Отжиг оловянных бронз

Низкотемпературный отжиг деформированных оловянных бронз, как и латуней, повышает модуль упругости образцов (особенно вырезанных в поперечном направлении) и предел упругости (рис. 282).

Как и в случае латуни, предел упругости оловянных бронз после отжига возрастает в тем большей степени, чем выше была степень предшествующей пластической деформации. Так, в случае бронзы Бр. ОЦ4-3 с увеличением обжатия от 20 до 40, 60 и 80% отжиг повышает предел упругости (о0,005) на 24,5; 64,6; 80,8 и 141 Мн/м2 (2,5; 6,6; 8,2 и 14,4 кГ/мм2) соответственно. После отжига во всем исследованном интервале температур повышению предела упругости отвечает и рост модуля упругости. Максимальный предел упругости бронзы Бр. ОЦ4-3 соответствует отжигу при 150—200° С (табл. 61).

У бронзы Бр. ОФ 4-0,25 максимумы предела и модуля упругости достигаются после отжига при 175° С в течение 30 мин, а у бронзы Бр. ОФ6,5-0,15 — после отжига при 250° С в течение 30—60 мин.

При решении вопроса о выборе рационального режима отжига оловянно-фосфористой бронзы Бр. 006,5-0,15 надо учитывать, что отжиг при 250° С, повышая предел упругости, не снижает и сопротивления большим пластическим деформациям (твердость).

Остаточные напряжения в деформированной бронзе невелики — до 30 Мн/м2 (3 кГ/мм2) и после отжига снижаются до 15 Мн/м2 (1,5 кГ/мм2). Таким образом, рост предела упругости за счет этого снижения может быть незначительным. При отжиге деформированной оловянной бронзы также происходят диффузионные перемещения атомов компонентов, но о природе этих процессов имеется мало данных. Согласно, в деформированной оловянной бронзе при отжиге можно ожидать выделения избыточной фазы, обогащенной оловом. Об этом свидетельствует довольно заметное понижение удельного электросопротивления при отжиге (см. рис. 271). По данным работы, при электронномикроскопическом исследовании деформированной оловянной бронзы после отжига при температурах 50° С и выше обнаруживается сильное деформационное старение по Коттреллу. А.М. Рябышевым показано, что при отжиге также происходит перестройка дефектов строения по типу полигонизации, что ведет к росту сопротивления малым пластическим деформациям.

Сопоставление свойств оловянной бронзы основных составов показывает, что все они после отжига имеют достаточно близкие свойства, но все же при этом более высокие свойства достигаются у бронзы Бр.ОФ6,5-0,15. Наибольший рост предела упругости по сравнению с деформированным состоянием отмечен у бронзы с 4% Sn и 0,25% Р.

Структурное состояние оловянной бронзы после деформации иное, чем латуни. Это проявляется в том, что дополнительная деформация растяжением проволоки из бронзы Бр.Оф4-0,25 не снижает (как в случае латуни), а даже несколько повышает предел упругости: T0,005 растет от 160 до 165 Мн/м2 (от 16,5 до 17,0 кГ/мм2). Если проволоку из этой бронзы отжигать при 200°С в течение 30 мин, то предел упругости возрастает до 185 Мн/м2 (19,0 кГ/мм2), а после дополнительной деформации растяжением снижается, но при этом в отличие от латуни и никеля только до 170 Мн/м2 (17,5 кГ/мм2), т. е. величины, которая и наблюдалась до отжига.

Эти данные свидетельствуют о значительно большей стабильности структурного состояния и свойств оловянной бронзы по сравнению с латунью (особенно после деформации). Дополнительным показателем стабильности состояния и свойств оловянной бронзы является ее релаксационная стойкость в деформированном состоянии и после низкотемпературного отжига (рис. 283).

При кратковременных и при длительных испытаниях наибольшей релаксационной стойкостью в деформированном состоянии обладает бронза Бр.ОФ6,5-0,15. У бронзы, не содержащей фосфора (Бр.ОЦ4-3), релаксация напряжений в отожженном состоянии также ниже, чем после деформации. Эта бронза после отжига обладает лучшими свойствами по сравнению с другими оловянными бронзами (см. также табл. 56, 58, 59).

Отмеченная выше меньшая релаксационная стойкость оловянно-фосфористой бронзы после отжига связана с присутствием фосфора, но она выявляется только в результате длительного нагружения или испытаний при нагреве.

Данные работ показывают несомненное уменьшение упругого последействия Бр.ОФ6,5-0,15 на продольных образцах после низкотемпературного отжига при 300—320° С по сравнению с неотожженными при действии равных напряжений (см. табл. 56). При нагружении до напряжений, равных соответствующим значениям предела упругости отожженных и неотожженных образцов, величина прямого или обратного последействия также оказывается выше, чем у последних, хотя величина исходных напряжений у них была ниже.

Релаксация напряжений при нагреве оловянно-фосфористой бронзы после отжига при 150° С и особенно при 320° С сильно уменьшается (см. табл. 58), поскольку при этом стабильность структурного состояния, естественно, более высокая. Вместе с тем надо учитывать, что после отжига при 300—320° С снижаются предел прочности и твердость. Поэтому назначать режим отжига можно только после всесторонней оценки свойств и учета условий работы упругих элементов.

Для этой оценки важно знать поведение оловянно-фосфористой бронзы в условиях циклического нагружения. Подробные исследования в этом направлении выполнены Д.А. Прокошкиным, Г.С. Ионычевым и А.Г. Рахштадтом. Они показали, что усталостная прочность бронзы Бр.ОФ6,5-0,15 тем выше, чем больше деформационный наклеп. Поэтому пружинная лента в особо твердом состоянии (обжатие ~80%) заметно лучше (рис. 284), чем в твердом (обжатие 50%). При этом усталостная прочность, как и предел упругости полосы в направлении поперек прокатки, выше, чем в продольном направлении полосы. В остальных направлениях эти свойства имеют промежуточные значения. Вместе с тем малоцикловая выносливость (при высоких напряжениях) прокатанной ленты(обжатие 50%)выше в продольном направлении. Это можно объяснить тем, что в продольном направлении благодаря большей пластичности должна быть меньше скорость развития трещины, чем в поперечном. При большом числе циклов, соответствующем пределу выносливости, интенсивно идет перераспределение дефектов и поэтому скорость распространения трещины в разных направлениях выравнивается. В этом случае на зарождении и развитие трещин больше сказывается влияние зональных напряжений — сжимающих в поперечном и растягивающих в продольном направлении.

Дополнительный дорекристаллизационный отжиг при 250° С, 1 ч, по данным упомянутых авторов, повышает не только предел упругости, но и усталостную прочность и уменьшает анизотропию этой прочностной характеристики (рис. 285).

Между пределом упругости (о0,005) и пределом выносливости на базе 5*10в6 циклов Бр.ОФ6,5-0,15 существует четкая коррелляционная связь.

Величина циклической прочности, даже найденная в разных диапазонах напряжений, еще не определяет поведения многих типов упругих элементов — мембран, сильфонов, контактных пружин и т. д. в условиях циклического нагружения. В этом случае необходимо определять величину циклической релаксации. На рис. 286 показаны изменения остаточной деформации при циклическом нагружении в сопоставлении со статическим нагружением. Показано, что релаксация напряжений продольных образцов в статических условиях заметно выше, чем в циклических, поскольку в последнем случае уменьшаются растягивающие напряжения вследствие перераспределения дефектов строения, накапливаемых при этом нагружении. На поперечных образцах, напротив, циклическая релаксация больше статической, поскольку имеющиеся на поверхности сжимающие напряжения в процессе испытаний почти не изменяются. Применение дополнительного отжига при 250°С, 1 ч, заметно снижает величину циклической релаксации.

Таким образом, целесообразность указанного дорекристаллизационного отжига бронзы Бр.ОФ6,5-0,15 несомненна. Существенно, что бронза Бр.ОФ6,5-0,15 после дорекристаллизационного отжига характеризуется весьма незначительной циклической релаксацией, даже меньшей, чем бериллиевая бронза Бр.БНТ1,9 при нагреве до повышенных температур (120° С). Это важное достоинство оловянно-фосфористой бронзы.

Свойства упругих элементов из бронзы Бр.ОФ6,5-0,15 могут быть повышены еще больше, если после дорекристаллизационного отжига провести электрополирование со снятием поверхностного слоя определенной толщины. Снятие поверхностного слоя прокатанной ленты методом электрополирования увеличивает предел упругости. Так, при снятии слоя 10 мкм (с двух сторон образца) предел упругости (о0,002) бронзы Бр.ОФ6,5-0,15, по данным, возрастает с 320 Мн/м2 до 340 Мн/м2, т. е. с 32,5 до 34,7 кГ/мм2. Этот рост предела упругости А.М. Рябышев объясняет снижением уровней растягивающих напряжений и искажений субструктуры (рис. 287) после снятия слоя и улучшением состояния поверхности (выше чистота поверхности, меньше острота концентраторов). Электрополирование, выполненное после отжига при 280° С, 1 ч повышает предел упругости с 392 по 446 Мн/м2, т. е. с 40 до 45,5 кГ/см2, и уменьшает релаксацию напряжений в условиях статического (рис. 288) и особенно циклического нагружения.

Как показано А.М. Рябышевым, в результате электрополирования растет число гибов с перегибом. В итоге после электрополирования эта характеристика вязкости ленты в особо твердом состоянии оказывается на том же уровне, что и в твердом состоянии. Следовательно, расширяются возможности применения бронзы Бр.ОФб,5-0,15 в особо твердом состоянии, когда она обладает более высокими величинами пределов упругости и выносливости.

Анализ величин предела упругости и релаксации напряжений после деформации и дополнительного отжига показывает, что оловянные бронзы превосходят латунь. Кроме того, оловянные бронзы после деформации и отжига значительно меньше, чем латунь, разупрочняются при напряжениях, отвечающих упругопластической области. По указанным причинам для изготовления ответственных пружин, от которых требуется высокая стабильность, в том числе и при нагреве до 60—100° С, применяют оловянные бронзы (главным образом оловянно-фосфористые).