книги / Теория и технология получения наноструктурированных компактных материалов

создает условия для формирования более однородной УМЗ структуры. В-третьих, -фаза локализуется в обособленных объемах, ее объемная доля в структуре после ИПД заметно уменьшается, что связано с ее распадом и частичным растворением.

В целом сплавы типа Ti–6А1–4V в УМЗ состоянии демонстрируют высокие прочностные свойства и повышенную усталостную прочность. Однако потенциал улучшения механических характеристик и особенно предела выносливости УМЗ сплавов еще не исчерпан.

Кроме исследований титана и его сплавов существуют исследования по влиянию ИПД и получению ультрамелкозернистой структуры на меди, сплавах с эффектом памяти формы (никелид титана), наноструктурных тугоплавких металлах (вольфрам, тантал) и некоторых других материалах.

81

elib.pstu.ru

5. ТЕРМОЦИКЛИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА КАК СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРЫ

Термическая обработка является эффективным и простым методом повышения работоспособности компактных металлических материалов. Традиционным способам термической обработки свойственно некоторое принципиально важное ограничение: неспособность повышать одновременно прочность и пластичность или, сохраняя значения одних свойств, например пластических, увеличивать показатели прочности, и наоборот. А именно такое комплексное повышение характеристик прочности и пластичности наиболее эффективно для обеспечения надежной работы конструкционных материалов, снижения массы и габарита машин и т.д.

Сформулированная задача сейчас решается в основном путем совмещения термической обработки с упрочнением от пластической деформации. На этой основе разработаны такие новые методы упрочнения металлов и сплавов, как механико-термическая обработка (МТО) и термомеханическая обработка (ТМО). Различие этих обработок состоит в том, что в первом случае вначале дают механическое упрочнение пластическим деформированием и затем производят термическую обработку, а во втором механическое упрочнение осуществляется в процессе термической обработки. Применение МТО и ТМО к металлическим материалам дает положительные результаты, повышая уровень прочности обрабатываемого материала. Однако МТО и ТМО не нашли еще широкого применения в производстве в силу их технологической сложности.

Известно 29–32 , что на конечные свойства термообработанных материалов влияет, в первую очередь, величина зерна. Измельчения зерна в стали достигают за счет перекристаллизации . Авторы нового способа обработки – термоциклической обработки (ТЦО) – предложили отказаться от традиционного параметра термической обработки (время выдержки выд), ввести многократную перекристаллизацию и, следовательно, новый параметр nопт – оптимальное число нагревов и охлаждений (термоциклов) 32 . При ТЦО используют быстрые нагревы (например, нагрев в расплавах солей, индукционный и электроконтактный нагревы), что также способствует получению мелкого зерна.

82

elib.pstu.ru

При разработке способов и режимов ТЦО необходимо учитывать особенности фазовых и структурных превращений при ускоренных нагревах и охлаждениях, возможный термонаклеп и рекристаллизацию, термодиффузию и т.д. В работах И.Н. Кидина и др. показана возможность смены диффузионного механизма в перестройке решеток железа на бездиффузионный (сдвиговой) у перлита при скоростях нагревания (7–8) 104 С/с. В то же время при нагревании закаленных структур (мартенсит, бейнит) бездиффузионная перекристаллизация происходит и при умеренных (средних) скоростях нагрева. Следовательно, для конечного формирования структуры (в частности, размера зерна) важны исходная микроструктура, скорости нагрева в интервале превращения, химический состав стали.

Роль термонаклепа при ТЦО двояка. При быстрых нагреваниях и охлаждениях структурные составляющие сплава, обладая разными теплопроводностями, теплоемкостями, температурными коэффициентами расширения и прочностными свойствами, претерпевают внутреннее микропластическое деформирование. Эта микродеформация вызывает увеличение плотности дислокаций, полос скольжения и других видов микродефектов, упрочняющих материал. Но основными при ТЦО являются все же структурные превращения.

Велика роль термонаклепа как фактора, ускоряющего структурные изменения в сплавах на основе железа. Внутренние термические микронапряжения снижают температуру начала фазового превращения при нагревании. У микродефектов феррита возникают зерна метастабильного аустенита. Термонаклеп, таким образом, увеличивает долю бездиффузионного превращения и, тем самым, способствует сокращению числа необходимых термоциклов при ТЦО.

Интенсивно происходящие фазовые превращения своими перестройками кристаллической решетки не только способствуют «перемешиванию» структурных составляющих, но и способны вызывать ускоренный распад метастабильных структур и химических соединений металла с углеродом, например цементита.

После термоциклирования стали имеют более высокие прочностные свойства без снижения пластичности и ударной вязкости, чем после традиционной упрочняющей термообработки. Одновременно с этим снижается порог хладноломкости. Возможность получения сверхмелкого зерна (до 14 номера шкалы ASTM, средний диаметр зерна 3–5 мкм) способствует повышению штампуемости сталей и даже переводу материала в сверх-

83

elib.pstu.ru

пластичное состояние. Регулирование размера зерна термоциклированием – перспективный путь к получению наноструктурного состояния компактных металлических материалов.

Использование ТЦО сплавов алюминия, титана, никеля повышает характеристики вязкости разрушения и усталостной прочности 32 . ТЦО сплавов системы Al–Mg–Si может с успехом заменить длительное искусственное старение с одновременным повышением пластичности в 1,5 раза.

Например, для литейного алюминиевого сплава, который применяется в двигателестроении для изготовления поршней (кокильные отливки) после обработки по режиму закалка 520 С, 1 ч и старение 210 С, 1,5 ч получены свойства в = 260 МПа, 0,2 = 220 МПа, = 0,6 % и 100300 = = 45 МПа. Применение ТЦО по режиму 520 340 С 8 циклов и аналогичное старение обеспечивает в = 370 МПа, 0,2 = 320 МПа при = 0,9 % и длительную прочность 100300 = 55 МПа.

При исследовании + титановых сплавов ВТ3-1 и ВТ9 получены структуры корзиночного плетения. После ТЦО пластинки -фазы разбиты на субзерна, прослойки между ними -фазы тоже фрагментарны. При этом, при сохранении прочности и небольшом повышении пластичности, существенно повышается ударная вязкость (для ВТ3-1 KCU

с57 до 74 Дж/см2).

5.1.Применение термоциклической обработки сталей

Внастоящее время наиболее разработаны схемы и режимы ТЦО для железоуглеродистых сплавов. Подробно изучены и описаны 32 фазовые и структурные изменения при быстрых нагревах и термоциклировании.

Основные схемы ТЦО сталей приведены на рис. 5.1.

Все способы термоциклической обработки сталей и чугунов можно условно подразделить на низко-, средне- и высокотемпературные. Низ-

котемпературные способы ТЦО способы, при которых нагревание осуществляют до температуры несколько ниже начала полиморфногопревращения, т.е. без участия в структурных изменениях фазовых превращений. Среднетемпературные способы ТЦО предусматривают нагревания до температур возникновения области двухфазного состояния, т.е. в область температур между точками Ас1 и Ас3. Высокотемпературные способы ТЦО способы, при которых нагревание производят до полного фазового превращения, т.е. выше точки Ас3.

84

elib.pstu.ru

гревы над точкой Ас1, тем мельче получается зерно в углеродистой конструкционной стали. Однако при этом возрастает необходимое число термоциклов.

Таким образом, технология термоциклической обработки на мелкозернистую структуру доэвтектоидных углеродистых сталей состоит в быстром нагревании стали до температур на 30 50° С выше точки Ас1 с последующим подстуживанием на воздухе до температур на 50 80° С ниже точки Аr1 и новым, 5-кратным проведением нагревания и охлаждения по указанному режиму. Последнее охлаждение термоциклируемых изделий ведется на воздухе до комнатной температуры [32].

Быстрое печное нагревание при ТЦО достигается, если производить садку изделий в перегретую печь. Скорость нагревания до необходимых температур будет тем выше, чем больше температура в печи и меньше масса термообрабатываемого изделия. Оптимальными скоростями нагреваний стали являются скорости от 50 до 100 °С/мин. Они достигаются при средних массах деталей (до 50 кг), если температура в печи 950 1100 °С. Экспериментальный подбор температуры печи для обеспечения нужной скорости нагревания производится путем построения кривых нагревания конкретных изделий. Скорость нагревания можно оценивать временем ( нагр) до достижения заданной температуры (tнагр) (рис. 5.2). В дальнейшем нагревание контролируется по затрачиваемому времени. Максимальная температура и длительность нагревания тоже вначале определяются экспериментально. Впоследствии весь процесс ТЦО контролируется по времени нагревания и охлаждения.

Структурные изменения, происходящие при маятниковой ТЦО в стали 40, показаны на рис. 5.3. Для сравнения даны исходная структура стали после нормализации и структуры после двух, трех и пяти термоциклов.

Аналитический расчет количества зерен (N) в удельном объеме (1 мм3) стали 45 (с размером зерен 5 6 номер), выполненный по методике стереометрической металлографии, показал, что после нормализации N = 6,5 103 зерен/мм3, а после маятниковой ТЦО N = 6,2 106 зерен/мм3. Следовательно, получено зерно 11 12 номеров. Это означает, что одно зерно дробится примерно на 1000 мелких зерен. Такие изменения в структуре положительно влияют на механические свойства конструкционных сталей.

86

elib.pstu.ru

Сравнение механических свойств после ТЦО и нормализации (табл. 5.1). Показывает, что ТЦО существенно повышает упругость, пластичность и вязкость сталей. Предел текучести увеличивается на 6 15 %, пластичности – на 10 25 %, а ударная вязкость на 70 110 %, т. е. примерно в 2 раза.

Таблица 5 . 1 Механические свойства доэвтектоидных сталей 32

Термоциклирование повышает ударную вязкость при комнатных температурах и при пониженных, что особенно важно для техники, эксплуатируемой на Крайнем Севере. На рис. 5.4 приведены зависимости ударной вязкости от температуры для стали 45 после нормализации (кривая 1) и ТЦО (кривая 2).

Рис. 5.4. Зависимость ударной вязкости стали 45 от температуры испытаний: 1 – нормализация; 2 – ТЦО

88

elib.pstu.ru

ТЦО автоматных сталей. В общем машиностроении широко применяют автоматные стали. Основными достоинствами автоматных сталей являются хорошая обрабатываемость резанием, получение гладкой высококачественной поверхности и дробленой, легко удаляемой со станка, стружки. Эти положительные свойства обусловлены повышенным содержанием серы и фосфора в сталях («грязные» стали), также введением таких добавок, как свинец, селен и теллур. Однако у автоматных сталей есть и недостатки: пониженные пластичность и ударная вязкость, большая склонность к хладноломкости по сравнению с качественными сталями.

С целью устранения этих недостатков изучалось влияние ТЦО на структуру и свойства автоматных сталей А12 и А40Г. Режим ТЦО был следующим: ускоренные 5-кратные нагревания стали А12 до 960 980 °С, а стали А40Г до 780 800 С с охлаждением на воздухе до температур ниже точки Аr1. последнее охлаждение до комнатных температур. Сравнить полученные после ТЦО свойства и свойства аналогичных качественных сталейпозволяютданные табл. 5.2.

Таблица 5 . 2 Механические свойства автоматных и качественных сталей 32

На основе этого сравнения можно считать, что применение ТЦО автоматных сталей существенно увеличивает их пластичность и вязкость. Поэтому можно уверенно заменять качественные стали автоматными, не снижая работоспособности и надежности изделий.

89

elib.pstu.ru

ТЦО стали 40Х. Сталь 40Х широко используется в машиностроении, поэтому целесообразно рассмотреть возможности применения ТЦО для этой стали. По результатам оптимизации режима ТЦО для получения наибольшей ударной вязкости для промышленного опробования был предложен следующий режим ТЦО: 6–8-кратное ускоренное нагревание со скоростью до 450 °С/мин до температуры 800 830 °С с последующим охлаждением на воздухе до 600 650 °С; окончательное охлаждение на воздухе до комнатных температур.

Наибольшее значение ударной вязкости сталь 40Х обычно имеет после нормализации. Поэтому сопоставлялись данные, полученные после нормализации и после ТЦО: нормализация привела к KCU = 65 Дж/см2, а ТЦОдает165 Дж/см2.

Поковки из стали 40Х диаметром 250 мм и длиной 500 мм обрабатывали по аналогичному режиму: 5-кратное нагревание со скоростью 3 5 град/мин до 780 800 °С, охлаждение на воздухе до 650 630 °С, после последнего нагревания охлаждение на воздухе до температуры цеха. Для сопоставления результатов часть поковок подвергалась стандартному отжигу, а часть нормализации с отпуском при 470 °С. Результаты сопоставлениямеханическихсвойств поковок приведены в табл. 5.3.

Описанный режим ТЦО рекомендовано применять в тех случаях, когда требуется повышенная ударная вязкость, например для техники, используемой в северных регионах.

Сталь 40Х склонна к отпускной хрупкости после выдержек при 450–600 С и медленного охлаждения.

90

elib.pstu.ru