Файл: Елизаветин М.А. Повышение надежности машин. Технологические основы повышения надежности машин.pdf

Отдельные стадии других перечисленных превращений также протекают без изменения химического состава исходной и ко­ нечной фаз.

Указанные превращения могут происходить в широком диапазоне температур, включая температуры, характерные для обычных условий эксплуатации. Другие виды превращений про­ исходят при определенных очень высоких или низких темпера­ турах, достигаемых не только при специальной термической обработке, но и при эксплуатации многих устройств (реактив­ ных двигателей, газовых турбин, космических аппаратов и т. д.).

Большое практическое значение имеют процессы старения, связанные с распадом пересыщенных твердых растворов (про­ цессы выделения) и распадом мартенситной структуры.

Такие процессы обусловлены неустойчивой (метастабиль­ ной) структурой сплава, приобретаемой в результате техноло­

метастабильное ' состояние характеризуется повышенным по сравнению со стабильным состоянием уровнем внутренней (свободной) энергии.

Используемое в промышленности естественное и искусствен­ ное старение сплавов, сопровождающееся выделением кристал­ лов новых фаз, является одним из основных методов улучшения определенных свойств некоторых сплавов, например: повы­ шения механической прочности алюминиевых, медных и нике­ левых сплавов, повышения жаропрочности никелевых, увеличе­ ния коэрцитивной силы медных сплавов и т. д.

Упрочнение при старении сопровождается одновременным уменьшением пластичности (повышением хрупкости); процессы старения, протекающие в сталях и сплавах, могут оказывать значительное отрицательное влияние на их свойства. Для уст­ ранения отрицательных влияний применяют специальные мало­ углеродистые стали (легированные титаном, алюминием, цирко­ нием), которые не стареют. Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, имеет особое значение для многих термически обрабатываемых сплавов на железной, алю­ миниевой, медной, магниевой, никелевой и кобальтовой основе.

Способность к старению определяется увеличивающейся с температурой растворимостью компонента сплава В в основ­ ном металле сплава А, т. е. определяется изменением предельно­ го насыщения твердого раствора с изменением температуры (рис. 1). После нагрева до температуры t\ и быстрого охлажде­ ния до комнатной температуры твердый раствор а окажется пересыщенным и поэтому метастабильным; в компоненте А остается растворенным не то количество т компонента В, ко­

торое соответствует предельной растворимости компонента В в компоненте А при комнатной температуре, а большее количе­ ство п, растворившееся при нагреве до температуры tь Сплав

как равновесное состояние сплава того же состава при комнат­ ной температуре (и при более высоких температурах до С) — двухфазное, с более низким содержанием компонента В в твер­ дом растворе «. В связи с этим в сплаве начинают протекать

Рис. 1. Диаграмма состояния си­ стемы компонентов Л—В, обра­ зующих стареющие сплавы

процессы распада, обеднения пересыщенного твердого раствора и перехода сплава в более стабильное двухфазное состояние, в котором свободная энергия фаз имеет наименьшую величину. В некоторых переохлажденных твердых растворах отдельные стадии распада могут протекать уже при комнатной температу­

вить следующим образом: в первой стадии внутри пересыщенного твердого раствора а происходит направленная диффузия ато­ мов компонента В и скопление их в определенных участках кристаллической решетки; во второй стадии процесса в наиболее обогащенных компонентом В участках пересыщенного твердого раствора формируются очень малые области с новой кристал­ лической решеткой, свойственной или компоненту В, или его химическому соединению с компонентом А, или переходной фа­ зе; строение этой решетки и решетки исходного твердого раство­ ра а (матрицы) обычно аналогичны, вследствие чего наблюдает­ ся закономерное сопряжение (когерентность) обеих кристалличе­ ских решеток. В третьей стадии происходит отрыв одной решет­ ки от другой, образование самостоятельных, дисперсных частиц новой фазы (так называемое дисперсионное твердение) и умень­ шение концентрации растворенного элемента в исходном твер­ дом растворе до равновесного значения. Четвертая стадия — это укрупнение (коагуляция) дисперсных частиц и переход метаста­ бильной модификации новой фазы в стабильную. Следует иметь в виду, что скорость распада (выделения) тем больше, чем выше температура стареющего сплава; при данной температуре

в сплавах с низкой температурой плавления выделение идет быстрее, чем в тугоплавких сплавах; нарушения кристалличе­ ской решетки исходного твердого раствора (матрицы) вслед­ ствие облучения или холодной деформации ускоряют процесс выделения; присутствие растворимых или нерастворимых включений обычно ускоряет процесс выделения [71].

Энергия, характеризующая процесс выделения и другие фазовые превращения, определяется разностью между свобод­ ными энергиями стабильной и нестабильной фаз &F при темпе-

Рис. 2. Зависимость между изме­ нением свободной энергии AF и радиусом г частиц при ее росте

ратуре протекания процесса. При этом можно считать, что свободная энергия системы, содержащей растущие в окружаю­ щей матрице частицы выделений, состоит из трех компонентов: объемной свободной энергии, поверхностной свободной энергии и энергии деформации матрицы. Изменение свободной энергии системы, обусловленное образованием частицы выделения, пока­ зано на рис. 2. Общий характер изменения свободной энергии (кривая 2) является результатом процессов увеличения свобод­ ной энергии вследствие увеличения площади поверхности по мере роста частицы (кривая 1) и уменьшения свободной энер­ гии вследствие замещения некоторого объема нестабильной исходной фазы более стабильной фазой, составляющей расту­ щую частицу (кривая 3).

Зарождение новой фазы происходит преимущественно на границах зерен матрицы, так как свободная энергия образова­ ния скопления атомов на границе зерна меньше, а следователь­ но, частота образования зародышей больше, чем внутри кристалла. Кроме того, образование зародышей на границах зерен облегчается тем, что атомы растворенного вещества мо­ гут проникать в скопления атомов на границе зерна быстрее, чем внутри зерна; напряжения при фазовом превращении, про­ тиводействующие образованию зародышей на границе зерна, обычно рассасываются быстрее, чем в других частях кристалла;

концентрация растворенного вещества на границах зерен может быть выше, чем в кристалле; границы зерен являются благо­ приятными местами для возникновения аномальной концентра­ ции включений.

Деформация оказывает существенное влияние на ппоцесс распада твердых растворов, резко сокращая подготовительный (инкубационный) период. Так, в деформированных сплавах Al — Si, Al — Cu, Mg — Al уже во время деформации при ком­ натной температуре начинается распад, тогда как на недеформированных образцах этих сплавов при комнатной температуре процесс ограничивается одним лишь подготовительным перио­ дом. Дислокации также являются областями, благоприятными для образования зародышей.

Процесс распада пересыщенного твердого раствора, сопро­ вождающийся изменением объема, вызывает появление напря­ жений в зернах. Эти напряжения в некоторых случаях не превышают предела упругости матричной фазы, в других — при­ водят к пластической деформации. Упругие напряжения, возникающие в результате распада, могут иногда тормозить процесс распада. В связи с этим распад некоторых твердых растворов, сопровождающийся увеличением объема сплава (примерно на 3%), начинается с поверхности образца.

Старение, обусловленное распадом пересыщенных твердых растворов, вызывает изменение механических и физических свойств сплава: прочности, твердости, электросопротивления, коэрцитивной силы, стойкости против коррозии и др. Процессы, протекающие на первых стадиях старения (появление субмикро­ скопической неоднородности в распределении атомов растворен­ ного компонента в пересыщенном твердом растворе, когерентная связь двух различных решеток, выпадение весьма дисперсных частиц), приводят к упрочнению сплава, увеличению его твер­ дости, повышению сопротивления сплава пластической дефор­ мации, связанному с тем, что изменения структуры сплавов на этих стадиях старения затрудняют перемещение дислокаций при пластической деформации.

Однако четвертая стадия — коагуляция дисперсных час­ тиц— всегда связана со снижением прочности; наряду с коагу­ ляцией частиц разупрочнение обусловлено потерей когерентно­ сти решеток новой фазы и твердого раствора, обеднением твердого раствора растворенным компонентом в процессе выделения. Вследствие этого изменение прочности, а также электрического сопротивления и коэрцитивной силы пересыщен­ ного твердого раствора в процессе его старения характеризуется кривой с максимумом. При достаточно больших интервалах времени прочность снижается до значений, присущих сплаву до старения, и меньших.

Влияние основных реакций процесса распада на прочность сплава показано на рис. 3 [71]. В различных сплавах процессы