Сущность метода высокотемпературной термомеханической обработки металлов и сплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Сущность метода высокотемпературной термомеханической обработки металлов и сплавов

19.05.2021

Сопротивление пластической деформации при высоких температурах — одна из важнейших характеристик материалов, находящихся в условиях эксплуатации в нагретом состоянии. Одним из методов, позволяющих использовать скрытые ресурсы прочности аустенитных сталей и жаропрочных сплавов, является высокотемпературная термомеханическая обработка (BTMO).

Высокотемпературная термомеханическая обработка заключается в совмещении горячей пластической деформации заготовок (обжатия 25—30% после выдержки при 1150—1200 °С), обеспечивающей образование гомогенного твердого раствора, и последующего их подстуживания до 1100—950 °C с немедленным последующим охлаждением, позволяющим предотвратить развитие рекристаллизации, а также фиксировать особое структурное состояние материала, возникающее в процессе деформирования. Проводимое затем старение, в процессе которого выделяются частицы карбидных или интерметаллидных фаз, способствует повышению прочностных свойств обрабатываемых данным методом материалов. Ценная особенность описываемого метода — повышение длительной прочности аустенитных сталей и сплавов при условии испытания их и эксплуатации при нагреве до температур, не превышающих температуры рекристаллизации. В наших опытах эффект упрочнения у ряда материалов сохранялся до 900 °С.

В настоящее время можно считать общепризнанным, что основные закономерности развития ползучести и разрушения металлов и сплавов при высоких температурах связаны с диффузионной подвижностью атомов, а также с образованием и движением дислокаций.

Однако и подвижность дислокаций при сдвиговом механизме ползучести и диффузионные константы при диффузионной пластичности определяют свойства жаропрочности. И в том и в другом случаях большое значение имеют различные структурные и концентрационные неоднородности, упрочняющие материал. Действительно, именно структурные несовершенства материала, начиная от точечных дефектов в кристаллической решетке и кончая зерновой характеристикой поли-кристаллического агрегата, в значительной степени определяют характер внутризеренной и межзеренной пластической деформации при ползучести.

Поскольку при ползучести наиболее часто происходит межзеренное разрушение, вопрос о влиянии состояния границ на свойства жаропрочности имеет особенно большое значение. He случайно считается, что проблема упрочнения границ зерен материалов, предназначенных для службы в нагретом состоянии, — одна из важнейших задач металлургии, так как границы зерен все еще остаются при определенных условиях наиболее слабыми участками в поликристаллическом материале. В результате BTMO границы зерен существенно упрочняются. Кроме того, BTMO вызывает изменения в тонкой кристаллической структуре обрабатываемого материала, что оказывает благоприятное действие в условиях преимущественного развития внутризеренной пластичности при ползучести.

Первые работы, показавшие возможность повышения некоторых механических свойств жаропрочных сталей аустенитного класса, были выполнены в Институте физики металлов АН СССР при изучении влияния BTMO на ударную вязкость. Дальнейшие исследования BTMO применительно к свойствам жаропрочности были проведены Институтом физики металлов АН СССР совместно с Институтом машиноведения АН СССР.
Сущность метода высокотемпературной термомеханической обработки металлов и сплавов

Высокотемпературную термомеханическую обработку можно проводить при различных видах деформации нагретых заготовок. Схемы пяти основных способов пластической деформации при BTMO даны на рис. 223.

1. Прокатка (рис. 223, а). Нагретая заготовка 3 перемещается в валках 1 и 2 со скоростью v м/мин в зону интенсивного охлаждения 4. Для охлаждения можно использовать спрейерное устройство, аналогичное применяемому при непрерывно-последовательной поверхностной закалке после нагрева т. в. ч. Расстояние h от заготовки до устройства 4 определяется скоростью перемещения заготовки, температурным режимом и другими факторами. При допустимом для данной стали времени t сек. между окончанием пластической деформации и началом охлаждения это расстояние равно h = vt см (V см/сек). При скорости прокатки v = 7,5 м/мин (125 мм/сек) и допустимом времени t = 0,5 сек расстояние h = 125*0,5 = 62,5 мм, т. е. легко может быть обеспечено в современных прокатных станах различных конструкций.

2. Волочение проволоки или прутков (рис. 223, б). Нагретая заготовка 1, проходя через фильер 2, попадает в зону охлаждения 3.

3. Пластическая деформация в ковочных вальцах (рис. 223, в). В этом случае заготовка 1 подвергается обжатию в вальцах 2 и 3 и подается в зону охлаждения 4. Таким способом («выкаткой») с одновременным проведением BTMO можно изготовлять изделия сложной формы.

4. Штамповка (рис. 223, г) — один из наиболее распространенных методов обработки металлов давлением. В этом случае сложным является подбор оптимальных скоростей движения элементов штампа 1 и 2, температуры нагрева и степени деформации заготовки 3, так как дополнительное выделение тепла при обжатии способствует развитию рекристаллизации. Кроме того, затруднения вызывает раскрывание штампа, так как скорость этой операции должна обеспечивать быстрое охлаждение изделия сразу же после завершения обработки давлением.

5. Экструзия (выдавливание) изделия (рис. 223, д) — имеющий большие перспективы способ деформирования при ВТМО. Обрабатываемая заготовка 1, помещенная в матрицу 2, выдавливается через отверстие 3 требуемой конфигурации под действием давления, создаваемого пуансоном 4. Для интенсивного охлаждения изделия служит устройство 5.

Выше указывалось, что при ВТМО благодаря быстрому охлаждению может быть зафиксировано особое структурное состояние, образующееся в процессе горячей пластической деформации заготовки.

На рис. 224, а приведена схема строения тела и границ зерен после ВТМО, проводимой в «рациональных» режимах, позволяющих предотвратить развитие рекристаллизации. Специфическая особенность ВТМО — возникновение в процессе высокотемпературной пластической деформации характерной «зубчатости» границ зерен с амплитудой и периодом отдельных «зубцов» от нескольких до десятков мк. Внутри объема зерен происходит их дробление на фрагменты и существенно уменьшаются размеры блоков мозаики.

На рис. 224, б и в показаны особенности микростроения, образующегося в результате ВТМО в нерациональных режимах: по границам зерен развивается рекристаллизация, проявляющаяся в виде мелких зерен (рис. 224, б). Эти зерна постепенно увеличиваются в размерах при излишне высоких температурах и скоростях деформации подвергаемой ВТМО заготовки, а также при увеличении интервала между окончанием обработки давлением и началом охлаждения.

Микрофотографии, приведенные на рис. 225, а и б, сняты на электронном микроскопе с образца, изготовленного из аустенитной стали 60Х4Г8Н8В стандартного состава. Сталь была подвергнута ВТМО при 1000 °C в условиях прокатки со скоростью около 6,7 м/мин и обжатием на 30% и последующему старению при 750 °C в течение 4 час. На данной микрофотографии видны следы скольжения внутри зерен, свидетельствующие о развитии внутризеренной деформации при ВТМО. Для сравнения на рис. 225, в приведена микрофотография той же стали, но прошедшей обычную термическую обработку (закалку и старение). Следы скольжения в этом случае отсутствуют.

Вид границы зерен аустенитной хромоникелемарганцовистой стали, подвергнутой ВТМО при 1000 °C (при прокатке со скоростью 7,5 м/мин и охлаждении в воде), показан на рис. 226, a (х1400); на рис. 226, б и 226, в помещены микрофотографии той же стали, снятые при меньшем увеличении, после ВТМО и обычной термической обработки (закалки и старения).

Следует указать, что при «неправильном» режиме ВТМО, когда развитие процесса рекристаллизации не удается подавить, на границах зерен вместо «зубчиков» возникают зародыши новых зерен (рис. 227, а и б). При этом резко снижается или полностью исчезает эффект повышения длительной прочности.

Следует отметить, что глубина слоя, в пределах которого удается получить специфическую микроструктуру, характерную для ВТМО, при прокатке составляет, по данным наших опытов, 4—7 мм с каждой стороны заготовки. У относительно тонких изделий с наибольшим размером сечения порядка 10—15 мм высокотемпературная термомеханическая обработка протекает во всем объеме. В заготовках больших размеров аккумулированное в толще тепло способствует развитию рекристаллизации. При этом в сердцевине изделия свойства материала будут иными, чем в поверхностном, периферийном слое, упрочненном ВТМО. Это обстоятельство следует учитывать при практическом использовании упрочнения путем такой обработки.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: