CC BY
78
2. Бернштейн М.Л. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 432 с.
3. Шоршоров М.Х., Гвоздев А.Е., Тихонова И.В. Расчет энергии активации процессов сверхпластической деформации сталей и сплавов при одноосном растяжении // Известия ТулГУ. Сер. Материаловедение. Вып. 2.
2002. С. 222 - 226.
4. Грабский М.В. Структурная сверхпластичность металлов и сплавов: пер. с польского. М: Металлургия. 1975. 272 с.
D.N. Bogolyubova, А.Е. Gvozdev, О. V. Pantukhin
RESEARCH OF LAWS OF DISPLAY EFFECT DYNAMICAL RECRYSTALLIZATION IN THE METALS
Laws of change of structure and properties of various metals are investigated at hot deformation. Influence of temperature of deformation on the mechanical properties of bronze БрХ2, the alloy of AK8 and Chrome has been researched. Anomalies of characteristics of plasticity are noted at hot deformation: effects of the superplasticity, the raised plasticity and a plasticity failure.
Key words: hot deformation, microstructure, dynamical recovery, dynamical recrystallization, hyperplasticity.
Получено 14.07.11
УДК 539.2:669.15:338
О.В. Кузовлева, асп., (4872) 35-08-81, kusovleva@vandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
АНОМАЛЬНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ В МЕТАЛЛАХ И СПЛАВАХ ПРИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ В СОСТОЯНИИ ПРЕДПРЕВРАЩЕНИЯ
Установлены закономерности изменения структуры и свойств металлических систем при термомеханическом воздействии перед фазовыми переходами I и II рода. Проведена оптимизация режимов ресурсосберегающих способов формоизменения труднодеформируемых объектов, основанных на использовании резервов пластичности предпереходного состояния.
Ключевые слова: металлы, модели, пластичность, прочность, состояние предпревращения, ставы, стали, структура, температура превращения, термомеханическая обработка, термоциклирование.
Теория фазовых превращений изучает процессы формирования и изменения структуры твёрдых тел. Изучение закономерностей развития фазовых превращений важно для научного и практического использования, поскольку некоторые фазы могут проявлять уникальные свойства.
Особый интерес в рассмотрении механизма фазовых превращений представляет «состояние предпревращения». В этот момент наблюдается аномальное изменение некоторых свойств (теплоёмкости, электросопротивления, модуля упругости и др.). Причём материал начинает «готовиться» к фазовому превращению за 50...200 °С до температуры фазового равновесия.
В интервале температур, когда в структуре металла происходит фазовое превращение, обычные, стабильные свойства материала претерпевают некоторые изменения.
В этот промежуток времени свойства могут изменяться аномально и выходить за пределы, соответствующие свойствам начального и конечного состояния материала [1].
Отмечается резкое уменьшение модуля упругости в точке фазового перехода второго рода [2]. Ряд авторов указывает на падение величины твёрдости во время протекания фазового превращения, а также на непрерывное повышение электрической проводимости [3].
Согласно классическим термодинамическим представлениям при фазовых переходах свойства решётки должны меняться скачком в точке превращения, а до и после неё характеризоваться определённой температурной зависимостью.
Однако в настоящее время можно с уверенностью утверждать, что это не совсем так.
С целью определения положения температурного интервала, в котором проявляются подобные изменения, т.е интервала предпревращения, по литературным данным были построены графики изменения плотности, теплоёмкости и электросопротивления в зависимости от температуры для металлов разных подгрупп периодической системы Д.И. Менделеева, испытывающих полиморфное или магнитное превращение (рис. 1).
а
а
Поведение свойств можно условно описать несколькими схемами, где кривой 1 изображено реальное поведение свойства, а кривой 2 - поведение свойства после экстраполяции.
287
V \>и Т “ 'Ср 'фп * *-* 'р хфп
а б в
Рис. 1. Схемы типичных температурных зависимостей:
- плотности, б - теплоёмкости, в - электросопротивления
Вид зависимости плотности от температуры одинаков для всех металлов. Приведённые температурные зависимости теплоёмкости и электросопротивления наблюдаются у металлов разных подгрупп. Могут встречаться также и другие виды схем температурных зависимостей.
Установлено, что в среднем по всем свойствам значение температурного интервала составляет 0,2 от температуры фазового перехода Тфп, что свидетельствует о том, что задолго до температуры фазового перехода металлическая система начинает готовиться к нему. Это и есть состояние предпревращения.
Попробуем объяснить такое аномальное изменение свойств металлических сплавов с позиций классической теории образования и роста зародышей новой фазы.
Для этого были проведены количественные оценки размера критического зародыша, количества зародышей и объёмной доли зародышей фаз чистых металлов - титана, таллия и гафния - с различной температурой фазового перехода. У каждого из этих металлов низкотемпературная модификация имеет ГПУ решетку, а высокотемпературная - ОЦК решетку.
Согласно классической теории зарождение новой фазы протекает за счет появления и последующего роста зародышей новой фазы.
В результате развития подобного процесса даже первоначально однофазная система при фазовых переходах первого рода становится гетеро-фазной. В такой системе структурно-чувствительные свойства могут рассматриваться как аддитивные величины.
По мнению автора, наибольший интерес из подобных свойств представляет теплоёмкость.
Установлено, что для объяснения наблюдаемых аномалий теплоёмкости титана возникновением и ростом зародышей (3-фазы задолго до температуры полиморфного превращения объёмная доля зародышей вблизи критической точки должна быть не ниже значения 0,6.
Показано, что в гафнии суммарная объёмная доля зародышей новой фазы к моменту а—>|3-перехода составляет 10" (или 1 % по объёму), которое хотя и является самым высоким значением для исследуемых трёх металлов, но объяснить экспериментально наблюдаемые изменения теплоёмкости не может.
Следовательно, классическая флуктуационная теория не может объяснить изменение свойств в состоянии предпревращения появлением зародышей новой фазы.
Для установления причин аномального изменения свойств вблизи температур критических точек проводили количественные оценки энергии активации и установили, что полученные значения соответствуют значениям энергии активации образования вакансий. Именно вакансии освобождают часть занятых атомами матричной фазы узлов решётки и облегчают её перестройку при фазовом превращении.
Используя состояние предпревращения, можно управлять, в частности, таким свойством, как пластичность.
С этой целью проведено изучение поведения пластичности углеродистых сталей марок 10, 35 и У8А в зависимости от скорости деформации вблизи критических точек АС1 и Асз.
Проведённые исследования иллюстрируют изменение пластичности сталей в интервале температур Т = 700...870 °С при скорости деформации 1 мм/мин. В каждой точке испытывали по 3-4 образца. Пластичность оценивали величиной относительного удлинения образца после растяжения.
Следует отметить, что растяжение при испытаниях сталей в условиях повышенных температур сопровождается чередующимися процессами упрочнения и возврата.
При испытаниях с более высокими скоростями таких «скачков» на диаграмме не наблюдается, процессы идут более интенсивно и получаемые значения относительного удлинения зачастую ниже, чем при испытаниях с малыми скоростями деформации.
На рис. 2 совмещены данные из марочника сталей [4], иллюстрирующие изменение пластичности стали марки 10 в интервале температур испытаний от 20 до 500 °С, а также результаты собственных исследований пластичности при температурах испытания вблизи точек Ас1 и Асз.
Рис. 2. Влияние температуры деформации на механические свойства
стали марки 10
Состояние предпревращения для точки Асз в стали марки 10 приходится на температурный интервал 725...840 °С. Именно в указанном интервале температур реализуется эффект повышенной пластичности (8 ~ 50 %).
При этом на зависимости предела пропорциональности от температуры испытания наблюдали «площадку», свидетельствующую о замедлении разупрочнения материала.
Сравним результаты, полученные для сталей марок 35 и У8А, с диаграммой профессора А.П. Гуляева (рис. 3).
289
По диаграмме эффект повышенной пластичности для стали 35 следует ожидать в интервале температур 680...725 °С, для стали У8А - в интервале 700.. .725 °С, затем аустенитное состояние при повышении температуры.
Проведённые экспериментальные исследования и полученные значения повышения пластичности подтверждают концепцию профессора
А. П. Гуляева.
Учитывая возможности предпереходного состояния, можно повышать пластические свойства металлических материалов с целью улучшения их эксплуатационных характеристик.
Так, при увеличении ресурса пластичности быстрорежущей стали в состоянии предпревращения можно осуществлять процесс деформирования этой стали с меньшими усилиями и при более низких температурах, что исключает обезуглероживание образца и снижает энергоёмкость процесса деформирования.
В связи с этим была предпринята попытка установить характер изменения пластичности высоколегированной металлорежущей стали Р6М5-МП. Исследования проводили в интервале температур от 600 до 900 °С и скоростей деформации от 0,001 до 0,1 с'1.
в г
Рис. 3. Зависимость пластичности сталей марок 10 (а), 35 (б) и У8А (в) от температуры; г - области сверхпластичности
Если оценивать значения пластичности в критических точках, то можно сказать, что при температуре 823 °С при скоростях деформации
0,1 и 0,01 с’1 проявляется эффект повышенной пластичности, а при скорости деформации, равной 0,001 с"1, проявляется эффект сверхпластичности и относительное удлинение превышает 100 %.
Эти результаты легли в основу способа обработки быстрорежущей стали, который защищён патентом [5].
Если рассмотреть изменение предела прочности этой стали при растяжении и сжатии в исследуемых температурно-скоростных условиях, то можно отметить, что минимальное значение предела прочности также соответствует температуре 823 °С.
Это подтверждает концепцию профессора Гуляева А.П. и гипотезу автора о том, что материал перед фазовым переходом находится в состоянии механической неустойчивости, где сопротивление деформации минимально и материал наиболее податлив [6].
Обнаруженные эффекты повышенной пластичности и особенности проявления сверхпластичности подтверждают высказанное положение об особом состоянии кристаллической решётки. Но проявляются эти эффекты в области фазовых переходов I рода.
Несомненный интерес в этой связи представляет обнаружение откликов системы на внешнее воздействие в окрестности точки фазового перехода II рода.
Проведены исследования на образцах технически чистого никеля. Средний размер зерна ~ 6 мм. Из прутка были изготовлены образцы со стороной 10 мм, которые подвергали термоциклической обработке по трём различным режимам. Первые два режима представляли собой обработку вблизи температуры Кюри, которая для никеля составляет 365 °С. Температурный интервал третьего режима соответствовал температурному интервалу развития процесса рекристаллизации в никеле.
При термоциклировании в течение 15 циклов по всем указанным режимам происходило измельчение исходного крупнозернистого никеля, однако параметры структуры существенно различаются.
Мелкозернистая структура с высокой степенью однородности размера зерна получена после термоциклирования по режиму I, т.е. в температурном диапазоне, предшествующем фазовому переходу II рода.
Микроструктура, полученная после циклирования по режиму II, характеризуется «ухудшением» параметров однородности зёренного строения.
Так, при этом дисперсия распределения зёрен по размерам увеличивается в 2,8 раза по сравнению с аналогичным параметром, полученным после термоциклирования по режиму I. Аналогичным образом ведёт себя и коэффициент вариации. Почти в 3 раза укрупняется зерно при термоцик-
лировании по режиму III, что подтверждается также данными рентгеноструктурного анализа.
Проанализируем изменение вблизи точки Кюри таких свойств, как модуль упругости и температурный коэффициент линейного расширения, по поведению которых можно судить об изменении сил межатомного взаимодействия (рис. 4) [7].
Максимальные перепады значений рассматриваемых свойств характерны для режима I. Причём характер изменения этих свойств в период предпревращения соответствует представлениям об этом, как о состоянии с ослабленными межатомными связями.
Резкие перепады значений модуля упругости и температурного коэффициента линейного расширения способствуют появлению при термоциклической обработке напряжений и деформаций, обеспечивающих дробление зёрен и формирование мелкого субзерна.
На образцах никеля в исходном состоянии и после термоциклической обработки проводили также рентгеновский текстурный анализ, который показывает, что после обработки по режиму I на полюсных фигурах, полученных по кристаллографическим плоскостям (111), (200) и (311), полюсная плотность падает в 1,5-2,0 раза.
Рис. 4. Температурные зависимости модуля Юнга и температурного коэффициента линейного расширения никеля [7,10]
Это может быть связано с повышением дисперсности и однородности структуры никеля после термоциклирования в состоянии предпревращения, что соответствует результатам выполненного микроскопического анализа.
Была также предпринята попытка использования состояния предпревращения для изготовления металлорежущего инструмента.
Известно множество исследований и разработок в этой области [8, 9]. Разработанный автором способ деформирования быстрорежущей стали
292
имеет ряд преимуществ, позволяющих получать металлорежущий инструмент повышенной стойкости [5].
Деформирование производится в два этапа в изотермических условиях. На 1-м этапе деформирование металла происходит со скоростью 10’4 с’1 и со степенью деформации до 40 %. На 2-м этапе деформирование осуществляется со скоростью 10' со степенью деформации до 60 %. На этом этапе происходит насыщение материала дефектами структуры, что способствует повышению механических свойств.
Твердость заготовок после деформирования не превышает их исходной твердости. Отсутствие упрочнения заготовок после деформирования является важным технологическим преимуществом, связанным с сокращением энергоёмкости производства.
В порошковой стали Р6М5-МП в условиях сверхпластичности обеспечивается получение однородной мелкозернистой структуры, которая может наследоваться при последующей окончательной термической и химико-термической обработке быстрорежущего инструмента и повышать его стойкость.
Полученные экспериментальные результаты подтверждены рядом работ [6, 10, 11].
Список литературы
1. Воробьёв В.Г. Аномальные свойства металлических веществ во время протекания внутренних превращений и их техническое значение // Известия вузов. Машиностроение. 1960. № 8. С. 120-131.
2. Новиков И.И. Особые состояния металлических кристаллов // Металлы. 1997. № 1. С. 65-69.
3. Блантер М.Е., Машков А.К. Аномальные изменения свойств сплавов в процессе фазовых превращений // Металловедение и термическая обработка металлов. 1959. № 1. С. 6-10.
4. Марочник сталей и сплавов / В.Г. Сорокин [и др.]; под общ. ред.
В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. 640 с.
5. Способ обработки быстрорежущей стали, пат. 2007107236/02 (2337977) Рос. Федерация. № 2007107236/02; заявл. 26.02.07; опубл. 16.05.08. Бюл. № 31. 5 с.
6. Тихонова И.В., Гвоздев А.Е., Кузовлева О.В. О состоянии пред-превращения металлов и сплавов: методика и результаты экспериментальных исследований и практических разработок [Электронный ресурс].
7. Свойства элементов: справочное изд-е в 2 кн. Кн. 1 /под ред. М.Е. Дриц. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский дом «Руда и металлы»,
2003. 456 с.
8. Гвоздев А.Е. Производство заготовок быстрорежущего инструмента в условиях сверхпластичности. М: Машиностроение, 1992. 176 с.
9. Гвоздев А.Е. Ресурсосберегающая технология термомеханической обработки быстрорежущих вольфрамомолибденовых сталей типа Р6М5 //МИТОМ. 2005. №12. С. 27-30.
10. Влияние термоциклической обработки на структурные превращения в деформированном никеле / И.В. Тихонова [и др.]. Производство проката, 2011. № 3. С. 26-28.
11. Комплексный подход к исследованию экстремальных эффектов и сверхпластичности в металлических системах: монография / А.Е. Гвоздев [и др.]. Тула: Издательство ТулГУ, 2011. 114 с.
О. V. Kusovleva
ABNORMAL CHANGES OF STRUCTURE AND PROPERTIESIN METALS AND ALLOYS AT THERMOMECHANICAL INFLUENCES IN THE CONDITION OF PRETRANSFORMATION
Laws of change of structure and properties of metal systems at thermomechanical influence on them before phase transitions of the first and second sorts are established; optimization of modes of resource saving ways of form change of objects difficult to deform and based on the use of reserves of a pretransitive status plasticity is carried out.
Key words: metals, models, plasticity, durability, a status of pretransformation, alloys, steel, structure, transformation temperature, thermomechanical processing, cycling.
Получено 15.08.2011.
УДК [669.715.055:669.782]:537.81:66.065.5 A.A. Демидов, acn.,
И.М. Кавицкий канд. техн. наук,
А.Е. Гвоздев, д-р техн. наук, проф.,
О.В. Пантюхин, канд.техн.наук, доц., директор издательства,
(4872) 35-36-20, ntomach@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)
ИЗМЕНЕНИЕ СТРУКТУРЫ СИЛУМИНА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПЕРЕМЕННЫМИ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ ПОЛЯМИ В ПРОЦЕССЕ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ
Исследовано структурообразование алюминиевого сплава эвтектического состава АК-12 и изменение механических свойств при кристаллизации под воздействием переменных электромагнитных полей.
Ключевые слова: металлический сплав, алюминий, механические свойства, кристаллизация, электромагнитное поле.
Химический состав сплава, определенный на спектрометре ПАПУАС-4, приведен в табл. 1. По составу материал соответствует сплаву АК12 по ГОСТ 1583-93.
