Металлы и сплавы (стр. 22 из 24)
Первая кривая (нижняя, 882°С - Сa) ограничивает область существования твердого раствора a, а точка Сa соответствует предельной концентрации твердого раствора при комнатной температуре. Вторая кривая (верхняя, 882°С - Сb) определяет границу между областями (a+b) и b, а точка пересечения ее с осью абсцисс Сb соответствует минимально необходимой концентрации второго компонента для образования твердого раствора b, устойчивого во всем интервале температур вплоть до температуры плавления. В условиях равновесия приведенная выше диаграмма состоит из трех областей твердых растворов: a, a+b и b.
Превращения в сплавах при закалке
При закалке из b-области ряд сплавов будет претерпевать мартенситное превращение. На диаграмме нанесены линии начала ( Мн ) и конца (Мк ) мартенситного превращения.
В сплавах с относительно небольшой концентрацией легирующих элементов при закалке происходит мартенситное превращение b®a¢ сдвигового типа.
Титановый мартенсит a¢ представляет собой пересыщенный твердый раствор b-стабилизирующих легирующих элементов вa-титане. Кристаллическая решетка у него гексагональная плотноупакованная, напряженная. Мартенситная a¢-фаза не обладает высокой твердостью и прочностью, однако ее твердость и прочность тем больше, чем выше степень пересыщения a¢-твердого раствра легирующим элементом. Под микроскопом эта структура типично игольчатая (рис. 9.3).
Рис. 9.3. Титановый мартенсит a¢(a¢¢), х400
С увеличением содержания b-стабилизирующего элементапри закалке возможно образование a¢¢-фазы, представляющей собой тоже пересыщенный твердый раствор на основе титана. Но искаженная кристаллическая решетка этой фазы скорее ромбическая, чем гексагональная.
Ромбическую a¢¢-фазу можно рассматривать как промежуточную между структурами с объемно центрированной и гексагональной решетками. Сплавы титана, содержащие только такую структуру, обладают умеренной прочностью и повышенной пластичностью, близкой к b-фазе.
Так как обе эти фазы неразделимы, то в общем случае титановый мартенсит обозначают a¢(a¢¢). Он образуется при закалке сплавов с концентрацией легирующих элементов до точки С1, так как в этих сплавах при закалке мартенситное превращение протекает полностью.
В сплавах с концентрацией легирующих элементов от С1 до Скр при закалке мартенситное превращение начинается на линии Мн, но не протекает полностью. В результате образуется титановый мартенсит a¢(a¢¢) и фиксируется нестабильная b-фаза - bн. Соотношение между a¢(a¢¢) и bн зависит от легирующих элементов и степени легирования сплавов. Так, в сплаве ВТ3-1 (5,5% Al, 2% Мо, 2%Сr, 1% Fe) после закалки образуется около 60% a¢(a¢¢)- и около 40% bн-фазы. В сплаве ВТ22 (5% Аl, 5% Мо, 5% V, 1% Fе , 1% Сr) после закалки образуется всего до 10% a¢(a¢¢)-фазы, остальная часть структуры представляет собой фазу bн.
В сплавах с концентрацией легирующих элементов от Скр до Сb в результате закалки фиксируется нестабильная b-фаза - bн.
Однородный b-твердый раствор характеризуется обычно хорошей пластичностью и невысокой твердостью. Сплавы с концентрацией легирующих элементов несколько больше Скр после закалки имеют высокие твердость и хрупкость. Это связано с появлением в структуре закаленного сплава w-фазы с гексагональной кристаллической решеткой. Процесс этот нежелателен, w-фаза устраняется в процессе последующего старения путем перегрева сплава в конце старения на 100...150°С в течение 30...60 мин.
Превращения в закаленных сплавах при старении
При старении происходят фазовые превращения диффузионногохарактера, связанные с превращением закалочных фаз a¢(a¢¢), bн и w. Конечный продукт превращения - стабильная (a+b)-структура . Возможно также образование интерметаллидных соединений.
Превращение в a¢(a¢¢)-фазе. Распад мартенситной фазы интенсивно протекает при температуре выше 350...400°С и проходит в несколько стадий. Сначала образуется и выделяется обедненная равновесная a-фаза. Остающаяся a¢(a¢¢)-фаза обогащается легирующими элементами, становится термодинамически неустойчивой и превращается в мелкодисперсную b-фазу. Схематически этот процесс может быть изображен так:
a¢(a¢¢) ®a + a¢(a¢¢)обогащ ®a+bнеравновесн ®a+bмелкодисперсн(м.д).
Превращения в метастабильных bн- и w-фазах. Превращение в нестабильной bн-фазе может начинаться уже при 100...200°С, но более интенсивно протекает при температурах выше 250...300°С. В сплавах, в которых w-фаза образуется при закалке, ее количество может увеличиваться при старении. В этом случае схема процессов старения выглядит так:
bн®b+w+aмелкодиснерсн (м.д).
При температурах старения свыше 450...550 °С w-фазы при старении не образуется, а при несколько больших температурах w-фаза превращается в a-фазу:
bн®b+aмелкодисперсн (м.д);
bн + w®b+aмелкодисперсн (м.д).
Таким образом, сплавы с концентрацией легирующих элементов от С1 до Скр претерпевают превращение при старении по схеме
a¢(a¢¢) + bн®a+bм.д + b+aм.д.
Во всех случаях выделение второй фазы в мелкодисперсном виде способствует дополнительному довольно эффективному упрочнению при старении.
До сих пор все превращения в сплавах титана при закалке рассматривались при условии нагрева их до b-области (выше линии 882°С - Сb). Однако экспериментально установлено, что при этом возможно образование в сплавах крупноигольчатой структуры, что приводит к охрупчиванию сплавов. Для предотвращения этого явления режимы нагрева под закалку выбираются.
При нагреве титановых сплавов выше 600°С в обычной атмосфере их поверхностный слой подвержен газонасыщению и охрупчиванию. Поэтому нагрев и закалку лучше всего проводить в вакууме. Если же это затруднено, то желательно защищать поверхности от газонасыщения. Если же газонасыщение все-таки происходит, то газонасыщенный слой на деталях удаляют травлением в плавиковой кислоте. Для этого надо предусматривать специальные припуски на травление.
Задание и методические рекомендации
1. Изучить влияние легирования на структуру, свойства и возможность упрочнения титановых сплавов путем термообработки. Заполнить вводную часть журнала-отчета по предлагаемой форме.
2. Разобраться в фазовых превращениях, протекающих в термически упрочняемых титановых сплавах. Изобразить обобщенную диаграмму состояния «титан-b-стабилизирующий легирующий элемент» и показать на ней структуру сплавов в равновесии, после закалки и старения.
3. Провести измерение твердости трех термически неупрочняемых титановых сплавов, отличающихся степенями легирования, и одного термически упрочняемого сложнолегированного сплава в отожженном состоянии. Результаты измерений занести в таблицу по предложенной форме. Сделать выводы о возможностях упрочнения сплавов путем легирования.
4. Провести закалку термически упрочняемого двухфазного титанового сплава. После закалки выполнить зачистку образцов и замер твердости. Образцы с примерно одинаковой твердостью рассортировать на две группы.
Образцы первой группы по одному поместить в печи с разной температурой (400, 450, 500, 600°С) и провести старение в течение 40 мин.
Все образцы второй группы поместить в печь с температурой 500 или 550°С для старения в течение различного времена (5, 10, 20, 40 минут). После старения образцы зачистить и определить их твердость. Результаты занести в таблицу по предлагаемой форме.
Построить графики зависимости твердости от температуры старения и твердости от времени старения при постоянной температуре. Сделать необходимые выводы.
5. Изучить и зарисовать в таблице по предлагаемой форме структуры титановых сплавов по указанию преподавателя (ВТ1-0 и ВТ4-1 - в отожженном состоянии; ВТ3-1 -в отожженном состоянии, после закалки , а также после закалки и старения; ВТ22 -после закалки, после закалки и старения; ВТ15 -после закалки, после закалки и старения). На рисунках микроструктур указать основные фазы и фазовые составляющие.
Контрольные вопросы
1. Какие способы упрочнения титановых сплавов вы знаете?
2. Как классифицируются легирующие элементы в зависимости от их влияния на аллотропические превращения в титане?
3. Как классифицируются титановые сплавы по структуре в равновесном состоянии? Каковы свойства и где используются сплавы разных классов?
4. Дайте определение и характеристику закалочных структур в титановых сплавах.
5. Какие превращения происходят в закалочных структурах титановых сплавов при старении?
6. Как выбираются режимы нагревания титановых сплавов для закалки и при старении? Почему нагрев для закалки и закалку необходимо проводить в вакууме?
Лабораторная работа № 10
Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов
Цель работы
1. Ознакомиться с основами теории и практики термической обработки алюминиевых сплавов.
2. Экспериментально выполнить закалку термически упрочняемого алюминиевого сплава, оценить влияние закалки на свойства сплава.
3. Экспериментально исследовать изменение свойств сплава после закалки и естественного старения в течение различных периодов времени, если сплав поддается естественному старению, а также провести искусственное старение, определив оптимальную температуру старения при постоянном времени и оптимальное время старения при постоянной температуре.
4. Выявить, изучить с помощью оптического микроскопа и зарисовать структуру типичных алюминиевых сплавов в различном состоянии, указав фазовый состав, свойства и применение этих сплавов.
Содержание работы
Чистый алюминий - легкий металл (g = 2,7 т/м3) с низкой температурой плавления (660°С). Кристаллическая решетка - ГЦК с периодом а = 4,041 кХ. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления. Это химически активный металл, но образующаяся на его поверхности плотная окисная пленка из Аl203 предохраняет его от коррозии.