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

лодный наклеп увеличил упрочнение при старении на порядок (!), Такой сильный эффект упрочнения от НТМО ;по сравнению с уп­ рочнением при термической обработке по обычной схеме (закалка+старение) — сравнительно редкое явление. Обусловлен он тем, что температура старения 450°С слишком низка для нимоника, и при отсутствии холодного наклепа распад пересыщенного раствора при этой температуре развивается очень вяло. Если после закал­ ки проводить старение при температуре, оптимальной для макси­ мального упрочнения (около 700°С), то эффект от введения хо­ лодного наклепа будет значительно меньше.

В самом первом приближении можно утверждать, что холод­ ный наклеп, повышая плотность несовершенств в кристаллах пе­ ресыщенного раствора, делает его термодинамически менее ста­ бильным и ускоряет старение. Однако экспериментальные факты и более детальный анализ показывают, что влияние наклепа на ста­ рение может быть весьма сложным. Характер этого влияния зави­ сит от режимов закалки, деформации и старения, от природы спла­ ва, а для одного сплава — от типа выделений при старении.

Рассмотрим вначале влияние холодной деформации на зонное старение. Казалось бы, что деформация, увеличивая плотность дис­ локаций и концентрацию вакансий, должна ускорять зонное старе­ ние. Но, во-первых, зоны зарождаются гомогенно, а не на дисло­ кациях и, во-вторых, дислокации являются эффективными местами стока вакансий. Очень сильная пластическая деформация повыша­ ет концентрацию вакансий (отношение числа вакансий к числу ато­ мов) всего на 10-6, в то время как закалка создает значительно бе­ лее сильное пересыщение решетки вакансиями: концентрация за­ калочных вакансий достигает величины порядка 10~4.

«Выметание» большого числа закалочных вакансий скользящи­ ми дислокациями при пластической деформации закаленного спла­ ва может полностью перекрыть сравнительно небольшое поступле­ ние в кристалл вакансий, генерируемых порогами скользящих дис­ локаций. В результате пластическая деформация закаленного спла­ ва замедляет зонное старение, так как избыточные вакансии игра­ ют важную роль в диффузионном переносе атомов растворенного элемента к растущим зонам (см. § 42).

В сплавах с небольшой концентрацией растворенного элемента холодный наклеп может замедлить образование зон при старении из-за притяжения к дислокациям атомов этого элемента и соответ­ ствующего обеднения ими матрицы.

Замедление роста зон в наклепанном сплаве проявляется в за­ медлении упрочнения и уменьшении прироста прочности при старе­ нии. Такой результат получается, например, при холодной дефор­ мации свежезакаленного дуралюмина. Поэтому НТМО с зонным старением как заключительной операцией обычно не используют.

Если при закалке изделие охлаждалось сравнительно медлен­ но, например при закалке в воздушной среде, и решетка сильно не пересыщалась закалочными вакансиями, то замедление зонного старения под действием наклепа может и не проявиться. Более го-

379

го, наклеп в этом случае способен даже ускорить зонное старение из-за повышения концентрации подвижных вакансий в результате разрушения дислокациями вакансионных скоплений, успевших об­ разоваться при замедленном закалочном охлаждении. Кроме того, в этих условиях ускорение зонного старения может быть также ре­ зультатом генерирования вакансий порогами скользящих дислока­ ций. В таких случаях НТМО, включающую зонное старение, мож­ но использовать для дополнительного упрочнения сплава.

Несравненно больший интерес представляет НТМО, включаю­ щая фазовое старение. Дислокации облегчают зарождение выделе­ ний фаз. Поэтому в наклепанном сплаве с повышенной плотностью дислокаций фазовое старение протекает быстрее, а плотность вы­ делений и. соответственно упрочнение оказываются более высоки­ ми, чем при старении ненаклепанного сплава. Чем больше степень холодной деформации, тем выше плотность дислокаций и соответ­ ственно выше плотность выделений и упрочнение при фазовом ста­ рении (см. рис. 220).

Эффективность применения НТМО определяется тем, какая фа- за-упрочнитель выделяется при старении. Так, например, дополни­ тельное упрочнение от введения деформации перед искусственным старением у сплавов А1—Си—Mg (упрочнитель — фаза S') боль­ ше, чем у сплавов А1—Си (упрочнитель—фаза 0').

При нагреве под старение после холодной деформации рекри­ сталлизация, как правило, не протекает, а развиваются процессы отдыха и полигонизации, несколько уменьшающие упрочнение от НТМО. Следует иметь в виду взаимное влияние этих процессов и распада раствора: выделения тормозят полигонизацию, а полигонизация, если она успела пройти, изменяет плотность и характер распределения выделений.

Холодный наклеп не только ускоряет распад раствора и увели­ чивает плотность выделений. Он может вызвать появление фазы, которая без наклепа при том же режиме старения не выделяется, и даже способен изменить последовательность появления фаз при старении.

Например, в ненаклепанном сплаве А1—4% Си во время старе­ ния при 150°С 0 '-фаза рентгенографически обнаруживается через 15 дней, а 0-фаза (СиА12|) вообще не появляется. После холодной прокатки с обжатием 90% во время старения при той же темпера­ туре сначала (через 5 мин) обнаруживается 0-фаза, а поздп?е (через 30 мин) 0'-фаза. Появление метастабильной фазы после вы­ деления стабильной противоречит обычной последовательности образования фаз при распаде твердого раствора (см. § 21, 42) и вызвано следующим. После холодной деформации с большим об­ жатием по всему объему кристаллов твердого раствора решетка искажена столь сильно, что лолукогерентные выделения 0'-фазь: зарождаться не могут. Вместе с тем в сильно искаженных участ­ ках облегчено зарождение некогерентных выделений 0-фазы. Через некоторое время отдых и полигонизация, протекающие при темпе­ ратуре старения, делают решетку в отдельных участках кристалли­

380

Повышенную прочность можно получить, применяя обычную хо­ лодную деформацию после старения ( без НТМО). По сравнению с такой обработкой НТМО обеспечивает при равной прочности бо­ лее высокую пластичность, меньшие остаточные напряжения и тер­ мически более стабильную структуру.

В настоящее время НТМО широко применяют в технологии производства полуфабрикатов и изделий из стареющих медных, алюминиевых и аустенитных сплавов.

В результате холодной прокатки перед старением бериллиевой бронзы Бр.Б2 предел текучести дополнительно возрастает примерно на 20%. Электрод­ ные медные сплавы типа хромоциркоииевых бронз частично сохраняют упрочне­ ние от НТМО и при повышенных температурах, при которых работают электро­ ды для контактной сварки. Степень холодной деформации стареющих медных сплавов при НТМО составляет 10—80%.

При НТМО пружинных аустенитных сплавов типа 36НХТЮ с обжатием

шими деформациями. Так, например, НТМО листов и труб из сплава АД31 по схеме закалка -> естественное старение продолжительностью не менее 2-ч -«-холодная деформация на 60—90% -«-старение при 200°С позволяет повысить предел прочности на 25—30% по сравнению с пределом прочности после обыч­ ной термообработки (закалка+старение).

Целью НТ1МО может быть не только упрочнение. Алюминиевые сплавы типа А1Мг6 рекомендуется деформировать вхолодную на 30—40% с последую­ щим старением при 220°'С в течение нескольких часов. В первые 20 мин нагрева после деформации проходит полигонизация, а затем равномерное выделение |3- фазы (AhMg2) по субграницам. Такая структура обеспечивает повышенную стойкость против коррозии под напряжением.

Полуфабрикаты из стареющих алюминиевых сплавов (профили, панели, трубы, листы) после закалки обязательно правят растяже­ нием или прогладкой. Степень деформации при правке невелика — обычно не более 3%. Но даже небольшая холодная деформация со степенью 1—3% может сильно увеличить упрочнение при последу­ ющем искусственном старении. Например, предел текучести дуралюмина Д 16, состаренного при 190°С, в результате применения пе­

ние обычно не называют термомеханической обработкой, но факти­ чески он является типичной НТМО.

Благодаря простоте технологии и эффективности процесса чис­ ло стареющих сплавов на разных основах и номенклатура изделий, подвергаемых НТМО, будут расширяться. Но, назначая НТМО, всегда следует учитывать и возможные отрицательные последст­ вия— снижение пластичности, характерное для большинства спла­ вов, уменьшение сопротивления ползучести некоторых алюминие­ вых сплавов, анизотропию свойств и др.

2. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО)

При ВТМО проводят горячую деформацию, закалку с деформа­ ционного нагрева и старение (рис. 219).

При горячей деформации повышается плотность дислокаций и возникает горячий наклеп, который в процессе самой деформации

38