводит к более благоприятному распределению сульфидов. Диффузионный отжиг стальных слитков ведут при 1100 - 1300 ° С

втечение 20 - 50 ч.

Вслитках алюминиевых сплавов ликвация особенно нежелательна. В результате ликвации оси дендритов содержат меньше легирующих элементов, чем межосные пространства и границы зерен, поэтому при охлаждении слитков вторичные кристаллы выделяются главным образом между осями дендритов и по границам зерен, часто в очень неблагоприятной форме (по границам зерен в виде сплошных хрупких оболочек).

Диффузионный отжиг слитков алюминиевых сплавов проводят при 420 - 520 ° С с выдержкой 20 - 30 ч для устранения ликвации.

6.4. Термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии дает возможность значительно упрочнять сплавы путем термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа — стареющих сплавов — в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой