Вплив МТО на властивості сплавів

МЕХАНІКО – ТЕРМІЧНА ОБРОБКА

Обробка, що поєднує незначну деформацію металів і сплавів з подальшим нагріванням, в результаті якої досягається підвищення їх механічних властивостей (насамперед - жароміцності) у зв'язку зі створенням структури полігонізації отримала в нашій країні назву механіко-термічної обробки. Дослідження в цій області пов'язані з ім'ям І. А. Одінга і його співробітників.

Механіко-термічна обробка (МТО) передбачає деформування металевого сплаву після повного циклу його термічної обробки до певної міри пластичної деформації (від 0,3 до 10% залежно від виду матеріалу), в поєднанні з одночасним або наступним нагрівом до температур нижче температури розвитку рекристалізації. У результаті всіх цих операцій виходить (як показано структурними дослідженнями) тонка полігонізована будова, стійкість якої може бути підвищена скупленням атомів домішок в областях у дислокаційних стінок. У ряді випадків доцільне застосування дробової деформації, при якій сплав деформується кілька разів на малий ступінь подовження або обтискання з проміжними витримками при температурі деформування в розвантаженому стані. Це дозволяє підвищити однорідність одержуваної структури.

Крім впливу субграніц полігонізації на гальмування руху дислокацій при повільної деформації (наприклад, в умовах повзучості), створення подібної структури гальмує коагуляцію зміцнюючих фаз, що також призводить до підвищення жароміцності при тривалих випробуваннях. Тому механіко-термічна обробка дозволяє значно збільшити термін служби металевих сплавів в певних умовах навантаження при високих температурах.

Вперше вказівку на підвищення жароміцності в результаті механіко-термічної обробки було зроблено В. С. Іванової в 1956 році. Було проведено випробування технічного заліза і сталі 1XI8H9T на повзучість з розвантаженням після перших 24 год. Після витримки протягом 24 год. при температурі випробування знову була проведена навантаження до початкового напруги і потім продовжували випробування на повзучість. Пластична деформація, накопичена до моменту розвантаження зразка, досягала 0,15-0,20 %. Виявилося, що після витримки зразка в розвантаженому стані без охолодження пригнічується несталий ділянка кривої повзучості при подальшому випробуванні і значно знижується швидкість повзучості на сталій стадії. Якщо при звичайному випробуванні швидкість повзучості технічно чистого заліза при 400 ° С і напруги 8 кг/мм² становила 5,8 ∙ 10^-4% / год., то після зазначених операцій протягом перших двох діб випробувань швидкість повзучості вже становила 5,5 ∙ 10 ^-5% / год., тобто знизилася в 10 разів. Швидкості повзучості стали 1Х18Н9Т в дослідах В. С. Іванової (при 575 ° С і напруга 18 кг/мм²) до і після прийнятого режиму механіко-термічної обробки склали відповідно 4,8 ∙ 10^-3 і 2,8 ∙ 10^-4% / ч.

Встановлено, що для кожного сплаву існує оптимальна ступінь деформації і температура нагріву, визначають найбільш сприятливі умови створення полігонізованой структури в результаті МТО і звідси - найбільш ефективне підвищення властивостей. Так як МТО не робить різкого впливу на статичну міцність при кімнатній температурі, то слід було шукати інші структурно чутливі властивості (наприклад, електропровідність, внутрішнє тертя), які реєстрували б зміни субструктури в результаті МТО.
Дослідженнями І. А. Одінга та іншими було показано, що після різних деформаційних режимів МТО максимуму довговічності жароміцних сплавів типу "німонік" відповідає мінімум електропровідності. МТО здійснювалася розтягуванням зразків при температурі 600 ° С зі швидкістю
2,5 мм / хв. до різного ступеня деформації (від 0,3 до 10,0 %), а потім проводили витримку в розвантаженому стані при цій же температурі протягом 100 год.
На рис. 1 показано, що на кривих зміни електропровідності в залежності від ступеня деформації є чітко виражений мінімум, відповідає тим ступеням пластичної деформації, при якій зразки виявили найбільшу жароміцність (рис. 2). За критерій жароміцності були обрані термін служби до руйнування τ, год. при заданому постійному напруженні, і межа тривалої міцності на базі 100-год випробування σ100, кг/мм².

Рис.1 - Зміна питомого електроопору сплавів ЭИ617 (а), ЭИ437 (б) і 1ХІ8И9 (в) залежно від ступеня деформації при МТО.

Таким чином, автори вважають, що для встановлення оптимального ступеня деформації при МТО досить визначити характер зміни електропровідності зміцнюючих сплавів. Л. К. Гордієнко та З. Г. Фрідман показали, що оптимальними ступенями деформації при дорекристалізаціїній МТО нікельхромових сплавів відповідає мінімум фону внутрішнього тертя, і початок високотемпературного підйому внутрішнього тертя зміщується вправо по осі температур. Мінімум внутрішнього тертя досягається до моменту утворення стабілізованої структури полігонізації, обумовлює максимальне підвищення жароміцних властивостей. Мабуть, тенденція до зниження фону внутрішнього тертя є закономірний при утворенні субструктури полігонізації незалежно від способу її отримання.

Рис. 2 - Зміна межі тривалої міцності σ₁₀₀₀, довговічності τ і електропровідності залежно від ступеня попередньої деформації при МТО: а — сталь ЭИ437, б — сталь 1X18H9.

Так, аналогічний характер зміни параметрів внутрішнього тертя (зниження фону і різке зростання температури початку підйому кривих) отримано при дослідженні низькотемпературні МТО нікелю та міді.
Режими МТО деяких сплавів наведено в табл. 20; на рис. 3 показані властивості, отримані після обробки. Зміцнення в результаті МТО (за умови не надто високих температур і напруг) є стійким, що зберігається при випробуванні протягом 5000 год.
Поряд із зменшенням швидкості повзучості порівняно зі звичайним режимом термічної обробки після МТО зростає термін служби і підвищується (на 10-15%) межа тривалої міцності. Так, після МТО технічно чистого заліза при подовженні 5% і нагріву 550 ° С протягом 25 год. тривала міцність за 100 год. при 400 ° С підвищилася на 2,5 кг/мм², а термін служби - приблизно на два порядки.
Межа тривалої міцності при 600 ° С за 1000 год. сплаву ЭИ617 зростає після МТО (деформація 1% при 600 ° С і витримка при 600 ° С протягом 100 год.) з 82 до 92 кг/мм², а термін служби збільшується приблизно в 20 разів. МТО підвищує також і релаксаційну стійкість. Якщо при випробуванні на релаксацію напружень при 400 ° С і початковій напрузі 10 кг/мм² зниження напруги Δσ у відпаленому технічно чистому залозі становила 6,5 кг/мм², то після МТО з оптимального режиму (деформація 5%, нагрівання 550 ° С) Δσ одно всього 2,1 кг/мм².

Рис. 3 – Кривые ползучести до и после МТО.

На рис. 4 показано влияние МТО в сочетании с диффузион­ным насыщением азотом (когда сегрегация атомов примесей в объемах у дислокационных стенок ведет к закреплению суб­структуры) на длительную прочность технически чистого же­леза. МТО (по режиму удлинение 20 % и нагрев при 600 °С в течение 8 ч) повысила длительную прочность за 100 н. При 450° С длительная прочность повысилась с 19,2 до 20,5 кг/мм а срок службы примерно в 13 раз. После дополнительного азо­тирования при 400° С в течение 6 ч (в условиях, когда исклю­чено образование е-фазы на поверхности) и последующего нагрева при 550° С в течение 100 ч предел длительной прочности повысился до 26 кг/мм².

Рис. 4 – Длительная прочность низкоуглеродистой стали при 450 °С после различных видов обработки.

В работах З. Г. Фридмана было изучено влияние дроб­ной деформации (теплой прокаткой) при МТО на свойства аустенитных сплавов 1Х18Н9Т и ЭИ437. Как следует из данных, однократная прокатка приводит к меньшему упрочнению в результате МТО по сравнению с одно­осным растяжением и более быстрому разупрочнению в процессе последующего испытания при 600° С, что, по-видимому, свя­зано с большей неравномерностью деформации при прокатке. Дробная прокатка (за пять проходов), определяющая большую однородность деформации, приводит к повышению срока высокотемпературной службы при умеренных напряжениях и к сравнительно меньшей склонности к разупрочнению. Таким образом, оказывается возможным использование распростра­ненного способа деформации — прокатки, для проведения МТО.

Рис. 5 – Микроструктура стали 1Х18Н9Т после МТО.

В работах И. А. Одинга и других по МТО жаропрочных материа­лов (стали 1Х18Н9, ЭИ617, ЭИ437А) было установлено, что для каждого сплава существует оптимальная степень предва­рительной пластической деформации, обеспечивающая макси­мальное увеличение характеристик жаропрочности в результате МТО. Так, для аустенитной стали 1Х18Н9 оптимальная степень пластической деформации при 600° С составляет 10%. Предполагается, что при больших степенях деформации возни­кает повреждаемость (образование субмикротрещин).

В работе 3. Г. Фридмана и других была исследована повре­ждаемость сталей 1Х18Н9 и 1Х18Н9Т в условиях деформиро­вания при комнатной температуре и при 600° С. Повреждае­мость в процессе деформирования определяли по изменению удельной электропроводности, удельной энергии предель­ной деформации, сопротивления распространению трещины изменению зависимости текущей площади поперечного сечения образца от величины удлинения.

Сталь 1Х18Н9 последовательно растягивали при комнатной температуре до заданных степеней деформации в интервале от 0 до 66%. Обнаружено, что кривая S = f (е) имеет два пере­гиба при степенях деформации 20 и 30%.

Рнс. 5 – Сравнение эф­фектов упрочнения сплава ЭИ437 после МТО с использованием дробной деформации прокат­кой и после обычных режимов МТО при 600°С.

До деформации 20% наблюдается линейная связь между S и е, затем S начинает отставать от е, причем до деформации, равной 30%, также на­блюдается линейная зависимость между S и е, а начиная с 30% происходит отклонение от линейности в сторону возрастания интенсивности снижения поперечного сечения. Перегиб при е = 20% оказался связанным с возникновением субмикроско­пических трещин в деформируемом металле, а перегиб при е = 30% соответствует началу образования шейки на образце. Удельная электропроводность стали с увеличением степени де­формации (вплоть до 30%) незначительно уменьшается, а в даль­нейшем резко снижается. Деформация, при которой возникают субмикротрещины, составляет 0,3е_р, где е_р — равномерная деформация, соответствующая началу падения нагрузки на кри­вой растяжения.

Аналогичные закономерности были получены и для стали 1Х18Н9Т. В этой стали образование субмикротрещин также происходит при деформации, равной 20%.

Для сталей 1Х18Н9 и 1Х18Н9Т, деформированных растя­жением при 600° С, субмикротрещины возникают при дефор­мации е — 11% Локализация пластической деформации (обра­зование шейки) наблюдается, начиная с е = 16%. Величина пластической деформации, при которой образуются первона­чальные очаги вязкого разрушения, составляет 11%, что не­сколько больше оптимальной степени пластической деформа­ции для данной стали. Это показывает, что оптимальная вели­чина пластической деформации лимитируется повреждаемостью металла.

Кривая К_іс ~ f (⁸) ^ПР^И деформации е = 11% имеет мак­симум, а кривые 1/p = f (е) и А_р = f (е) интенсивно снижаются, начиная с деформации, равной 16%.

Таким образом, на основе зависимостей S = f (е) и K_ic — = f (е) возможно определение момента возникновения необра­тимой повреждаемости (образование субмикротрещин) в усло­виях МТО и определение оптимальной величины пластической деформации, а на основе кривых 1/p = f (е) и А_р = f (е) воз­можно определение такой стадии повреждаемости, при которой возникающие микротрещины могут служить концентраторами напряжения, которые способствуют развитию разрушения.

В нашей работе с Д. Я Каган была подобрана оптимальная схема проведения МТО сплавов ХН77ТЮР и ХН70МВТЮР. При этом сравнивали схему 1 (закалка—деформация—старе­ние); схему 2 (закалка—старение—деформация—стабилизирую­щий нагрев); схему 3 (закалка—старение—деформация). Наи­более рациональной оказалась схема 2. Обработка, проведенная по схеме 1 (наклеп после закалки с последующим старе­нием), вызывает наименьшее, по сравнению с другими схемами, упрочнение при невысоких температурах 20 и 550° С. Это, вероятно, объясняется тем, что в данном случае меньше степень деформационного упрочнения, так как для деформации мате­риала, находящегося в закаленном состоянии, при данной сте­пени обжатия требуется меньшая нагрузка, чем для материала, уже упрочненного дисперсными образованиями в результате старения. После обработки, проведенной по схеме 1 со степенью обжатия 0,3 и 5%, повышаются пластические свойства при кратковременных испытаниях на разрыв, а также при ис­пытании на длительную прочность по сравнению с обычным ре­жимом термической обработки Другие схемы МТО вызывают понижение пластических свойств. Полученные данные позво­ляют предположить, что влияние МТО по различным схемам на пластичность исследованных сплавов зависит от двух факто­ров: упрочнения при наклепе, уменьшающего пластичность, и особо тонкого дисперсионного твердения при старении со срав­нительно равномерным распределением фаз, повышающим пла­стичность.

Обработка, проведенная по схеме 3 (закалка - старение - деформация без последующей стабилизации), оказалась наи­менее благоприятной, особенно для жаропрочности при 650— 750' С, что, вероятно, связано с большей термодинамической неустойчивостью структурного состояния и отсутствием эффек­тивных барьеров в виде четких субграниц.

Исходя из комплекса механических свойств (прочность, пластичность, жаропрочность), оптимальная степень деформа­ции для данного материала при механико-термической обра­ботке с активным растяжением должна составлять 5%. Такая деформация вызывает повышение жаропрочности при 550— 650° С, но несколько понижает длительную прочность при более высокой температуре (750° С). Увеличение степени деформации до 10% вызывает еще большее упрочнение при умеренных тем­пературах. Однако в этом случае при высокотемпературном нагреве активизируются диффузионные процессы, что приводит к значительному снижению жаропрочности при температурах выше 650° С. Увеличение степени деформации до 10%, пони­жает также пластичность; это особенно заметно при обработке по схеме 1 (закалка - наклеп - старение). Деформация 0,3% не­значительно влияет на изменение строения и свойств сплава при всех температурах испытания.

Оптимальным режимом стабилизации (полигонизационного нагрева) после предварительной деформации является нагрев при 600° С в течение 200 ч, который определяет наилучшее со­четание механических свойств при всех исследованных тем­пературах испытания.

Данные о влиянии различных температур деформирования на свойства сплава ХН77ТЮР приведены в табл. 23. Темпера­туры варьировали в пределах от 600 до 750° С (через 50° С), деформацию проводили активным растяжением на 0,3 и 5%. Увеличение степени деформации от 0,3 до 5% вызывает прирост упрочнения при 20 и 550° С, но активизирует диффузионные процессы при 750° С. С повышением температуры предварительного деформирования (при соблюдении постоянной степени де­формации) наблюдается тенденция к понижению степени упроч­нения при 20 и 550° С, но отмечается более высокая жаропроч­ность при повышенных температурах (650, 700° С). Это явле­ние, вероятно, связано с образованием более стабильного дисло­кационного строения субзерен при повышении температуры де­формирования, но меньшего возрастания плотности дислокаций (см. уменьшение упрочнения при 20 и 550° С).

Замедленную деформацию при ползучести также проводили при различных температурах (600—750° С). Степень деформации была выбрана 0,2—0,8% и 2—3%. Повышение сте­пени деформации свыше 1% неблагоприятно влияет на длитель­ную прочность при температурах 700—750° С.

Предварительная деформация на 0,2—0,8% вызывает упроч­нение при температурах до 700° С включительно. Характер влияния замедленной деформации при ползучести на жаропроч­ность, как и при деформации активным растяжением, зависит от температуры деформирования. Повышение температуры де­формирования вызывает более заметное повышение жаропроч­ности в области повышенных температур 700—750° С и меньшее в области умеренных температур.

Поиск по сайту: