Влияние пластической деформации и дисперсионного твердения на свойства бериллиевой бронзы » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Влияние пластической деформации и дисперсионного твердения на свойства бериллиевой бронзы

13.06.2021

Холодная пластическая деформация закаленной бериллиевой бронзы приводит к значительному изменению физико-механических свойств (рис. 256). Прежде всего, обращает на себя внимание значительное повышение удельного электросопротивления, которое может быть результатом расщепления дислокаций, а возможно, и образования плоских скоплений из атомов бериллия по механизму Сузуки на этих дефектах укладки, плотность которых с увеличением содержания бериллия растет.

Деформация сплава Cu—Be создает ячеистую субструктуру; плотность дисклокаций на границах —10в11 см-2.

Появление дефектов укладки, наряду с сегрегациями, вокруг дислокаций, которые можно рассматривать как начальную стадию распада твердого раствора и, наконец, сильно возросшая общая плотность дислокаций, о которой можно судить по величине физического уширения дифракционных линий и данным электронной микроскопии, служат причиной сильного деформационного упрочнения бериллиевой бронзы. Достаточно указать, что в результате пластической деформации, даже на 5%, предел упругости возрастает почти в 3 раза при увеличении твердости в 1,5 раза.
Влияние пластической деформации и дисперсионного твердения на свойства бериллиевой бронзы

Характерная особенность состояния, достигаемого в закаленной бериллиевой бронзе в результате наклепа прокаткой, — высокая степень неравномерности распределения зональных напряжений и дислокаций. Об этом свидетельствуют резкая анизотропия предела упругости и анизотропия (правда, значительно меньшая) удельного электросопротивления.

Так, в поперечном направлении предел упругости (измеренных на изгибе) (о0,005) закаленной и деформированной с обжатием 20 и 50% бронзы Бр.БНТ1,9 составляет соответственно 450 и 570 Мн/м2 (т. е. 46 и 58 кГ/мм2), а в продольном направлении заметно меньше — 340 и 410 Мн/м2 (т. е. 35 и 42 к Г/мм2). После деформации выявляется и анизотропия электросопротивления, которое в поперечном направлении составляет 0,114 и 0,117 мком*м, тогда как в продольном 0,111 и 0,112 мком*м соответственно (табл. 50). После старения при 300 или 370° С бронзы, деформированной с обжатием 50%, максимальные значения предела упругости (о0,005), равные 1155 и 1180 Мн/м2 (т. е. 118 и 120 кГ/мм2), и наиболее низкое Электросопротивление (0,064 мком*м) также наблюдаются в поперечном направлении, но относительно наибольшее увеличение предела упругости после старения (о0,005), равное 1020 и 1040 Мн/м2 (т. е. 103 и 106 кГ/мм2), обнаруживается на продольных образцах. После старения анизотропия электросопротивления не обнаруживается, тогда как анизотропия предела упругости еще отмечается.

Интересно, что после холодной пластической деформации отожженной бронзы (температура 780° С, 2 ч и охлаждение с печью) получается почти такая же анизотропия предела упругости (о0,005), как и после деформации закаленной бронзы, при несколько более высоких его абсолютных значениях.

Исследования микропластической деформации в бериллиевой бронзе (1,9% Be и 0,2% Co) показали, что напряжения трения решетки после закалки или после закалки и холодной пластической деформации (прокатки с обжатием 40%) практически одинаковы (1,86—3,23 Мн/м2, или 0,19—0,33 кГ/мм2). Это напряжение также почти не изменяется и после старения (1,96—4,7 Мн/м2, т. е. 0,20—0,48 кГ/мм2). Приведенные данные свидетельствуют о том, что во всех указанных состояниях некоторые дислокации могут двигаться свободно в деформированном сплаве — в объеме ячеек, где плотность дислокаций мала, а после старения вследствие сильного уменьшения плотности дислокаций — не перерезая выделений. Определенный интерес представляют и данные о пределе микротекучести бронзы, т. е. напряжении, при котором петля гистерезиса из замкнутой превращается в незамкнутую. Как и следовало ожидать, предел микротекучести бронзы в результате деформации сильно возрастает — с 10 Мн/м2 (1,12 кГ/мм2) до 54,8 Мн/м2 (5,6 кГ/мм2) — и увеличивается степень упрочнения в области микропластической деформации.

Однако после старения при 325° С, 2 ч, когда растет сопротивление малым и большим пластическим деформациям, предел микротекучести сильно снижается (с 54,8 до 30,9 Мн/м2, с 5,6 до 3,15 кГ/мм2), что можно объяснить уменьшением плотности дислокаций После более длительного старения эта характеристика заметно возрастает, достигая того же значения, которое характерно для деформированной бронзы до старения.

Для бронзы после старения характерно наличие трех стадий на кривой деформации: стадия А — легкого скольжения в участках, свободных от выделений; стадия В — сильного деформационного упрочнения и стадия С — развития микро- или малой пластической деформации. Интенсивность протекания этих стадий различна после разных режимов обработки. В частности, с ростом продолжительности старения растет интенсивность деформационного упрочнения (стадия В) вследствие уменьшения размеров областей, не содержащих выделений. Стадии А и В, по мнению авторов работы, определяются механизмом исчерпывания дислокаций, что подтверждается опытами по повторному нагружению при испытании закаленной и состаренной бронзы. Стадия С близка к области макропластической деформации и определяется напряжением, при котором дислокации во всем образце могут двигаться через частицы выделений или, вернее, между ними.

Сопоставление развития микропластических деформаций в бериллиевой бронзе после закалки, холодной деформации и старения при 315° С, 2 ч, а также после закалки и того же старения, если не считать несколько сниженного предела микротекучести (рис. 257), предварительно деформированная бронза превосходит недеформированную, что свидетельствует о несомненных преимуществах применения ТМО.

Данные о поведении бронзы в области микропластической деформации подтверждаются результатами изучения микроструктуры с использованием микрорентгенодифракционного анализа и электронной микроскопии «на просвет».

По данным, в структуре бериллиевой бронзы (1,9% Be и 0,2% Co), подвергнутой после закалки холодной прокатке с обжатием 40%, после старения при 315° С, 15 мин появляются зоны толщиной в 1—2 атома по плоскостям {200} матрицы (как и в недеформированной бронзе) и мелкие рекристаллизованные зерна, содержащие двойники отжига при общем значительном уменьшении плотности дислокаций. С увеличением продолжительности старения число и размеры рекристаллизованных зерен и двойников отжига растут. После старения при 315° С, 2 ч дифракционный эффект от присутствия зон наблюдается только в 10% исследованных полей образца. Автор объясняет это тем, что зоны стали размером больше критического, но все же недостаточно крупными, чтобы дать самостоятельный дифракционный эффект. Важно указать, что выделения в деформированной бронзе распределяются довольно неравномерно и некоторые рекристаллизованные участки относительно свободны от них. В то же время при старении недеформированной бронзы распределение выделений в объеме зерен более равномерное, но по границам зерен выделения более крупные и могут соответствовать стадии перестаривания. После старения при 315° С, 24 ч распределение выделений в структуре деформированной бронзы не соответствует картине распределения дислокаций в состоянии до старения.

Превращение деформированной бронзы марки Бр.Б2,5 или Бр.Б HT1,9 при отпуске (рис. 258, 259) характеризуется значительно более высокой скоростью упрочнения, чем недеформированная. Это связано с большой скоростью распада деформированного твердого раствора вследствие наличия дефектов, созданных пластической деформацией, ускоряющих диффузионные процессы и облегчающих зарождение областей новой фазы. Это влияние предшествующей пластической деформации проявляется уже при обжатии -10% и заметно не усиливается при увеличении обжатия (см. табл. 52).

Непрерывное ускорение упрочнения дисперсионно твердеющих сплавов при увеличении степени их деформации возможно только при сохранении одного и того же структурного механизма распада пересыщенного твердого раствора. При значительной степени деформации состояние твердого раствора медь — бериллий сильно изменяется из-за роста плотности дефектов и изменения атомного распределения. Можно ожидать, что атомный механизм превращения не изменяется при деформации 10%, но претерпевает изменения после более сильной деформации (30 и 50%). Микроанализ показывает, что распад деформированного твердого раствора в отличие от недеформированного протекает более равномерно по объему и границам зерен, и это способствует более высокому упрочнению.

Об ускоренном распаде деформированного твердого раствора можно судить по величине снижения удельного электросопротивления, которая при отпуске равной продолжительности оказывается в данном случае больше, чем в случае недеформированной бронзы. Однако абсолютные значения электросопротивления деформированной бронзы несколько выше.

Абсолютная величина упрочнения после термомеханической обработки (закалка, деформация, отпуск) выше, чем после обычной двойной термической обработки.

Отпуск деформированной бронзы Бр.Б2,5 ведет не только к росту предела упругости, но и к сильному снижению упругого последействия. Так, поданным, отпуск при 250° С бронзы, предварительно деформированной с обжатием 40%, снижает прямое упругое последействие за 10 мин (напряжение 510 Мн/м2, или 52 кГ/мм2) с 1,81 до 0,12%, причем увеличение выдержки до 60 мин значительно меньше влияет на упругое последействие, чем в случае неотпущенных образцов.

Примерно такие же изменения упрочнения, как в случае бронзы Бр.Б2,5, наблюдаются при отпуске деформированной бронзы с добавкой титана (Бр.БНТ1,9). Однако ускоряющее действие деформации на процесс распада в этом случае меньше. Это можно отчасти объяснить тем, что в бронзе с добавкой титана, даже в недеформированном состоянии, распад твердого раствора идет более или менее равномерно по объему зерен и поэтому пластическая деформация не изменяет степени локализации распада. Данные рис. 259 и табл. 52 показывают, что максимум упрочнения деформированной бронзы Бр.БНТ1,9 достигается после более продолжительного отпуска по сравнению с бронзой с 2,5% Be (см. рис. 258). Скорость разупрочнения бериллиевой бронзы с добавкой титана при длительном отпуске также меньше, и поэтому ее можно применять до несколько более высоких температур, чем стандартные сплавы с 2 или 2,5% Be.

Судя по данным табл. 52, температура отпуска холоднодеформированной бронзы для получения максимальных значений предела упругости может изменяться в широких пределах: 300—350° С, но при этом должна быть выбрана выдержка соответствующей продолжительности.

Ленты малой толщины (20—40 мкм), подвергаемые значительным степеням обжатия, рекомендуется отпускать при 270° С, 40 мин. При этом достигаются исключительно высокие свойства прочности: ов = 1760 Мн/м2 (180 кГ/мм2), опц = 1370 Мн/м2 (140 кГ/мм2) и HV = 500-550.

Если бериллиевую бронзу после TMO подвергнуть повторной холодной пластической деформации в том же направлении, что и при первой, то наблюдается разупрочнение (рис. 260). Это разупрочнение наиболее значительно в продольном направлении [предел упругости снижается с 757 до 330 Мн/м2 (т. е. с 77 до 34 кГ/мм2)] и при этом сопровождается анизотропным повышением электросопротивления (наибольшим в продольном и наименьшим в поперечном направлении).

Повышение удельного электросопротивления может быть связано отчасти с ростом плотности дефектов укладки, но главным образом с эффектом рассасывания или растворения зон ГП или областей с упорядоченной тетрагональной структурой типа у'. Кроме того, повторный наклеп может вызвать и перераспределение дислокаций, полученных в результате предварительной обработки (закалка, деформация и отпуск).

Анизотропия предела упругости бронзы, деформированной после закалки или после закалки, деформации и отпуска, качественно одинакова, хотя абсолютные значения предела упругости в первом случае выше.

Указанный выше эффект разупрочнения как в чистых металлах, так и в твердых растворах проявляется даже после небольших деформаций и наиболее резко сказывается на величине предела упругости (рис. 277). При этом минимуму предела упругости (рис. 260) соответствует практически максимальное значение удельного электросопротивления Бр.Б2,5.

Существенно, что в то время как в результате повторного наклепа предел упругости резко падает, твердость снижается крайне мало и то только после значительных обжатий. Это свидетельствует о том, что зависимость этих свойств от структурного состояния сплавов резко различна.

Если повторно деформированную (см. рис. 260) бронзу подвергнуть дополнительному отпуску такой же продолжительности, что и до этой деформации, то наблюдается сильное повышение предела упругости при соответствующем снижении удельного электросопротивления.

Эти изменения связаны с повторным распадом твердого раствора или со структурным преобразованием областей фазы выделения, а также с изменением тонкой структуры.

Как следует из работы и данных, приведенных выше, структурное состояние бериллиевой бронзы, достигаемое в результате закалки и отпуска или закалки, деформации и отпуска, не отличается высокой устойчивостью. При пластической деформации происходит значительное разупрочнение и даже растворение (или преобразование) избыточной фазы. Однако при невысоких напряжениях, не вызывающих значительной пластической деформации, эти состояния достаточно стабильны. Об этом, в частности, свидетельствуют результаты релаксационных испытаний (см. рис. 241).

Величина релаксации напряжений у бериллиевой бронзы, подвергнутой после закалки деформации с обжатием 30% и отпуску при 350° С в течение 1 ч (рис. 241), при равных исходных напряжениях заметно ниже, чем у недеформированной. За 70 000 ч величина релаксации напряжений составила 1,4% — для бронзы с 2,5% Be и 0,9% — для бронзы марки Бр. БНТ1,9.

Таким образом, бериллиевая бронза, подвергнутая термомеханической обработке, отличается более высокой релаксационной стойкостью при высоких напряжениях в статических условиях, повышенным сопротивлением малым и большим деформациям и сниженным упругим последействием.

Термомеханическая обработка также уменьшает не только статическую, но и циклическую релаксацию, хотя величина последней, естественно, больше первой (рис. 261). Так, по данным Г.С. Ионычева (рис. 261), циклическая релаксация Бр.БНТ1,9 после TMO (закалка, деформация с обжатием 30% и старение при 320° С, 2 ч) при напряжении 620 Мн/м2 (63 кГ/мм2) и на базе 5*10в4 циклов в три раза меньше, чем после обычной двойной термической обработки (закалка и старение при 320° С, 2 ч). При этом циклическая релаксация бронзы Бр. БНТ1,9 в поперечном направлении меньше, чем в продольном.

Остаточная деформация, накапливаемая при циклическом нагружении поперечных образцов из Бр. БНТ1,9, подвергнутой TMO при напряжении, равном 0,82о0,005 [т.е. 650 Мн/м2 (66,5 кГ/мм2)], за 10в6 циклов составила 2,5*10в-4; в случае продольных образцов также при напряжении 0,82о0,002 [610 Мн/м2 (62 кГ/мм2)] и том же числе циклов она была намного больше: 4,0*10в-4. Как и в условиях статических испытаний, релаксация напряжений при циклическом нагружении бронзы Бр. БНТ1,9 меньше, чем бронзы Бр. Б2. Это положение справедливо для испытаний при 20 и 120° С.

Рост циклической релаксации бериллиевой бронзы с повышением температуры от 20 до 120° С в общем невелик. Так, после TMO у бронзы Бр.Б2,5 величина деформации при напряжении о0 = 550 Мн/м2 (56 кГ/мм2) на базе 5*10в4 у циклов с повышением температуры от 20 до 120° С увеличивалась на 16%. У бронзы Бр. Б2 при о0 = 610 Мн/м2 (62 кГ/мм2) и базе 10в3 циклов деформации при повышении температуры от 20 до 120° С выросла с 3,5*10в-4 до 4,1*10в-4%, т. е. на 20%. У бронзы Бр.БНТ1,9 рост циклической релаксации при повышении температуры с 20 до 120° С составил только 13%.

Этот результат находится в соответствии с данными испытаний на ползучесть, которые показали, что бронзу Бр. БНТ1,9 можно применять до 150° С. Приведенные ранее данные также показали, что бронза Бр.БНТ1,9 является наиболее теплостойкой по сравнению с бериллием и бронзой других стандартных марок. Понижение температуры от 20 до -60° С практически не влияет на изменение величины циклической релаксации, определяющей стабильность упругих элементов при их службе в условиях циклического нагружения. Как показано Г.С. Ионычевым, электрополирование бронзы Бр. БНТ1,9 (снятие с обеих сторон образца слоя толщиной 10—15 мкм), подвергнутой термомеханической обработке по режиму: закалка, холодная пластическая деформация (прокаткой) с обжатием 30% и старение при 320° С, позволяет резко, почти в два раза, снизить циклическую релаксацию. Этот результат наряду с приведенными выше данными о влиянии электрополирования на свойства бронзы при статическом нагружении свидетельствует о целесообразности применения поверхностной обработки этого вида.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: