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

может частично или полностью сниматься в результате развития

динамической полигонизации и динамической рекристаллизации.

Кривая напряжение — деформация имеет участок подъема на­ пряжения течения, соответствующий стадии горячего наклепа, и участок спада напряжения, обусловленного развитием сначала по­ лигонизации, а затем рекристаллизации.

При динамической полигонизации, как и при обычной статиче­ ской, наблюдающейся при нагреве после холодной деформации, формирование и миграция малоугловых границ контролируются пе­ реползанием дислокаций. Отличие от статической полигонизации состоит в том, что в процессе горячей деформации под действием приложенных напряжений дислокации все время «нагоняются» в тело субзерен. Аналогично отличие динамической рекристаллиза­ ции от статической. Во время горячей деформации непрерывно че­ редуются процессы упрочнения (повышения плотности дислокаций) и разупрочнения (уменьшения плотности дислокаций при полиго­ низации и рекристаллизации).

В зависимости от природы сплава, температуры, скорости, сте­ пени и схемы деформации сплав в момент окончания горячей де­ формации может находиться в наклепанном состоянии, иметь полигонизованную, рекристаллизованную или смешанную структуру (частично полигонизованную, частично рекристаллизованную)1.

Полностью рекристаллизованная структура с минимальной плотностью дислокаций соответствует наиболее стабильному со­ стоянию. Если к моменту окончания горячей деформации структура не рекристаллизована или рекристаллизована неполностью, то име­ ется стимул к статической рекристаллизации. По окончании дефор­ мирования с большими обжатиями можно наблюдать очень быст­ рую рекристаллизацию без инкубационного периода, так как заро­ дыши рекристаллизованных зерен образовались еще в процессе го­ рячей деформации.

Назначение ВТМО состоит в том, чтобы после горячей деформа­ ции и закалки получить пересыщенный твердый раствор с нерекри-

сталлизованной структурой, т. е. с повышенной плотностью несовер­ шенств (границ субзерен, свободных дислокаций). В результате старения сплава с такой структурой возникают повышенные меха­ нические свойства. В большинстве случаев оптимальной является полигонизованная матрица закаленного сплава.

При проведении ВТМО должны выполняться минимум три услсъ вия: 1) получение к концу горячей деформации нерекристаллизованной структуры; 2) предотвращение возможной рекристаллиза­ ции после окончания горячей деформации; 3) достижение необхо­ димой для старения степени пересыщенности твердого раствора.

Если первые два условия не выполнены и закаленный сплав полностью рекристаллизован, то мы имеем дело не с ВТМО, а с за­ калкой, проведенной с температуры деформационного нагрева. Та-

1 Представление о том, что для горячей обработки давлением характерно обязательное прохождение рекристаллизации в период деформации, противоре­ чит экспериментам и является устаревшим.

383

кое совмещение операций горячей деформации и нагрева под за­ калку экономически выгодно, но оно не приводит к улучшению свойств по сравнению с обычной термообработкой, включающей специальный нагрев под закалку.

Получению полигонизованной структуры к моменту окончания горячей деформации способствуют повышение температуры и сни­ жение скорости деформирования, уменьшение степени деформации, приближение схемы деформации к схеме всестороннего сжатия (как при прессовании).

Применение ВТМО ограничивают следующие факторы.

Сплав может отличаться столь узким интервалом температур нагрева под закалку, что поддерживать температуру горячей обра­ ботки давлением в таких узких пределах практически невозможно (например, в пределах ± 5°С для дуралюмина Д16).

Оптимальный температурный интервал горячей деформации мо­ жет находиться значительно ниже интервала температур нагрева под закалку. Например, при прессовании алюминиевых сплавов скорость деформирования без появления поверхностных трещин тем ниже, чем выше температура. Если требуется значительно по­ высить температуру горячей деформации до температур нагрева под закалку, то приходится снижать скорость деформирования, и производительность оборудования падает.

В сплаве с нерекристаллизованной структурой распад переох­ лажденного раствора может идти значительно быстрее, чем в рекристаллизованном сплаве (см. рис. 116). Если такой сплав обла­ дает невысокой прокаливаемостью, то в условиях ВТМО она ока­ зывается еще ниже и может не обеспечить сквозную закалку.

При высокой склонности сплава к рекристаллизации трудна создать к моменту окончания деформации нерекристаллизованную структуру и сохранить ее в период между окончанием деформиро­

вания и достижением при охлаждении температуры /р-

ВТМО используют для повышения прочностных свойств сплава по сравнению со свойствами того же сплава с рекристаллизованной структурой. Прочность при ВТМО растет в результате общего по­ вышения плотности несовершенств уже в закаленном состоянии и более равномерного распада пересыщенного раствора по телу зерен при старении (упрочняющая фаза выделяется по границам субзе­ рен и на одиночных дислокациях внутри них).

Более равномерный распад раствора и характерная для многих сплавов измельченность зерен и искривленность их границ (рис. 222) обусловливают высокий уровень пластичности после ВТМО. В отличие от НТМО, заметно снижающей пластичность, дополнительное упрочнение от ВТМО достигается при практически неизменном уровне пластичности. У алюминиевых сплавов ВТМО может даже повысить пластичность и ударную вязкость.

Упрочнение от ВТМО сохраняется до более высоких температур, чем после НТМО. Повышенная жаропрочность сплавов после ВТМО связана с зубчатостью границ зерен, затрудняющей межзе-

384

(толщиной до 12 мм) охлаждение на воздухе обеспечивает сквоз­ ную прокаливаемость. При большей толщине профилей из сплавов АД31 и 1915 их охлаждают водой прямо на прессе.

ВТМО стареющих сплавов в промышленности применяют зна­ чительно реже, чем НТМО, из-за указанных выше технологических ограничений и меньшего эффекта упрочнения.

Для освоения в производстве рекомендован процесс, включаю­ щий комбинацию ВТМО и НТМО,— так называемая высоко-низко­ температурная термомеханическая обработка (ВНТМО). При ВНТМО вначале .проводят закалку с деформационного натрева, затем холодную деформацию и старение (рис. 219). После ВНТМО прочность получается выше, а пластичность ниже, чем после ВТМО.

3. Предварительная термомеханическая обработка (ПТМО)

Сущность ПТМО заключается в том, что полуфабрикат, полу­ ченный после горячей деформации в нерекристаллизованном со­ стоянии, сохраняет нерекристаллизованную структуру и при нагре­ ве под закалку. ПТМО отличается от ВТМО тем, что операции го­ рячей деформации и нагрева под закалку разделены (рис. 219).

ПТМО широко применяют в технологии производства полуфаб­ рикатов из алюминиевых сплавов. Давно было известно, что прес­ сованные полуфабрикаты из сплавов типа дуралюмин, авиаль и др. отличаются значительно более высокой прочностью, чем катаные и кованые. Это явление было названо пресс-эффектом. Разница в прочности обусловлена тем, что прессованные полуфабрикаты пос­ ле закалки имели нерекристаллизованную структуру, а катаные и кованые—рекристаллизованную. Позже оказалось, что горячека­ таные листы и штамповки из ряда сплавов после закалки также на­ ходятся в нерекристаллизованном состоянии и характеризуются по­ вышенной прочностью.

Вместо терминов пресс-эффект, прокат-эффект и т. п. В. И. Добаткин предложил обобщающий термин структурное упрочнение, под которым понимается повышение прочности термически обрабо­ танных полуфабрикатов, обусловленное сохранением после закал­ ки нерекристаллизованной структуры. Свойства сплава в состоянии структурного упрочнения обычно сравнивают со свойствами того же сплава в рекристаллизованном состоянии. Прирост пределов прочности и текучести вследствие сохранения нерекристаллизован­ ной структуры у стареющих алюминиевых сплавов составляет от 10 до 40%- Этот прирост проявляется уже в свежезакаленном со­ стоянии из-за повышенной плотности несовершенств (дислокаций, связанных в субграницы, и одиночных дислокаций). Старениенерекристаллизованного сплава дает большее упрочнение, увеличивая разницу в свойствах рекристаллизованного и нерекристаллизованного полуфабриката. Пластичность же выше у сплавов в рекристаллизованном состоянии. Поэтому полуфабрикаты выпускают с рекристаллизованной структурой и повышенной пластичностью, а также и с полигонизованной структурой и повышенной прочностью.

386

Например, у дуралюминовых прутков Д1Р ств^ 38 кгс/м'м2 и 6^44% , а у прутков ДШ П* ств^ 4 3 кгс/м'м2 и 6^10% .

Получению нерекристаллизованной структуры во время горячей деформации при ПТМО, как и при ВТМО, способствуют повыше­ ние температуры и уменьшение скорости деформирования, сниже­ ние степени деформации и приближение схемы деформаций к схе­ ме всестороннего сжатия. В алюминиевых сплавах, как уже отме­ чалось, интенсивно развивается полигонизация, создающая ста­ бильную сетку субграниц, и поэтому в них легко получить нерекристаллизованную структуру, особенно при прессовании.

Добавки марганца, циркония и других антирекристаллизаторов, образующих дисперсные алюминиды (А1бМп, AUZr и др.), повыша­ ют температуру начала рекристаллизации и способствуют получе­ нию нерекристаллизованной структуры при горячей деформации. Особенно важно, что эти добавки, содержащиеся во многих алюми­ ниевых сплавах, способствуют сохранению нерекристаллизованной структуры при последующем нагреве под закалку.

Структурное упрочнение алюминиевых сплавов (ПТМО) давно и широко используется в крупнотоннажном массовом производстве полуфабрикатов и является примером эффективного промышленно­ го применения термомеханической обработки.

§ 52. ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА СТАЛЕЙ, ЗАКАЛИВАЕМЫХ НА МАРТЕНСИТ

Процессы ТМО сталей начали интенсивно изучать с середины 50-х годов в связи с изысканием новых путей повышения конструк­ тивной прочности.

I. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО)

При НТМО переохлажденный аустенит деформируется в обла­ сти его повышенной устойчивости, но обязательно ниже температу­ ры начала рекристаллизации и затем превращается в мартенсит (рис. 223). После этого проводят низкий отпуск (на рис. 223 не показан).

Сильное упрочнение в результате пластической деформации пе­ реохлажденного аустенита с последующей закалкой е температу­ ры деформирования было открыто американскими исследователя­ ми Лидсом и Ван Цайленом в 1954 г. Этот процесс, названный аусформингом, позволил повысить предел прочности конструкци­ онных легированных сталей до 280—330 кгс/мм2 при б=5-4-7%. Показатели пластичности и ударной вязкости получались не ниже, а в некоторых случаях даже выше, чем после обычной термообра­ ботки, обеспечивающей ав=11804-220 кгс/мм3. Понятно, что полу­ чение «сверхпрочности» сталей методом аусформинга вызвало гро­ мадный ннтерес.

* Р и ПП ■— это юстированные обозначения прутков с рекристаллизованной структурой и повышенной прочностью соответственно.

387

Причина упрочнения стали при НТМО — наследование мартен­ ситом дислокационной структуры деформированного аустенита.

Холодной деформацией нельзя сильно упрочнить сталь с мартен­ ситной структурой, так как мартенсит, содержащий углерод, хрупок и не поддается большим обжатиям. Аустенит же при температурах ниже

температуры начала рекристаллизации можно деформировать с большими обжатиями. При такой деформации в аустените сильно возрастает общая плотность дислокаций, образуются плотные сплетения дислокаций и ячеистая структура.

При мартенситном превращении соседи любого атома в аусте­ ните остаются соседями этого же атома в мартенсите. Поэтому ди­ слокации при у ->- a-превращении по мартенситному механизму не исчезают, а «передаются» от исходной фазы к новой, т. е. мартенсит наследует субструктуру деформированного аустенита. Очень высо­ кая плотность дислокаций в мартенсите, закрепленных атомами уг­ лерода и карбидными выделениями, обусловливает получение ре­ кордных значений прочности после НТМО.

Измельченностью кристаллов мартенсита объясняется приемле­ мый уровень показателей пластичности стали, находящейся в высо­ копрочном состоянии.

НТМО практически применима только к легированным сталям, обладающим значительной устойчивостью переохлажденного аусте­ нита.

Для получения рекордных значений предела прочности (до 330 кгс/мм2) легированные стали можно подвергать НТМО по схе­

388