Файл: Новиков, И. И. Теория термической обработки металлов учебник.pdf

% (по массе)

% (по массе)

Рис. 5. Неравновесный солидус в системах эвтектического (а) и перитектическото (б) типа

закончиться при температурах ниже пунктирной горизонтали, но степень переохлаждения в обычных условиях сравнительно неве­ лика, и ею можно пренебречь при определении температур конца неравновесной кристаллизации ,по диаграмме состояния.

19

Если в сплаве в равновесных условиях должна образоваться вторая фаза, то в неравновесных условиях ее количество увеличи­ вается. Например, в сплаве Х3 (рис. 5,а) в равновесных условиях относительное весовое количество эвтектики определяется соотно­ шением ао/ае, а в неравновесных условиях so/se (точка s опреде­ ляет средний состав первичных кристаллов при эвтектической тем­ пературе для данной скорости охлаждения).

Положение концентрационной границы появления второй фазы из расплава (точки k) зависит от скорости охлаждения. В равно­ весных условиях эта граница совпадает с точкой предельной раст­ воримости при эвтектической или перитектической температуре (с точкой а на рис. 5). С увеличением скорости охлаждения концент­ рационная граница появления второй фазы сдвигается в сторону основного компонента из-за подавления выравнивающей диффу­ зии в твердом растворе и при полном отсутствии такой диффузии совпадает с ординатой этого компонента на диаграмме состояния.

Эксперименты показали, что в диапазоне скоростей охлажде­ ния при кристаллизации, который реализуется в производствен­ ных условиях, выравнивающая диффузия в твердом растворе сильно подавлена и неравновесная избыточная фаза кристаллизу­ ется при весьма малых концентрациях второго компонента в сплаве (табл. 1).

В литых сплавах типа Х2на рис. S,а количество неравновесной эвтектической жидкости обычно невелико и поэтому эвтетика структурно вырождается в одну фазу: a -фаза из эвтектики отла­ гается на дендритных ячейках (сечениях ветвей дендритов) пер­ вичных a-кристаллов, сливаясь с ними, а по границам дендритных ячеек под микроскопом обнаруживаются только включения второй фазы р эвтектического происхождения.

Распределение легирующего элемента по сечению дендритной ячейки схематично показано на рис. 6 (кривая /). Отрезок pq со­ ответствует сечению дендритной ячейки первичной a -фазы, а кр — сечению включения второй фазы (Р) на границе дендритной ячей­

20

таллизации, возможны и другие. Например, в сплаве Х2 (рис. 5,6)

ка солидуса сплава; в) из расплава кристаллизуются избыточные фазы, которых не должно быть в равновесных условиях, и вместо однофазной образуется двухфазная или многофазная структура; ,г) увеличивается количество второй фазы, если в равновесных ус­ ловиях сплав должен быть гетерофазны.м.

§ 2. ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СПЛАВОВ ПРИ ГОМОГЕНИЗАЦИОННОМ ОТЖИГЕ

В результате отклонения от равновесия в процессе кристалли­ зации литой сплав имеет следующие основные недостатки:

а. Пластичность сплава обычно снижается, если в результате дендритной ликвации появляется избыточная хрупкая фаза. Осо­ бенно сильно снижается пластичность при образовании по грани­ цам дендритных ячеек сплошных прослоек из грубых частиц хруп­ ких соединений (интерметаллидов, карбидов и др.).

б. Центральные участки дендритных ячеек и их границы, имеющие разный химический состав, образуют микрогальванические пары. Поэтому внутрикристаллитная ликвация твердого раствора снижает стойкость против электрохимической коррозии. Появление неравновесной избыточной фазы в твердом растворе обычно также снижает стойкость против коррозии.

в. При обработке давлением, например прокатке и прессова­

21

нии, микроучастки, имеющие разный химический состав, вытяги­ ваются, и может возникнуть строчечная структура. Такая структу­ ра обусловливает анизотропию свойств в изделии и повышенную склонность к межкристаллитному, а также к шиферному излому. В поперечном направлении может наблюдаться сильное сниже­ ние относительного удлинения, сужения и ударной вязкости.

г. Дендритная ликвация понижает температуру оолидуса сплава, что, как правило, нежелательно. Например, при быстром нагреве под закалку или обработку давлением изделие может частично оплавиться. Оплавляются участки, в которых находится неравновесно образовавшаяся эвтектика, а также межосные пространства в кристаллитах твердого раствора, обогащенные компонентами, снижающими точку оолидуса.

д. Структура и свойства литого сплава нестабильны во време­ ни. В изделии, работающем при повышенных температурах, мо­ жет самопроизвольно постепенно выравниваться состав твердого раствора и рассасываться избыточные фазы. Эти процессы вызы­ вают ускорение ползучести, а также постепенное изменение свойств, которое может выйти за допустимые пределы.

Для устранения недостатков литой структуры слиток или фа­

зационном отжиге протекают два основных процесса: выравни­ вание концентрации внутри зерен твердого раствора и растворе­ ние неравновесных избыточных фаз (рис. 6). В основе этих про­ цессов лежит диффузия и поэтому гомогенизационный отжиг называют также диффузионным.

В самом начале выдержки при гомогенизационном отжиге сплавов Х2 или Х3 на границе дендритной ячейки с избыточной р-фазой устанавливается равновесная концентрация а-раствора, соответствующая точке предельной растворимости при темпера­ туре гомогенизации (например, точке г при температуре tr на рис. 5, а). Эта концентрация периферийного слоя а-раствора под­

рость и время полного растворения избыточной фазы. Если услов­

внутри а-раствора приводит к уменьшению его концентрации на

22

границе с (3-фазой до значений ниже точки г на рис. 5, а и 6 и периферийный слой дендритной ячейки становится 'ненасыщен­ ным по отношению к (3-фазе. Поэтому (3-фаза растворяется, под­ нимая концентрацию в периферийном слое а-раствора до равно­ весной и т. д. Постепенно граница а/(3 перемещается в сторону растворяющейся (3-фазы, а состав a-фазы по сечению дендритной ячейки выравнивается (см. пунктирные линии на рис. 6, соответ­ ствующие разным моментам гомогенизации).

Если избыточная (3-фаза должна .полностью раствориться (в соответствии е диаграммой состояния), то после ее исчезнове­ ния через некоторое время завершается и выравнивание кон­ центрации внутри а-раствора (ем. сплав Х2 на рис. 5, а). Если же состав сплава таков, например Х3, что он и в равновесных усло­ виях не должен быть однофазным, то при гомогенизации раст­ воряется только неравновесный избыток второй фазы (или не­ скольких фаз) и после отжига остается некоторое равновесное их количество (рис. 7). Опыты с алюминиевыми сплавами показа-

V,%

Рис. 7. Зависимость объемной доли растворяющихся структурных составляющих (V) и относительного сужения при 400°С ( ф) от времени гомогенизация при 500°С слитка дуралюмина Д16 диаметром

150 мм (И. И. Новиков, В. С. Золоторевский, Т. Н. Чурбакова)

ли, что время полного устранения внутрикристаллитной ликвации ненамного превышает время полного растворения (тр) неравно­ весного избытка фаз. Учитывая, что время тр можно легко опре­ делить, исследуя структуру с помощью светового микроскопа, а для изучения кинетики выравнивания концентрации внутри твер­ дого раствора необходимо использовать более дорогой и сложный микр'Орентгеноснектральный анализ, вполне допустимо в 'боль­ шинстве задач время окончания гомогенизации оценивать по вре­ мени окончания растворения неравновесного избытка фаз.

23

По первому закону Фика количество вещества dm, диффун­ дирующее за .время dx через площадку ds, нормальную к той линии х, вдоль которой происходит диффузия, пропорционально времени dx, площади ds и градиенту концентрации dC/dx\

Коэффициент диффузии D зависит от природы сплава, типа и состава твердого раствора, размера зерна и особенно резко от температуры:

(2)

.где R — газовая постоянная; Т — температура;

Q — энергия активации диффузии;

А — константа, практически не зависящая от температуры. Температура входит в показатель степени выражения для

коэффициента диффузии и, следовательно, сравнительно неболь­ шое повышение температуры должно значительно ускорить диф­ фузию. Обычно гомогенизационный отжиг проводят при темпера­ турах выше 0,90—0,95 Тпл (по абсолютной шкале), но ниже точки солидуеа сплава. Иногда температура гомогенизации нахо­ дится в интервале 0,8—0,9 Т„л.

Энергия активации диффузии Q обеспечивает переход атомов из одного положения в решетке в другое. Необходимый для тако­ го перехода избыток энергии приобретается атомом от его сосе­ дей благодаря тому, что атомы непрерывно обмениваются кине­ тической энергией. Так как величина энергии активации входит в показатель степени, то она очень сильно влияет на величину ко­ эффициента диффузии.

Энергия активации диффузии элементов, растворенных по спо­ собу внедрения, меньше, чем у элементов, растворенных по спосо­ бу замещения. Поэтому последние диффундируют медленнее. Например, легирующие элементы, растворенные в аустените по способу замещения, обладают значительно меньшей диффузион­ ной подвижностью, чем углерод, растворенный в железе по спо­ собу внедрения. Энергия активации диффузии углерода в аустените среднеуглеродистой стали равна приближенно 31 000 кал/г-атом, а энергия активации диффузии в аустените важней­ ших легирующих элементов обычно превышает 60000 кал/г-атом. Скорость диффузии углерода в аустените на несколько порядков больше скорости диффузии важнейших легирующих элементов.

Некоторые легирующие элементы (Cr, Mo, W и др.) не только сами медленно диффундируют, но и замедляют диффузию угле­ рода в аустените. Например, в стали с 0,4% С энергия активации

24