Основные направления повышения свойств пружинных сплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Основные направления повышения свойств пружинных сплавов

10.06.2021

Повышение порога упругости, а также пределов микротекучести или упругости означает рост эффективности препятствий не только для необратимого, но и для обратимого движения дислокаций. Отсюда следует, что с повышением предела упругости при заданной величине приложенных напряжений не только будет уменьшаться вероятность возникновения остаточной деформации при случайных перегрузках, но и будут в меньшей степени развиваться такие неупругие явления, как гистерезис и упругое последействие. Наконец, будет возрастать и релаксационная стойкость сплавов. Можно также ожидать, что при высоком качестве упругого элемента и отсутствии в нем концентраторов напряжений его предел выносливости будет определяться величиной порога (предела) упругости. Это предположение получило определенное подтверждение, хотя в большинстве случаев отмечают наличие корреляционной связи между пределом выносливости и пределом прочности.

По этим причинам основное внимание следует уделять изучению путей повышения предела упругости сплавов с разной природой упрочнения:

1) мартенситное превращение;

2) деформационный наклеп;

3) образование сегрегаций в отдельных областях решетки или на дефектах решетки;

4) выделение второй, более прочной фазы.

Теория дислокаций показывает, что изменения в строении металла на начальных стадиях пластической деформации, соответствующие пределу упругости (микротекучести), резко отличаются от изменений при значительной пластической деформации, отвечающей определению пределов текучести и прочности или твердости. Различное структурное состояние сплавов, возникающее при определении свойств, характеризующих сопротивление малым и большим пластическим деформациям, т. е. предела упругости и предела прочности (или предела текучести и твердости). Это проявляется, в частности, в том, что модуль упрочнения в области микропластической деформации значительно выше, чем при макропластической; различным оказывается и влияние величины зерна. Различие в структурном состоянии можно иллюстрировать и тем, что зависимость этих свойств в функции различных параметров обработки сплавов носит неодинаковый характер. Например, при небольших степенях наклепа предел упругости снижается вследствие размножения легкоподвижных дислокаций, а предел текучести растет. Если в процессе отпуска закаленной стали с ростом его температуры или продолжительности пределы текучести и прочности снижаются почти непрерывно, то предел упругости сначала значительно возрастает вплоть до определенных температур (или при определенных выдержках в изотермических условиях) и лишь затем снижается. Легирование некоторых сплавов, в частности железа, также по-разному влияет на сопротивление металла малым и большим пластическим деформациям, причем обычно более сильно именно на последние свойства.

Это различие объясняется тем, что основные свойства пружинных сплавов в более сильной степени зависят от их тонкого строения — количества и главным образом распределения дефектов, атомов примесей, избыточных фаз и т. д. — и от изменения этого строения при нагружении. При этом особенно важное значение имеет степень развития поперечного скольжения.

Для достижения высоких значений пределов прочности и текучести надо создать в сплаве высокое сопротивление в среднем для движения большинства дислокаций, тогда как для повышения сопротивления малым пластическим деформациям — основной характеристики пружинных сплавов — должны быть созданы препятствия для перемещения практически всех дислокаций. При этом необходимо использовать всевозможные средства, способствующие их эффективному торможению: легирование твердого раствора, приводящее к повышению сопротивления кристаллической решетки движению дислокаций; деформационный или фазовый наклеп, в результате чего возникает определенная дислокационная внутризеренная структура; создание сегрегаций на дефектах; введение дисперсных и равномерно распределенных частиц карбидной или интерметаллидной фазы, или, наконец, создание в высоколегированных сплавах определенной степени упорядочения.

По-видимому, решающим здесь является создание определенной субструктуры зерен, которую в первую очередь следует характеризовать плотностью и распределением дислокаций, а также степенью их закрепления.

Справедливость этого положения экспериментально подтверждается тем, что на его основе разработаны новые составы и методы обработки, которые, как будет показано ниже, обеспечивают получение высоких свойств пружинных сплавов.

Наиболее плодотворный путь повышения свойств известных пружинных сплавов и создания новых — сочетание различных методов упрочнения при обработке одного сплава. Эффективность применения комплексных методов упрочнения можно иллюстрировать на примере патентированной пружинной проволоки, отличающейся, как известно, высоким сопротивлением малым и большим пластическим деформациям. Упрочнение патентированной проволоки достигается одновременным использованием фазового наклепа (хотя и небольшого) при перлитном превращении, влияния частиц второй более прочной фазы (цементит) за счет повышенного содержания углерода, деформационного наклепа при волочении и старения при низкотемпературном отпуске.

Из комплексных методов упрочнения важное значение для пружинных сплавов, особенно в последнее время, приобрела термомеханическая обработка. Эта обработка, основанная на совмещении по крайней мере двух основных механизмов упрочнения — за счет фазовых (или внутрифазовых) превращений и деформационного наклепа, — эффективна для пружинных сплавов всех классов: однофазных твердых растворов, дисперсионно твердеющих или закаливаемых на мартенсит сплавов.

Известно, что после деформационного наклепа дислокации распределяются неравномерно, независимо от того, возникает при этом ячеистая структура в результате сильно развитого поперечного скольжения или образуются плоские скопления дислокаций (если в металлах с гранецентрированной решеткой мала энергия дефектов укладки). Следовательно, только один деформационный наклеп сплавов не может обеспечить высокого сопротивления малым пластическим деформациям. В связи с этим необходимо совмещение наклепа с последующей термической обработкой — отжигом, в процессе которой достигается перераспределение дислокаций под действием термически активируемого поперечного скольжения и переползания. В этом случае образуются полигонизованные субзерна или фиксируются уже начальные стадии рекристаллизации, когда возникают малоподвижные малоугловые границы. Малоугловые и асимметричные границы субзерен служат препятствием для движения дислокаций и не могут далеко перемещаться сами, когда они связаны в единую сетку или когда на пути их движения находятся препятствия. Эти субграницы (или границы) могут блокировать дислокации, генерируемые источниками при напряжениях, отвечающих пределу упругости. Поэтому образование субграниц, связывающих легкоподвижные дислокации в устойчивые системы, играющие роль препятствий, особенно важно для пружинных сплавов. Помимо того что в процессе термической обработки деформированных сплавов образуется полигонизованная субструктура на их дефектах строения и в том числе субграницах, усиливаются или возникают различные сегрегации из атомов растворенных компонентов. Эти изменения атомного распределения способствуют упрочнению, особенно повышению сопротивления малым пластическим деформациям.

Анализ показывает, что совмещение деформационного наклепа и термической обработки для сплавов разного состава и разных структурных классов следует осуществлять в различной последовательности; виды термической обработки и условия деформации также могут различаться.

Для улучшения свойств многих пружинных сталей и сплавов, особенно эффективно использование мартенситного превращения, которое вызывает сильное упрочнение благодаря одновременному действию нескольких структурных процессов — измельчения зерна, фазового наклепа, ведущего к получению особой сильно фрагментированной субструктуры, созданной дислокациями и (или) внутренними двойниками, образования пересыщенного углеродом a-твердого раствора, в котором в процессе закалки или во время выдержки после нее происходят процессы перераспределения атомов углерода, ведущие к разупорядочению, образованию сегрегаций на дислокациях или границах двойников или даже к выделению частиц карбидов.

Упрочнение за счет мартенситного превращения может быть дополнительно повышено путем значительного измельчения зерна в результате повторной закалки стали с метастабильной структурой в условиях скоростного нагрева.

Работы последних лет показали высокую эффективность сочетания деформационного наклепа аустенита с последующим его мартенситным превращением, т. е. высокотемпературной и низкотемпературной термомеханической обработки.

Структурными исследованиями мартенсита, полученного в результате термомеханической обработки, установлено, что он имеет иную субструктуру — размер фрагментов заметно меньше, а степень разориентировки на границах фрагментов значительно больше, чем у обычно закаленного мартенсита. Кроме того, перераспределение атомов углерода, которое, по-видимому, происходит при деформации аустенита, еще более усиливается при последующем мартенситном превращении. В этом случае, по-видимому, наблюдается не только перемещение атомов углерода к дислокациям, но и образование частиц (областей) карбидной фазы. По данным М.Л. Бернштейна и Л.М. Капуткиной, BTMO усиливает двухфазный распад мартенсита в процессе закалки. Можно предположить, что в мартенсите, полученном в результате термомеханической обработки, атомы углерода не занимают упорядоченных позиций в порах решетки, с чем в определенной степени и связано повышение пластичности после ВТМО.

Эти изменения субструктуры, а также процессы, происходящие при отпуске, положительно влияют на рост сопротивления малым пластическим деформациям и релаксационную стойкость.

Важное значение для пружинных сплавов имеет также совмещение деформации мартенсита с последующим его отпуском (старением). При этом мартенсит дополнительно упрочняется за счет наклепа и взаимодействия атомов углерода с дислокациями и вакансиями как в процессе деформации, так и особенно при последующем старении (отпуске). Кроме того, в процессе деформации происходит частичное разупорядочение твердого раствора (мартенсита). Этот процесс деформационного старения мартенсита обеспечивает повышение предела упругости. Возможно также создать комбинированный процесс обработки стали, в котором будут объединены в единую технологическую схему новые процессы упрочнения. Путем повторного фазового превращения при скоростном нагреве можно получить особо мелкое зерно аустенита, далее провести термомеханическую обработку (ВТМО или НТМО) с закалкой на мартенсит, затем деформацию мартенсита и, наконец, его старение (отпуск).

В последнее время разработан новый класс пружинных материалов — мартенситно-стареющие стали. В них благодаря весьма равномерному распределению дислокаций, получаемому как при мартенситном превращении, так и в результате начальных стадий старения, когда происходит возврат, а также благодаря равномерному выделению избыточных фаз (интерметаллидов различных концентрации и кристаллического строения, зависящих от состава стали), главным образом по узлам дислокационной сетки обеспечивается исключительно высокое сопротивление малым пластическим деформациям при высоком комплексе других прочностных и пластических свойств.

Особый интерес для пружинных сплавов представляет сочетание наклепа и дисперсионного твердения. Применение наклепа после закалки, фиксирующей пересыщенный твердый раствор, позволяет получить высокое упрочнение благодаря сочетанию измельчения тонкой структуры в результате наклепа с эффектом выделения избыточной фазы. При выделении избыточной фазы в деформированной матрице растет число образующихся частиц, изменяется их форма и, наконец, их структура в направлении большей стабильности.

Совмещение процессов наклепа и старения, обеспечивая высокое упрочнение, имеет и определенные недостатки. После деформации пластичность сплавов снижается из-за неравномерного распределения дефектов и влияния значительных зональных напряжений. Поэтому эффект упрочнения от совместного действия наклепа и распада твердого раствора можно использовать только в том случае, когда пружины или другие упругие элементы просты по форме и не требуют при изготовлении значительной пластической деформации.

При оценке влияния деформационного наклепа и старения на свойства пружинных сплавов надо учитывать, что распад пересыщенного твердого раствора происходит в первую очередь и практически одновременно по границам зерен и в областях таких нарушений, как полосы скольжения, двойники деформации и т. п. В результате уже в начальные моменты старения распад твердого раствора охватывает значительную часть объема зерен, что и служит одной из причин повышения уровня упрочнения дисперсионно твердеющих сплавов, подвергнутых наклепу.

Однако полной одновременности и равномерности превращения во всем объеме сплава, по-видимому, не достигается, поскольку в субмикроучастках, где после наклепа не было скопления несовершенств, распад начинается позднее, чем в районе их скоплений, где в этот момент уже может наблюдаться перестарение.

Более равномерное упрочнение может быть получено в том случае, если при отпуске в сплавах еще до начала распада твердого раствора пройдут процессы полигонизации, приводящие к перераспределению несовершенства строения. Однако для этого необходимо, чтобы скорость распада была заметно меньше скорости перераспределения дислокаций.

Возможен и другой, описанный ниже, метод использования упрочнения от наклепа и дисперсионного твердения, названный двойной термомеханической обработкой, особенно пригодный для изделий или полуфабрикатов малого сечения. Этот метод, в котором разъединены технологические операции пластической деформации, полигонизации и старения, позволяет более точно регламентировать условия проведения пластической деформации и термической обработки, чем в случае осуществления горячей пластической деформации при температурах образования однородного твердого раствора и закалки, фиксирующей полигонизованную субструктуру. Сначала сплав закаливают на пересыщенный твердый раствор, затем проводят холодную пластическую деформацию с заданной степенью обжатия и, наконец, осуществляют повторную закалку в условиях (в зависимости от степени деформации), при которых в процессе нагрева и выдержки не выделяется избыточная фаза, но развиваются процессы полигонизации или начальные стадии рекристаллизации. Такое изменение субструктуры сплава приводит главным образом к увеличению сопротивления малым пластическим деформациям, обеспечивая при этом повышенную пластичность по сравнению с деформированным состоянием. Поэтому сплав может быть подвергнут таким операциям, как штамповка, гибка и т. п.

В процессе последующего отпуска происходит дополнительное и притом равномерное упрочнение, поскольку частицы фазы выделения почти одновременно возникают по границам субзерен или блоков и по границам зерен. Этот метод термомеханической обработки наиболее пригоден именно для пружинных сплавов, поскольку только при напряжениях, не вызывающих значительной пластической деформации, дислокационные субграницы могут оказывать значительное сопротивление движению генерируемых дислокаций.

Другой путь улучшения свойств пружинных сплавов, также основанный на совмещении нескольких механизмов упрочнения — это легирование. Легирование улучшает технологические характеристики стали, что также повышает свойства изделий. Общие закономерности влияния легирующих элементов на структуру и свойства конструкционных сталей можно считать установленными и они остаются справедливыми и для пружинных сталей.

Вместе с тем, как показывают проведенные исследования, легирующие элементы — никель, ванадий, кремний, хром — незначительно повышают сопротивление макропластическим деформациям (порог упругости) не только твердых растворов на основе железа, но и сталей. В то же время они сильно влияют на модуль упрочнения сталей в области микропластических, малых, а также повышенных пластических деформаций, так как задерживают поперечное скольжение дислокаций. Поэтому для пружинных сталей должен быть принят несколько иной подход к выбору легирующих элементов, так как основная цель их введения в сталь, кроме улучшения технологических свойств, заключается, по-видимому, в повышении стабильности тонкой структуры, что и обеспечивает основное преимущество легированной пружинной стали по сравнению с углеродистой — повышенную релаксационную стойкость. Поэтому в составе легированной стали должны быть элементы, повышающие энергию термической активации скольжения, а также создающие стабильные сегрегации на дислокациях или на их стенках в процессе отпуска, так как именно тогда влияние этих элементов на рост сопротивления малым пластическим деформациям окажется значительным.

Учитывая более сильное влияние состояния субструктуры на свойства пружинных сталей, в их состав целесообразно вводить поверхностно активные микродобавки, которые создадут дополнительную и притом более сильную, чем в случае атомов углерода, азота и т. д., блокировку дислокаций и их стенок или границ зерен за счет образования атмосфер или сегрегаций. Такая блокировка может быть достигнута только в том случае, если атомы растворенного вещества снижают энергию искажений в указанных областях несовершенного строения. При образовании сегрегаций может быть также существенно изменится электронная конфигурация атомов, что приведет к дополнительному химическому взаимодействию. Для рационального выбора микролегирующих элементов в данном сплаве целесообразно воспользоваться критерием обобщенного статистического момента, предложенного С.Н. Задумкиным. Поверхностно активным (горофильным) будет тот компонент, атомы которого по сравнению с атомами других компонентов обладают самым низким обобщенным статистическим моментом.

Возникновение сегрегаций, снижающих энергию искажений, должно привести к повышению стабильности тонкой структуры не только в термодинамическом, но и в механическом смысле, т. е. в отношении сохранения конфигурации дислокационной структуры при приложении внешних сил. Отсюда следует, что введение поверхностно активных микродобавок и особенно образующих твердые растворы внедрения должно более сильно влиять именно на основные свойства пружинных сплавов — сопротивление малым пластическим деформациям и релаксационную устойчивость.

Введение горофильных элементов может привести к существенному изменению энергии дефектов упаковки и таким образом оказать сильное влияние на характер дислокационной структуры, формирующейся в процессе пластической деформации или фазового превращения.

Проблема микролегирования как метода дополнительного упрочнения имеет первостепенное значение не только для пружинных сталей перлитного или мартенситного класса, но и для дисперсионно твердеющих сплавов аустенитного класса, сплавов меди и др., применение которых позволяет достигнуть высоких упругих свойств в определенном сочетании с физико-химическими характеристиками (высокая электропроводность, немагнитность, коррозионная стойкость и т. п.) и высокими технологическими свойствами (особенно пластичностью в закаленном состоянии), обеспечивающими изготовление упругих элементов точной формы и размеров.

Введение микродобавок в эти сплавы, помимо чисто металлургического (рафинирующего) эффекта и отмеченного выше влияния на стабильность субструктуры и повышения сопротивления малым пластическим деформациям, а также релаксации напряжений, имеет и другое важное значение. Поверхностно активные добавки, склонные к положительной внутренней адсорбции, замедляют распад пересыщенных твердых растворов и тем самым уравнивают скорость превращения в пределах зерна и границ в граничных зонах. Этот эффект может быть связан как с изменением строения граничных слоев, так и с ростом сил межатомного взаимодействия и тем самым с увеличением энергии активации диффузии компонентов. Кроме того, поверхностно активные добавки могут изменять структурную картину распада, способствуя развитию непрерывного (общего) выделения взамен прерывистого.

Таким образом, микродобавки могут повышать сопротивление малым пластическим деформациям и непосредственно вследствие более сильного блокирования дислокаций в результате образования эффективных сегрегаций, и косвенно вследствие равномерного и непрерывного по объему сплава распада пересыщенного твердого раствора.

Приведенные выше соображения о свойствах, составе и обработке пружинных сплавов показывают определенные возможности улучшения их свойств путем рационального изменения их состава, а также использования новых методов термической и термомеханической обработок, объединяющих различные способы упрочнения в одном сплаве.

При разработке и выборе оптимальных режимов обработки пружинных сплавов надо учитывать сопротивление малым пластическим деформациям, релаксационную стойкость и степень развития неупругих эффектов, что особенно важно для упругих элементов приборов.

Для упругих элементов машин, механизмов и аппаратов, работающих в условиях низких температур, динамических или циклических и притом с большой скоростью изменяющихся напряжений, необходимо также добиваться высокого сопротивления хрупкому разрушению. Эта характеристика конструктивной прочности упругих элементов не имеет первостепенного значения в случае их изготовления из безуглеродистых аустенитных и мартенситно-стареющих сталей, а также сплавов на основе меди, так как эти сплавы обычно не обнаруживают склонности к хрупкому разрушению. Однако при изготовлении упругих элементов из углеродсодержащих сталей необходимо учитывать возможность появления хрупкого разрушения, которому способствует присутствие в сплавах примесей, их природа, количество и распределение. Поэтому важно улучшение металлургического качества сплавов путем применения новых, более совершенных методов выплавки с использованием более чистых исходных материалов.

Большую роль играют и структурные факторы — присутствие и распределение избыточных фаз (по границам или в объеме зерен) и, наконец, субструктура сплавов.

Исследование механизма хрупкого разрушения показывает, что причиной его часто бывает возникновение скоплений дислокаций и появление вследствие этого значительных локальных полей упругих напряжений. Поэтому в целях предотвращения зарождения и развития хрупкой трещины необходимо создавать условия для релаксации этих напряжений путем пластической (обычно микропластической) деформации.

Очевидно, что если сплав будет обладать очень высоким сопротивлением малым пластическим деформациям и высокой релаксационной стойкостью, то при разрядке локальных напряжений во время работы упругого элемента в указанных выше условиях может возникнуть хрупкая трещина — очаг хрупкого разрушения. Чтобы воспрепятствовать этому, иногда приходится снижать предел упругости и релаксационную стойкость, т. е. именно те характеристики, которые должны быть максимальными в пружинном сплаве. Поэтому приходится снижать твердость пружин по сравнению со значением, отвечающим максимуму предела упругости, что достигается повышением температуры отпуска закаленных на мартенсит углеродсодержащих сталей.

В случае сталей, полученных с применением более совершенных методов выплавки и содержащих меньшее количество примесей и включений и поэтому менее склонных к хрупкому разрушению, можно назначать более высокие нормы твердости, т. е. применять отпуск при более низких температурах, которые могут соответствовать достижению максимума предела упругости. Для уменьшения склонности к хрупкому разрушению упругих элементов из дисперсионно твердеющих сплавов режимы их старения выбирают таким образом, чтобы механизм пластической деформации, возникающей при нагружении, соответствовал переходу от стадии перерезания частиц избыточных фаз (или зон) к стадии огибания этих частиц, что приводит к равномерному распределению дислокаций.

Для высокого сопротивления хрупкому разрушению также необходимо, чтобы сплавы обладали мелким зерном, однородной структурой и в том числе равномерным распределением избыточных фаз, однородной субструктурой без локальных скоплений дислокаций и других дефектов кристаллического строения.

Поэтому вопрос о выборе рациональных режимов обработки пружинных сплавов — весьма сложен и, помимо состава сплава, его металлургического качества, структуры и субструктуры и их изменения в процессе нагружения, приходится учитывать конкретное назначение, конструкцию и условия службы упругих элементов.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: