Упрочняющая термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Билет 17.

    1. Упрочняющая  термическая обработка сплавов с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии:  закалка +  старение. Структура и  свойства  закаленных  сплавов.  Виды выделений при старении, их влияние на свойства сплавов.

  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 прочности; при­меняют стареющие сплавы на алюми­ниевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других осно­вах.

Рассмотрим   принцип   упрочняющей термической    обработки    стареющих сплавов на примере системы с промежу­точным соединением (рис.а).

К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки а до промежуточного соединения , в которых при охлаждении из твердого раствора  выделяются вторичные кристаллы . При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов и равновесном сплаве (рис.б).

Рассмотрим для примера сплав I состава точки С который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора  концентрации точки а и относительно крупных вторичных кристаллов .Сопротивление движению дисло­каций подрастает по мере уменьшения расстояний между частицами упрочняю­щей фазы, т. е. сплав I станет прочнее, когда и место немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие друг от друга на 25-50 межатомных  расстояний. В большинстве стареющих сплавов же­лательная дисперсная структура обра­зуется в результате термической обра­ботки, состоящей из двух операций закалки и старения.

При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматри­ваемого сплава I такой будет температу­ра, несколько превышающая  (см. рис.  а). Быстрым охлаждением с тем­пературы закалки полностью подавляю процесс выделения вторичных кристал­лов и в результате получают одно­фазный сплав - перенасыщенный компо­нентом В твердый раствор. Перенасыще­ние твердого раствора относительно мало сказывается на повышении твер­дости и прочности, незначительно изме­няется и пластичность сплавов.

Пересыщенный    твердый     раствор представляет    собой     неравновесную структуру с повышенным уровнем сво­бодной энергии. Поэтому, как только подвижность атомов  окажется доста­точно большой, твердый раствор будет распадаться - начнется процесс старения. Старение, происходящее при  повы­шенных температурах, называют искус­ственным. В сплавах на основе низко­плавких металлов старение может про­исходить   при   температуре   20-25 С в процессе выдержки после закалки; та­кое старение называют  естественным. При старении уменьшается концен­трация    пересыщающего    компонента в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений. Тип    выделений     (кристаллическая структура), их размер и характер сопря­женности с решеткой твердого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения т. е. от температуры и времени выдержки.

Рекомендуемые материалы

В общем случае при распаде перенасы­щенных твердых растворов могут возникать образования следующих типов (они перечисляются и порядке возраста­ния энергии активации зарождения):

1) зоны Гинье-Престона;

2) кри­сталлы метастабильной фазы;

3) кри­сталлы стабильной фазы.

Зоны Гиньс-Престона  (зоны ГП) представляют собой весьма малые (субмикроскопические) обьемы твердого раствора с резко повышенной концен­трацией растворенного компонента, со­храняющие решетку растворителя. Ско­пление растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора. При значительной разнице в размерах атомов А и В, как это, например, наблюдается в сплавах Al-Cu, зоны ГП имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения решетки) составляет несколько межа­томных расстояний (рис. а), диаметр 10-50 нм. Диски закономерно ориенти­рованы относительно пространственной решетки растворителя. При небольшом различии в атомных диаметрах компо­нентов, как, например, в сплавах Al-Zn, обогащенные зоны имеют форму сфер.

Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твер­дый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях той ил иной решетки, что вызывает образование когерентной {или полу когерент­ной) границы раздела. Когерентная гра­ница при некотором различии кристал­лической структуры приводит к появле­нию переходной зоны с искаженной решеткой (рис.,6). Для метастабильных фаз характерна высокая дис­персность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций.

Стабильная фаза , имеет слож­ную пространственную решетку с пони­женным числом элементов симметрии и е большим числом атомов в элемен­тарной ячейке.

Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов вы­деляются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристал­лической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной границе раздела

(рис. в) и, соответственно, к  минимальным  искажениям решетки твердого   раствора    вблизи границы. Упрочнение   сплава   при   образовании стабильных кристаллов , оказывается меньшим, чем при образовании зон ГП и мета стабильных когерентных кристаллов.

Кривые старения (рис.) принят строить в координатах твердость (прочность)-длительность старения (при постоянной температуре). Условно примем, что максимальное упрочнение сплава I (см. рис. 5.4) достигается при выделении зон ГП.

Температура t0 выбрана настолько невысокой, что распада пересыщенного твердого раствора не происходит и, со­ответственно, не наблюдается измене­ния твердости (прочности) закаленного сплава.

Старение при температуре t1, вызывает повышение прочности вследствие образования зон ГП; если данная тем­пература недостаточна для того, чтобы активировать зарождение метастабильных кристаллов, то твердость (прочности) достигнет максимального  значения  и в   дальнейшем   не   будет   изменяться сколь     угодно     длительное     время (рис. 5.6, сплошная линия). Если темпе­ратура t1 достаточная для зарождения метастабильных  кристаллов,  то  твер­дость после достижения максимального значения начнет понижаться, сплав бу­дет “перестариваться” (рис. 5.6, штриховая линия).
2. Высокопрочные стали.  Легированные стали,  мартенситностареющие стали: их состав, марки, упрочняющая обработка, применение.

Легированные стали.

Легированной называется сталь, содержащая в своем составе один или несколько специально введенных легирующих элементов в количестве, заметно изменяющем свойства стали.

Принципы маркировки стали:

Марка легированной стали – буквенно-цифровой код ее химического состава.

Каждый элемент обозначается заглавной буквой русского алфавита:

а) по первой букве русского названия Н – Ni; В – W; Т – Ti; Х – Cr; М – Mo; Г – Mn; Д – Cu; Ю – Al; А – N; Б – Nb;

б) по первой букве латинского названия С – Si;

Ещё посмотрите лекцию "Особенности проповеди спасителя" по этой теме.

в) просто условное обозначение Ф – V;

Марка легированной стали:

Если число соответствующее содержанию углерода двухзначное, то это содержание углерода в сотых долях процента, если в единицах, то это содержание углерода в десятых долях процента.

Широкое применение в технике получила высокопрочная мартенсито-стареющая сталь Н18К9М5Т (<=0.03% С, ~18% Ni, ~9% Co, ~5% Mo, ~0.6 Ti).

Кроме стали Н18К9М5Т нашли применение менее легированные мартенсито-стареющие стали: Н12К8М3Г2, Н10Х11М2Т (s_в=1400¸1500МПа), Н12К8М4Г2, Н9Х12Д2ТБ (s_в=1600¸1800МПа), KCU=0.35¸0.6 МДж/м², s_0.2=1800¸2000МПа. Мартенсито-стареющие стали имеют высокий предел упругости s_0.002=1500МПа.

Мартенсито-стареющие стали применяют в авиационной промышленности, в ракетной технике, в судостроении, в приборостроении для упругих элементов, в криогенной технике и т.д. Эти стали дорогостоящие.