Лекции по "Материаловеденю"

К самопроизвольным процессам, которые приводят пластически деформированный  металл к более устойчивому состоянию, относятся снятие искажения кристаллической решетки и другие внутризеренные процессы и образование новых зерен. Первое, не требует высокой температуры, так как при этом происходит незначительное перемещение атомов. Уже небольшой нагрев (для железа 300 - 400 °С) снимает искажения решетки (как результат многочисленных субмикропроцессов — уменьшение плотности дислокации в результате их взаимного уничтожения, так называемая аннигиляция, слияния блоков, уменьшение внутренних напряжений, уменьшение количества вакансий и т. д.).

Снятие искажений решетки  в процессе нагрева деформированного металла называется возвратом, или отдыхом. В результате этого процесса твердость и прочность несколько понижаются (на 20—30 % по сравнению с исходными), а пластичность возрастает.

Рекристаллизация, т. е. образование новых зерен, протекает при более высоких температурах, чем возврат, может начаться с заметной скоростью после нагрева выше определенной температуры. Чем выше чистота металла, тем ниже температура рекристаллизации. Чистые металлы имеют очень низкую температуру рекристаллизации: 0,2Т_пл.

После того, как рекристаллизация (I стадия) завершена, строение металла  и его свойства становятся прежними, т. е. которые он имел до деформации. Схема процессов, происходящих при  нагреве наклепанного металла, представлена на рис. 3.17.

Рис. 3.17 - Схема изменения  строения нагартованного металла при  нагреве

Температура рекристаллизации имеет важное практическое значение. Чтобы восстановить структуру и свойства наклепанного металла (например, при необходимости продолжить обработку давлением путем прокатки, протяжки, волочения и т. п.), его надо нагреть выше температуры рекристаллизации. Такая обработка называется рекристаллизационным отжигом.

В соответствии с описанными выше процессами изменения строения наклепанного металла при его  нагреве следует ожидать и  соответствующего изменения свойств. По мере повышения температуры твердость сначала слегка снижается вследствие явлений возврата. После отжига при температуре, несколько превышающей температуру рекристаллизации, твердость резко падает и достигает исходного значения (значения твердости до наклепа). Эта температура и есть минимальная температура рекристаллизации, или порог рекристаллизации. Аналогично изменению твердости изменяются и другие показатели прочности (предел прочности, предел текучести).   Низкая температура нагрева и происходящий при ней возврат несколько повышают пластичность, но лишь рекристаллизация восстанавливает исходную (до наклепа) пластичность металла.

Изменения микроструктуры при нагреве наклепанного металла  показаны на рис. 3.18. Исходная структура  нагартованной латуни показана на рис. 3.18, а. Видны вытянутые зерна с  большим числом сдвигов. Невысокий  нагрев, вызывающий небольшое снижение твердости вследствие возврата, существенно не изменяет микроструктуры (рис. 3.18, б). Нагрев до 350 °С приводит зерна металла почти к равноосному состоянию вследствие рекристаллизации. Эта температура, очевидно, лежит несколько выше порога рекристаллизации (но незначительно), так как размер зерен невелик. Более высокая температура (550 - 800 °С) вызывает рост зерна. Процесс рекристаллизации можно разделить на два этапа:

1) первичная рекристаллизация, или рекристаллизация обработки,  когда вытянутые вследствие пластической деформации зерна превращаются в мелкие округлой формы беспорядочно ориентированные зерна;

2) вторичная, или собирательная  рекристаллизация, заключающаяся в  росте зерен и протекающая  при более высокой температуре.

Рис. 3.18 - Изменение микроструктуры наклепанной латуни в зависимости  от температуры нагрева, ^оС, х 100: а) без нагрева; б) 300; в) 350: г) 450; д) 550; е) 650; ж) 750; з) 800

Процессы первичной  и вторичной рекристаллизации имеют  ряд особенностей.

Первичная рекристаллизация заключается в образовании новых  зерен. Это обычно мелкие, можно даже сказать очень мелкие зерна, возникающие  на поверхностях раздела крупных деформированных зерен.

Хотя в процессе нагрева  и происходили внутризеренные процессы устранения дефектов (возврат, отдых), все же они, как правило, полностью  не заканчиваются, с другой стороны, вновь образовавшееся зерно уже  свободно от дефектов.

К концу первой стадии рекристаллизации можно получить структуру, состоящую только из таких зерен, т. е. очень мелких зерен, в поперечнике  имеющих размер в несколько микрон. Но в этот момент наступает процесс  вторичной рекристаллизации, заключающийся  в росте зерна.

Возможны три существенно  различных механизма роста зерна:

1) зародышевый — состоящий  в том, что после первичной  рекристаллизации вновь возникают  зародышевые центры новых кристаллов, и их рост приводит к образованию  новых зерен, но их меньше, чем зерен в исходном состоянии, и поэтому после завершения процесса зерна в среднем станут крупнее;

2) миграционный - состоящий  в перемещении границы зерна  и увеличении его размеров (рис. 3.19).

3) слияние зерен - состоящее  в постепенном “растворении”  границ зерен и объединении многих мелких зерен в одно крупное.

Рис. 3.19 - Миграция границ зерна (стрелками показано скачкообразное движение границы зерна): а) оловянистая бронза, х 225; б) тантал, х 100

Какой из перечисленных  двух основных механизмов роста зерна  реализуется, зависит от температуры: при более низкой температуре  рост зерна происходит за счет слияния, при более высокой - за счет миграции границ, а также и от исходного структурного состояния, в частности от степени, предшествующей пластической деформации.

 

8. ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

8.1. Титан и его сплавы

8.1.1. Физические и механические свойства  титана

Титан – серебристо-белый, легкий (плотность 4,5 г/см³) металл, имеет две аллотропические модификации; ниже 882 ^оС, существует Ti_a, с гексоганальной плотноупакованной решеткой (ГПУ), и высокотемпературная модификация Ti объемно-центрированной кубической решеткой (ОЦК). Температура плавления титана 1669 ^оС.

Несмотря на высокую  температуру плавления, чистый титан  не является жаропрочным материалом, т.к. при повышении температуры  до 250 ^оС, предел прочности снижается почти в 2 раза. Титан обладает склонностью к ползучести.

Титан по коррозионной стойкости  на воздухе, при очень высоких  температурах, а также во многих агресивных средах превосходит большинство  нержавеющих сталей. Повышение темпратуры снижает стойкость титана. Это  объясняется образованием на его  поверхности весьма плотной и прочной окисной пленки защищающей металл.

Титан устойчив против азотной  кислоты, перекиси водорода, разбавленой  серной кислоты, уксусной и молочной кислот, сернистого газа, сухой и  влажной хлороной атмосферы, а так  же в растворах хлорида меди, железа, магния. натрия, цинка и т.п.

На титан и его  сплавы активно действует только дымящаяся азотная кислота. Титан  слабо реагирует с крепкой  соляной, ортофосфорной, плавиковой. лимонной, щавелевой и муравьиной кислотами.

Исключительно ценными свойством титана и его сплавов является коррозионная стойкость в воде, в том числе и в морской.

Механические  свойства титана сильно зависят от наличия примесей, особенно Н, О, N, C, которые образуют с титаном твердые растворы внедрения и промежуточные фазы: гидриды, оксиды, нитриды, карбиды.

Чистейший йодидный титан  получают методом термической диссоциации  четырехйодидного титана, а также  методом зонной плавки и он содержит примесей менее 0,093 %.

Чистый йодидный титан имеет прочность s_в = 270 МПа, пластичность d = 55 %, модуль упругости Е = 112000 МПа. С уменьшением чистоты прочность повышается до s_в = 300 - 350 МПа, а пластичность падает до d = 15 - 25 %.

Технический титан маркируется (ГОСТ 19807-74) в зависимости от содержания примесей: ВТ1-00 (сумма примесей менее 0,398 %), ВТ1-0 (сумма примесей менее 0,55).

Рис. 8.1 - Микроструктура отожженного титтана ВТ1-1, х600.

Для улучшения прочностных  и пластических свойств титан  легируется различными элементами, содержание которых, в общей сложности, не превышает 10 - 15 %. Легирующие элементы смещают  температуру аллотропического превращения  титана.

Титановые сплавы в зависимости от состава и назначения можно подвергать отжигу, закалке, старению, химико-термической обработке (азотированию, цементации).

Преимуществом титановых  сплавов по сравнению с техническим  титаном являются следующие технологические свойства:

• высокий предел прочности и высокий предел текучести, близкий к пределу прочности, что определяет узкий диапазон пластического деформирования и высокую упругую отдачу материала;
• высокая удельная прочность;
• жаропрочность;
• низкая пластичность при комнатной температуре;
• жаростойкость и достаточно хорошая пластичность при высоких температурах;
• высокая чувствительность к поверхностным дефектам;
• высокая коррозионная стойкость;
• высокая чувствительность механических свойств к параметрам микроструктуры, что предъявляет строго регламентированные требования к качеству исходных полуфабрикатов.

8.1.2. Классификация титановых сплавов

Титановые сплавы классифицируются:

• по технологии изготовления на деформируемые, литейные и изготовленные методами порошковой металлургии;
• по способу упрочнения на термически упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой;
• по структуре на однофазные a - сплавы (не содержат b - стабилизаторов); псевдо - a - сплавы (коэффициент b - стабилизации не более 0,25); (a +b ) - сплавы (коэффициент b - стабилизации от 0,3 до 0,9) (рис. 8.2); псевдо - b - сплавы (коэффициент b - стабилизации от1,4 до 4,4) и b - сплавы (коэффициент b - стабилизации > 2,5).

Рис. 8.2 - Микроструктура сплава ВТ3-1, х500: а) после отжига; б) после  закалки, 800 ^оС; в) после старения при 480 ^оС.

Для маркировки деформируемых титановых сплавов (ГОСТ 19807-74) используется буквенно-цифровой код. Сплавы, в которых оснвными легирующими добавками является алюминий и марганец, маркируются ОТ4-0, ОТ4-1, ОТ4; сплавы, легированные алюминием или алюминием и вольфрамом, маркируются ВТ5, ВТ5-1, ВТ3-1, ВТ6,ВТ9 и т.д.. Стоящие за буквами цифры являются условным порядковым номером.

Особенности маркировки литейных титановых сплавов –  наличие буквы Л в конце  обозначения марки: ВТ5Л, ВТ3-1Л, ВТ20Л  и др.

Для изготовления деталей  методом порошковой металлургии  используют сплавы ВТ5, ВТ5-1, ОТ4, ВТ3-1 и др. Маркировка порошковых сплавов сохраняется без изменений.

Титановые сплавы имеют  хорошие литейные свойства. Небольшой  температурный интервал кристаллизации обеспечивает им высокую жидкотекучесть и хорошую плотность отливки. Он обладают малой склонностью к образованию горячих трещин и небольшой линейной усадкой (1%). Объемная усадка составляет около 3%.

Недостатками литейных титановых сплавов является большая склонность к поглощению газов и высокая активность при взаимодействии со всеми формовочными материалами, Поэтому их плавка и разливка ведется в вакууме или среде нейтральных газов. Для получения крупных фасонных отливок (до 300-500 кг) используют чугунные и стальные формы. Мелкие детали отливают в оболочковые формы, изготовленные из специальных смесей.

Для фасонного литья  применяются сплавы, аналогичные  по химическому составу некоторым  деформируемым (ВТ5Л, ВТ3-1Л), а также  специальные литейные сплавы (ВТЛ1, ВТ21Л).

Литейные сплавы обладают более низкими механическими  свойствами, чем соответствующие деформируемые

8.1.3. Назначение титана и титановых  сплавов

Титан благодаря способности  к газонасыщению нашел применение в радио- и электронной промышленности в качестве геттерого материала. Геттеры предназначены для повышения вакуума в электронных лампах.

Технический титан хорошо обрабатывается давлением, из него изготавливают  все виды пресованного и катанного  полуфабриката: листы, трубы, проволку и др.

Титан хорошо сваривается  аргоно-дуговой и точечной сваркой. Сварной шов обладает хорошим сочетание прочности и пластичности. Прочность шва составляет 90 % от прочности основного металла.

Технический титан как  конструкционный материал в общем  машиностроении имеет ограниченное применение из-за высокой стоимости, а в авиации и ракетостроении – вследствие невысокой жаропрочности.

Основными недостатками титана и его сплавов являются:

• высокая способность при повышенных температурах к взаимодействию со всеми газами. в том числе с O, N, H, а также с материалами плавильных печей;
• сильная склонность к водородной хрупкости;
• невысокие антифрикционные свойства;
• плохая обрабатываемость резаньем;
• невысокая жесткость конструкции из-за низкого значения модуля упругости.

Важнейшими областями  использования титановых сплавов  являются следующие.