Свойства бериллиевой бронзы в закаленном состоянии

По результатам измерения удельного электросопротивления на образцах бронзы промышленных марок с 1,9—2,5% Be, предельное насыщение твердого раствора достигается при 800° С; при нагреве выше 820° С наблюдаются процессы оплавления в приграничных зонах. В связи с этим закалку бериллиевой бронзы типа Бр.Б2 и Бр.Б2,5 следовало бы производить от 800° С, однако из-за опасности сильного роста зерна ее обычно выполняют при 770—790° С. Примерно в этом же температурном районе (760—780° С) закаливают и бронзу Бр.БНТ1,9.

После закалки с 760 или 800° С степень упрочнения Бр.Б2 и Бр.БНТ1,9 при старении, если о ней судить по величине твердости, практически одинакова (рис. 213).

Это сравнительно небольшое влияние температуры закалки в пределах 760—800° С объясняется тем, что растворимость бериллия в а-твердом растворе технических сортов бронзы при нагреве до указанных температур изменяется очень мало — от 2,10 до 2,14%. Ниже 760° С растворимость бериллия заметно убывает, что резко уменьшает эффект упрочнения.

Кроме того, при старении бериллиевой бронзы, предварительно закаленной с пониженных температур, значительное развитие получает прерывистый распад, что также снижает упрочнение. Так, по данным X.Г. Тхагапсоева, объемная доля зон пограничного распада в Бр.Б2 составляет после закалки с 720° С 52%, с 760° С 30%, с 780° С 20% и с 800° С 12%.

С повышением температуры закалки упрочнение развивается быстрее, поскольку при этом больше степень пересыщения твердого раствора и соответственно выше степень его метастабильности. Кроме того, с повышением температуры закалки бронзы, лежащей довольно близко к температуре начала плавления, резко возрастает концентрация вакансий, фиксируемых при закалке, что также способствует росту скорости распада твердого раствора.

Таким образом, если бериллиевая бронза должна иметь высокую прочность, особенно предел упругости, то температура закалки должна быть в пределах 760—800° С, лучше 770—780° С. Однако с повышением температуры сверх 780° С снижается пластичность и ухудшается штампуемость.

Если упругие элементы должны хорошо сопротивляться действию повторно-переменных нагрузок, то, помимо высокого упрочнения, необходимо весьма мелкозернистое строение сплава, которое можно получить только после значительной предварительной пластической деформации и нагрева под закалку при 770—780° С. Бронза будет мелкозернистой, если в ее структуре при повышенном содержании бериллия имеются равномерно распределенные включения избыточной у (или в)-фазы, которые препятствуют собирательной рекристаллизации кристаллов а-твердого раствора при нагреве до температуры закалки.

Однако эти избыточные включения, особенно в виде строк или скоплений, могут играть роль концентраторов напряжений и снижать пластичность и усталостную прочность сплава. Поэтому более эффективно введение в бронзу малых добавок, в частности титана, который измельчает зерно, способствуя образованию более мелких включений избыточных фаз.

Судя по данным многих работ и заводскому опыту, продолжительность выдержки бериллиевой бронзы при температуре закалки в печах муфельного типа с защитной атмосферой оказывает существенное влияние на свойства и должна быть не менее 10—15 мин (рис. 214 и 215). При большей выдержке упрочнение практически неизменно, но при этом снижается пластичность.

Скорость охлаждения бериллиевой бронзы при закалке должна быть максимальной (обычно в воде). Как показано в работе, наиболее опасно замедление охлаждения в области температур 500—380° С, когда превращение переохлажденного твердого раствора, описываемое обычными С-образными диаграммами, происходит с большой скоростью и ведет к образованию пластинчатых перлитообразных структур. Ниже 380° С происходит обычное старение. Если распад произошел выше 380° С, то степень упрочнения при последующем старении будет низкой.

Свойства бронзы Бр.БНТ1,9, Бр.Б2 и Бр.Б2,5 после закалки от 780—790° C с охлаждением в воде при 20° С приведены в табл. 50.

Измерение модулей упругости бинарных меднобериллиевых сплавов показывает, что они с ростом концентрации бериллия заметно возрастают: модуль сдвига растет от 44,3 (4550) для сплава с 1,45% Be до 46,2 Гн/м2 (4720 кГ/мм2) для сплава с 2,45% Be, а модуль нормальной упругости со 104 (10 600) до 109 Гн/м2 (11 000 кГ/мм2). Эти данные не совпадают с результатами работы, в которой указывается, что с ростом содержания бериллия модуль нормальной упругости снижается.

Рост модуля упругости вследствие выделения фазы, богатой бериллием, при старении сплавов медь — бериллий не служит доказательством того, что бериллий снижает модуль упругости твердого раствора, поскольку в этом случае измеряется уже не модуль упругости остающегося матричного твердого раствора, а двухфазного сплава.

Возможно, что рост модулей упругости с увеличением концентрации бериллия связан не только с усилением межатомной связи, но также с уменьшением неупругой деформации, поскольку атомы бериллия могут блокировать дислокации и вакансии. О возможном влиянии этого фактора свидетельствует факт снижения фона внутреннего трения с ростом концентрации бериллия в твердом растворе с 13*10в-3 при 1,45% до 11*10в-3 при 2,1% Be.

Измерения внутреннего трения показывают (рис. 216), что прирост фона внутреннего трения сплава медь—бериллий при нагреве заметно меньше, чем чистой меди. Данные работ показывают также, что и снижение модуля упругости при нагреве у меди больше, чем у бериллиевой бронзы.

Введение бериллия тормозит развитие релаксационных процессов и в объеме зерен и особенно в пограничных зонах.

Зернограничный максимум для закаленной бериллиевой бронзы значительно слабее, чем для поликристаллической меди, и при нагреве бронзы он выражен сильнее, чем при охлаждении (рис. 216). Это объясняется тем, что при нагреве и последующем охлаждении закаленной бронзы преимущественно по границам зерен образуются зоны ГП или частицы у'-фазы. После старения при 350° С зернограничный максимум почти не обнаруживается в связи со значительным упрочнением пограничного слоя. По мере развития процесса старения происходит также смещение релаксационного максимума к более высоким температурам.

На рис. 216 показано также изменение модуля сдвига с температурой нагрева для образца после закалки и старения, которое, однако, отличается от результатов работы, что, возможно, связано с различными исходными состояниями образцов. До 180° С наблюдается плавное монотонное снижение модуля сдвига, но затем он начинает снижаться резко. Такая температурная зависимость этого модуля вообще характерна для поликристаллических металлов, в которых наблюдается «вязкое» течение по границам зерен.

Распределение атомов бериллия в закаленном твердом растворе на основе меди не является статистически неупорядоченным. В решетке могут быть группировки атомов бериллия вокруг дефектов строения. Большинство замороженных в закаленной бронзе вакансий связано с атомами бериллия. Поэтому в закаленной бронзе не наблюдаются дислокации, возникшие в результате конденсации вакансий, а также области, отличающиеся определенной степенью упорядочения.