Теория термической обработки стали

 

Термической называют обработку, связанную с нагревом и охлаждением металла с целью изменения его структуры и свойств.

Температурные режимы термообработки сталей связаны с диаграммой Fe-Fe₃C. Равновесные температуры, отвечающие положению линий PSK, GS и SE диаграммы, обозначают А₁, А₃ и А _m соответственно. Нагрев под термообработку проводится выше линии фазовых превращений, соответствующей содержанию углерода в стали, на 30…50 ^◦С (рис. 6.1). Неравновесные температуры превращений при нагреве обозначают: перлита в аустенит ‑ А с₁; превращений в однородный аустенит для доэвтектоидных сталей ‑ А с₃, для заэвтектоидных сталей ‑ А cm.

В зависимости от склонности к росту аустенитного зерна при нагреве различают наследственно крупнозернистые (зерно склонно к росту) и наследственно мелкозернистые (зерно не склонно к росту) стали.

 

 

Рис. 6.1. Оптимальные температуры Рис. 6.2. Диаграмма изотермического

термообработки для сталей распада аустенита

 

Свойства стали, возникшие в результате той или иной обработки, определяются реально образовавшимся зерном – действительным зерном. Наследственная зернистость должна учитываться при назначении режимов обработки. Основными видами термической обработки сталей являются отжиг (первого и второго рода), нормализация, закалка и отпуск.

Отжиг состоит в нагреве металла, выдержке и последующем медленном охлаждении вместе с печью со скоростью примерно 150⁰/ч. Отжиг приближает металл к равновесному состоянию.

Отжиг первого рода проводят для получения более равновесной структуры, чем исходная. К нему относятся рекристаллизационный и диффузионный отжиги.

При рекристаллизационном отжиге деформационно упрочненный металл нагревают несколько выше температурного порога рекристаллизации (Т_рекр=0,4Т_пл). В результате отжига металл приобретает такие же механические свойства, какие он имел до деформации.

Диффузионный (гомогенизирующий) отжиг проводят при нагреве до высоких температур (для сталей – значительно выше А с₃ или А cm), предполагающих интенсивную диффузию атомов. Такому отжигу подвергают, например, отливки для устранения дендритной ликвации (гомогенизации сплава).

При отжиге второго рода обязательно протекает, хотя бы частичная, фазовая перекристаллизация. К отжигу второго рода относятся неполный и полный отжиг.

При неполном отжиге нагрев ведут до температуры А с₁ (ниже А с₃ или А сm). Происходит частичная перекристаллизация сплава (перлит переходит в аустенит). Чаще неполный отжиг применяют для заэвтектоидных сталей (сфероидизирующий отжиг).

При полном отжиге сталь нагревают выше А с₃ или А cm. Происходит полная перекристаллизация сплава с образованием однородного аустенита.

Нормализация – это частный вид отжига, отличающийся от отжига, большей скоростью охлаждения (примерно 150⁰/мин), проводится на спокойном воздухе и характеризуется более мелкозернистой структурой, чем после отжига, более высокой твердостью и прочностью. Нагрев доэвтектоидных сталей под нормализацию проводится выше линии А с₃, а заэвтектоидных – выше А cm.

Закалка состоит в нагреве сплавов выше температур фазовых превращений и последующем быстром охлаждении, фиксирующем их высокотемпературное состояние (истинная закалка) или состояние, промежуточное между высокотемпературным и равновесным, характерным для нормальной температуры (изотермическая закалка). Назначение закалки – повысить твердость и прочность сталей по сравнению с этими характеристиками после отжига в 2-3 раза.

Теоретическая возможность осуществления закалки определяется видом диаграммы состояния системы, которой принадлежит сплав. Необходимо, чтобы при нагреве он испытывал хотя бы частичную твердофазную перекристаллизацию. При скоростях закалки диффузионные процессы в металле в значительной степени подавляются, и, следовательно, фазовые превращения не могут не отличаться от равновесных. (отставание диффузионных процессов в твердой фазе при неравновесном охлаждении даже при кристаллизации из жидкого расплава приводит к разнородности состава кристаллов в центре и на периферии).

Нагрев при закалке доэвтектоидных сталей проводится до температур выше А с₃ (полня закалка)_, а заэвтектоидных – выше А с₁ (неполная закалка). В зависимости от скорости охлаждения существуют два принципиально различных способа закалки:

- закалка на мартенсит, которая проводится при скорости охлаждения, равной или больше критический;

- закалка на ферритно-цементитные смеси (троостит, бейнит) при охлаждении со скоростью ниже критической.

Суть мартенситного превращения состоит в перестройке кристаллической решетки аустенита (ГКЦ) в тетрагональную решетку (рис. 6.3). Таким образом, мартенсит представляет собой пересыщенный твердый раствор углерода в феррите с увеличенным параметром с. Мартенситное превращение протекает по бездиффузионному, сдвиговому механизму. Под действием напряжений, возникающих при быстром охлаждении сплава, в кристаллической решетке аустенита происходит сдвиг по плоскостям легкого скольжения {111} с одновременной γ → α перестройкой. Отличительными особенностями мартенситного превращения являются бездиффузионность и ориентированность

(иглы мартенсита находятся под определенными углами относительно друг друга в соответствии с расположением плоскостей легкого скольжения в аустените). Мартенсит – самая твердая структура, образующая при термообработке сталей. Чем больше в нем углерода, тем он тверже.

При разных скоростях охлаждения (рис. 6.2.) от температур термообработки образуются разные структуры: мартенсита и перлитного типа (перлит, сорбит, троостит, бейнит). Перлитное превращение является диффузионным, т.к. при нем происходит распад аустенита на ферритно-цементитную смесь различной дисперсности (разное расстояние между частицами феррита и цементита). Троостит ‑ наиболее дисперсная (мелкая) структурная составляющая и образуется при температурах, несколько выше линии начала мартенситного превращения М_н. Чем структура дисперснее, тем выше ее механические свойства.

Мартенситное превращение протекает в интервале температур начала и конца мартенситного превращения (М_н – М_к). Если М_к лежит ниже нуля градусов, то после закалки в сталях наряду с мартенситом сохраняется аустенит, который называется остаточным. Количество остаточного аустенита определяется режимами термической обработки и зависит от содержания углерода в стали. С увеличением содержания углерода в стали температуры М_н и М_к понижаются, а количество аустенита остаточного возрастает.

Заэвтектоидные стали в отличие от доэвтектоидных подвергают неполной закалке. Это объясняется тем, что избыточная фаза заэвтектоидных сталей (цементит) обладает высокой твердостью, и наличие дисперсных включений цементита повышает износостойкость стали. Нагрев до А _cm привел бы к растворению цементита и, кроме того, к укрупнению аустенитного зерна, а следовательно, к возникновению после закалки структуры крупноигольчатого мартенсита, обладающего пониженными механическими свойствами. Если неполной закалке подвергнуть доэвтектоидную сталь, то избыточная фаза (феррит), имеющая малую твердость, понизит твердость и прочность закаленного сплава.

Большинство легирующих элементов, растворенных в аустените, повышают его временную устойчивость, сдвигая С-образные кривые изотермического превращения аустенита вправо по координатной оси времени. При этом критическая скорость закалки (касательная к С-образным кривым) уменьшается. В сталях мартенситного класса (Р14Ф4, 40Х9С6М, Х12МФ) этого уменьшения оказывается достаточно, чтобы уже при нормализации получить мартенситную структуру.

Легирующие элементы не влияют на механизм мартенситного превращения. Они лишь влияют на температуры М_н и М_к. Большинство легирующих элементов понижают эти температуры, кремний не влияет на них, а алюминий и кобальт повышают.

Мартенсит – термически неустойчивая структура. Нагрев, повышая подвижность атомов, приводит к образованию более устойчивых структур (троостит, сорбит, перлит). С повышением температуры снижается твердость и возрастает пластичность сплава.

Термическая обработка, состоящая в нагреве закаленной стали до температуры ниже А₁, выдержке и последующем охлаждении с произвольной скоростью, называется отпуском. Чем выше нагрев, тем в большей степени структура приближается к равновесной. Различают три вида отпуска в зависимости от температуры: низкий (150…250 ^ºС), средний (300…450 ^ºС) и высокий (500…680 ^ºС).

Сочетание закалки и высокого отпуска называют улучшением, а стали, предназначенные для такой обработки (среднеуглеродистые стали), ─ улучшаемыми.

В некоторых случаях нагрев при отпуске заменяют длительной выдержкой при нормальной температуре. Такая обработка называется старением. Если старение проводят с небольшим нагревом, то его называют искусственным.

Обычно при среднем отпуске образуется трооститная структура, при высоком – сорбитная. Троостит и сорбит отпуска отличается зернистой формой цементита.

Следует различать термины "закаливаемость" и "прокаливаемость". Закаливаемость – это способность металла повышать твердость при закалке. Прокаливаемость – это глубина, на которую распространяется закаленная область. При сквозной прокаливаемости свойства материала однородны и достаточно высоки по всему сечению. Количественно прокаливаемость оценивается критическим диаметром, под которым понимают наибольший диаметр прутка, прокаливающегося насквозь (в центре возникает полумартенситная структура, состоящая на 50 % из троостита и на 50 % из мартенсита) в данном охладителе. Чем больше скорость охлаждения, тем на болдшую глубину прокаливается изделие. Поэтому критический диаметр при охлаждении в воде больше, чем в масле.

Прокаливаемость сталей значительно увеличивают легирующие элементы (кроме кобальта), растворенные в аустените. Критический диаметр зависит от критической скорости закалки, чем она меньше, тем больше диаметр.

В ряде случаев применяют закалку, при которой высокому нагреву подвергают лишь поверхностный слой материала (поверхностная закалка). В результате поверхностной закалки изделие приобретает высокую поверхностную твердость, сердцевина же остается вязкой. Широко применяют закалку с индукционным нагревом токами высокой частоты (ТВЧ). Чем выше частота тока, тем тоньше слой, в котором индуцируются токи, и тем тоньше окажется закаленный слой.

Химико-термической (ХТО) обработкой называется технологический процесс, при котором металл нагревают в специальных средах, изменяющих химический состав поверхностного слоя. Распространенными видами ХТО сталей являются цементация (насыщение поверхностного слоя изделия углеродом), азотирование (насыщение азотом), нитроцементация и цианирование (насыщение азотом и углеродом одновременно).

Цементация сталей проводится в аустенитной области диаграммы состояния Fe-Fe₃C при температурах 950 – 1050 º. Ей подвергаются низкоуглеродистые (до 0,25 % С) стали (цементуемые). В качестве насыщающих сред – карбюризаторов используют древесный уголь с добавками углекислых солей; углеродсодержащие газы; расплавы солей с добавками карбидов. Максимально возможное насыщение поверхностного слоя определяется линией SE диаграммы – линией предельной концентрации углерода в аустените. Содержание углерода составляет 0,9 – 1,2 % по поверхности, а исходное ‑ в сердцевине. Таким образом, цементацией достигается желаемое распределение углерода по сечению изделия. Конечная цель цементации – получение поверхностного слоя высокой твердости и прочности при сохранении вязкой сердцевины достигается последующей (после насыщения углеродом) закалкой и низким отпуском. После термообработки поверхностный слой изделия состоит из высокоуглеродистого мартенсита, сердцевина – из низкоуглеродистого вязкого мартенсита (при высокой прокаливаемости) или сохраняет ферритно-перлитную структуру доэвтектоидной стали.

ХТО, состоящую в диффузионном насыщении поверхностного слоя азотом и углеродом и проводимую в расплавленных солях, содержащих группу CN, называют цианированием.

Если насыщение азотом и углеродом осуществляется в газовой фазе, состоящей из азот- и углеродсодержащих газов, то такая химико-термическая обработка называется нитроцементацией.

 

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

Быстрорежущие стали представляют собой высоколегированные инструментальные сплавы. По структуре после отжига они относятся к ледебуритному классу. Для повышения структурной однородности литую сталь подвергают горячей обработке давлением, при которой дробится сетка эвтектики. В структуре катаной стали после отжига наблюдаются крупные первичные карбиды, представляющие осколки ледебуритной эвтектики, мелкие вторичные карбиды, выделившиеся в литой стали из аустенита, и очень мелкие эвтектоидные карбиды, входящие в сорбитный фон.

Высокая теплостойкость (красностойкость) быстрорежущих сталей достигается термической обработкой с получением высоколегированного мартенсита, способного сопротивляться отпуску до 600…650 ^ºС и, следовательно, сохранять до этих температур высокую твердость, прочность, износостойкость. Степень легирования мартенсита определяется составом исходного аустенита. Чем выше температура закалки, тем больше легирующих элементов (W, Mo, V), входящих в состав вторичных карбидов, растворяется в аустените, поэтому быстрорежущие стали нагревают под закалку до 1200…1300 ^ºС. Первичные карбиды в аустените не растворяются, но препятствуют росту аустенитных зерен, блокируя их границы. Быстрорежущие стали обладают весьма низкой теплопроводностью, поэтому их нагрев до температуры закалки ведут ступенчато с одной или двумя температурными остановками, что позволяет предупредить появление коробления и трещин. Высокая легированность аустенита предопределяет довольно низкие температуры начала и конца мартенситного превращения, что обусловливает сохранение после закалки значительного количества (более 30 %) остаточного аустенита, который понижает режущие свойства стали. Уменьшение содержания остаточного аустенита достигается проведением после закалки трехкратного отпуска, при котором из аустенита выделяются карбиды легирующих элементов, что влечет за собой повышение температуры мартенситного превращения, и при охлаждении от температур отпуска аустенит превращается в мартенсит. Для уменьшения количества остаточного аустенита иногда закаленную сталь подвергают обработке холодом, т.е. охлаждают в область отрицательных температур (- 80…-196 ^ºС), что также способствует увеличению количества мартенсита.

Быстрорежущие стали маркируют буквой Р, после которой следует число, указывающее на содержание вольфрама в процентах. В остальном маркировка такая же, как у легированных инструментальных сталей. Например, Р18 (18 % W), Р6М5 (6 % W, 5% Мо), Р18К5Ф2 (18 % W, 5 % Со, 2 % V). Содержание углерода составляет 0,7…0,8 %.

Твердые сплавы ─ это инструментальные материалы, состоящие из частиц карбидов тугоплавких металлов (WC, TiC, TaC), объединенных металлическим связующим компонентом (кобальтом), изготавливаемые методом порошковой металлургии. Твердые сплавы обладают высокой твердостью (90…92HRA), износостойкостью, красностойкостью (800…900 ^ºС).

Существуют сплавы следующих групп: вольфрамовые, титановольфрамовые и титанотанталовольфрамовые.

Вольфрамовые сплавы, например, ВК2, ВК8, ВК15, ВК25 состоят из карбидов вольфрама и металлического кобальта (число, стоящее в марке сплава после буквы К, указывает процентное содержание кобальта). Чем больше в сплаве карбида вольфрама, тем сплав тверже и хрупче. Вязкость сплава, дающая возможность воспринимать ударные нагрузки, обеспечивается кобальтом. Сплав ВК2, содержащий около 2 % кобальта, обладает весьма низкой вязкостью. Им можно вести лишь чистовую обработку резанием, не сопровождающуюся динамическими нагрузками. Твердость же и износостойкость сплава настолько высоки, что позволяют обрабатывать закаленные стали. Сплав ВК8 более вязок, но менее тверд, менее износостоек и красностоек. Этим сплавом можно обрабатывать отливки по литейной корке. Сплав ВК15 может быть использован для армирования бурового инструмента, работающего по твердым породам со значительными ударными нагрузками. Сплав ВК25 вязок, из него можно изготавливать детали штампов, воспринимающих ударные нагрузки, возникающие при работе молота.

Титановольфрамовые сплавы, например, Т5К10, Т15К6, Т30К4 изготавливают из карбидов титана, карбидов вольфрама и металлического кобальта. В марке сплава число, стоящее после буквы Т, указывает на содержание в шихте сплава карбида титана в процентах; число, после К, ─ содержание кобальта. Содержание карбида вольфрама определяют по разности. Так, в шихте твердого сплава Т5К10 содержится 5 % TiС, 10 % Co и 85 % WC. Карбид титана обладает более высокой твердостью, чем карбид вольфрама, поэтому чем больше в сплаве TiC (точнее твердого раствора карбида вольфрама в карбиде титана), тем большей твердостью и износостойкостью обладает сплав. Большей твердостью обладает сплав Т30К4. С увеличением в сплавах содержания кобальта (Т15К6, Т5К10) твердость снижается, но повышается эксплуатационная прочность. Применяют титановольфрамовые сплавы в основном для обработки сталей.

Титанотанталовольфрамовые сплавы изготавливают из карбидов титана, карбидов тантала, карбидов вольфрама и металлического кобальта. Например, шихта сплава ТТ7К12 содержит 7 % карбидов титана и тантала, 81 % карбидов вольфрама и 12 % кобальта. Применяют титанотанталовольфрамовые сплавы для черновой (например, сплав ТТ7К12) и чистовой (например, сплав ТТ8К6) обработки труднообрабатываемых материалов (жаропрочных сталей, титановых сплавов и др.).

ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ

Медь и ее сплавы

Медь ─ металл красноватого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Плотность Сu равна 8890 кг/м³. При 1083 ^ºС медь плавится. Она обладает высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью в сухой атмосфере (Сu примыкает к группе благородных металлов). Механические свойства меди характеризуются высокой пластичностью и невысокими прочностью и твердостью.

В технике наряду с чистой медью широко используются ее сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы меди с цинком, называемые латунями, и сплавы с другими элементами (Sn, Si, Al, Ве т.д.), получившие название бронзы.

Латуни, содержащие цинка до 39 %, имеют структуру твердого раствора α и называются α-латунями. Чем больше в α-латуни цинка, тем выше прочность и пластичность сплава. Увеличение концентрации Zn сверх 39% приводит к появлению в структуре сплава фазы β-твердого раствора на базе химического соединения CuZn с электронным типом связи. Прочность сплавов α+β по мере возрастания содержания цинка увеличивается, а пластичность убывает. При концентрации Zn более 45 % сплав становится однофазным твердым раствором β. Такие сплавы хрупки и практического применения не имеют.

Кроме основных компонентов (Cu и Zn) латунь может содержать легирующие элементы (Al, Fe, Pb, Sn и т.д.).

Латуни делят на деформируемые и литейные, простые и специальные. Простые латуни имеют в составе только медь и цинк, а в состав специальных входят и легирующие элементы. Деформируемые латуни маркируют буквой Л и следующими за ней буквенными обозначениями легирующих элементов, если таковые имеются. Затем следует группа чисел, первое из которых указывает на концентрацию меди, а каждое из последующих ─ на содержание соответствующего легирующего элемента. Концентрация цинка определяется по разности. Например, сплав Л62 содержит 62 % Cu и 38 % Zn; ЛАН 59-3-2 содержит 59 % Cu, 3 % Al, 2 % Ni и 36 % Zn.

Литейные латуни обозначают ЛЦ, содержание цинка указывается после буквы Ц, а содержание меди определяют по разности. Концентрация легирующих элементов указывается непосредственно за буквенными символами. Например, сплав ЛЦ40Мц3А содержит 40 % Zn, 3 % Mn, 1 % Al и 56 % Cu.

Бронзы делят на литейные и деформируемые, оловянистые и безоловянистые. Маркировка производится буквами Бр, а затем в деформируемых бронзах ставятся буквенные обозначения имеющихся легирующих элементов. А после них группа цифр, означающая их количественное содержание. У литейных бронз после каждой буквы ставится цифра, означающая содержание легирующего элемента. Например, сплав БрОЦС 4-4-17 ─ деформируемая бронза, содержащая 4 % Sn, 4 % Zn, 17 % Pb, основа сплава ─ медь; сплав БрО3Ц12С5 ─ литейная бронза, содержащая 3 % Sn, 12 % Zn, 5 % Pb, основа сплава Cu.

Сплавы меди широко применяют для изделий, обладающих высокой теплопроводностью, электрической проводимостью (контакты, детали реле, токопроводящая арматура и др.), коррозионной стойкостью. Например, латуни Л62, Л68 используют для различной теплообменной аппаратуры; для паровой и водяной арматуры используют морскую латунь ЛО 70-2, бронзы БрО5Ц5С5, БрО3Ц7С5Н. Оловянистые, оловянисто-цинково-свинцовые, алюминиевые, свинцовые бронзы, кремнистые и марганцовистые латуни, например, БрО10Ф1, БрС30, ЛЦ16К4 применяют для изготовления вкладышей подшипников скольжения. Бериллиевые бронзы, например БрБ2, применяют для изготовления ответственных пружин, мембран, пружинящих контактов.

 

Алюминий и его сплавы

Алюминий ─ легкий металл (плотность 2700 кг/м³) серебристо-белого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Температура плавления алюминия 660^ºС. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновременно исключительной коррозионной стойкостью, объясняемой образованием на поверхности беспористой оксидной пленки Al₂О₃, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия характеризуются низкой прочностью и твердостью и высокой пластичностью.

Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими удельными механическими свойствами, высокой коррозионнойстойкостью, свариваемостью и т. д.

Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре отсутствует эвтектика), литейные (сплавы с эвтектикой), неупрочняемые термической обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофазными превращениями). Кроме того, сплавы подразделяют на жаропрочные, высокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т. д.

Деформируемыми сплавами, не упрочняемыми термообработкой, являются сплавы на основе систем: Al-Mg и Al-Mn. Сплавы Al-Mg ‑ магналии, например, АМг2, АМг3, АМг6; сплавы Al-Mn, например, АМц.

Наиболее важными деформируемыми сплавами, упрочняемыми термической обработкой, являются:

─ сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Mn (дюралюмины), например, Д1, Д16, ВД17, Д18, Д19, В65 (сплав ВД17 жаропрочный, Д18 и В65 – сплавы для заклепок);

─ сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ, АД31, АД35;

─ ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6, АК8, на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1 (сплав жаропрочный);

─ высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93, В95, В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы Al-Cu-Li, ─ ВАД23.

Литейными сплавами являются сплавы на основе систем Al-Si (силумины), например, АЛ12 (АЛ2), АЛ7ч (АЛ9); Al-Cu, например, АЛ19, АЛ33; Al-Mg, например, АЛ8, АМг10 (АЛ27).

В соответствии с новой цифровой системой маркировки Al cплавов единица, стоящая в начале марки, характеризует основу сплава – алюминий, вторая цифра обозначает основной легирующий элемент или группу элементов, третья или третья и вторая цифры ‑ те же, что и в старой маркировке, нечетное число или ноль. Цифры, стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литейных сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, например, обозначается 1160.

Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается буквами: пч (практически чистый), ч (чистый), оч(очень чистый), стоящими после марки сплава, например, АМг5оч.

Состояние деформируемых сплавов, отражающее термическое и термомеханическое воздействие, имеет обозначения: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1 – закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность; Н – нагартованный (деформация 1…7%); Н1 или НН – усиленно нагартованный; ТН – закаленный, естественно состаренный и нагартованный. Например, АК6Т1 – обозначение закаленного и искусственно состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого сплава АК6, АМг2Н1 – обозначение усиленно нагартованного деформируемого неупрочняемого термической обработкой сплава АМг2.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и последующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов, как дюралюмины можно в первом приближении, рассматривая их как сплавы системы Al-Cu (в дюралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакаленные сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластичность. При длительном пребывании закаленного сплава при нормальной температуре происходит естественное старение,при котором атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu атомы меди), расположенные после закалки случайно, собираются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повышенной концентрации – зоны Гинье-Престона. В результате естественного старения образуются зоны толщиной 0,5…1 и протяженностью 3…6 нм (их называют зоны ГП-1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагреву до 250…270^ºС, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезакаленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1…4 по толщине и 20…30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении CuAl₂. Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к образованию метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает прочность сплавов. Наибольшее упрочнение получают при естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает вообще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не происходит).

Титан и его сплавы

Титан существует в двух аллотропических модификациях. Ниже 882 ^ºС существует α-титан, обладающий ГПУ кристаллической решеткой. При более высоких температурах вплоть до температуры плавления (1665 ^ºС) Ti существует в модификации β с ОЦК решеткой. Титан может быть отнесен как к тугоплавким металлам (температура плавления выше, чем у Fe), так и к легким (плотность Ti ~ 4500 кг/м³). По химической стойкости он не уступает коррозионно-стойким (нержавеющим) сталям, а в ряде случаев превосходит их.

Титановые сплавы наиболее широко применяют в авиации и ракетной технике для изготовления деталей, работающих при температурах 250…550 ^ºС, когда легкие алюминиевые сплавы уже не могут работать, а стали и никелевые сплавы уступают им по удельной прочности.

Для повышения прочности титановые сплавы легируют марганцем, железом, алюминием, молибденом, хромом, ванадием, оловом и другими элементами. Элементы, расширяющие область существования α-Ti и повышающие температуру α → β перехода, называют α-стабилизаторами. Важнейшим элементом этой группы является Al. Элементы, расширяющие область существования β-модификации титана и снижающие температуру полиморфного превращения, называют β-стабилизаторами. Важнейшими из них являются Mo, V, Cr, Mn, Fe, Ni и др. Способность β-фазы к переохлаждению лежит в основе термической обработки титановых сплавов. Элементы, практически не влияющие на температуру полиморфного превращения, называют нейтральными. Наибольшее практическое значение из них имеют Sn и Zr.

По структуре в отожженном состоянии титановые сплавы подразделяют на пять групп: α-сплавы (ВТ1-0, ВТ5 и др.); псевдо α-сплавы (ОТ4, ВТ4, ВТ18 и др.); α+β-сплавы (ВТ6, ВТ3-1, ВТ22 и др.); псевдо β-сплавы (ВТ15, ТС6 и др.); β-сплавы (4201и др.).

Альфа-сплавы характеризуются однофазной структурой. Они не упрочняются термической обработкой. Повышение их прочности достигается холодной пластической деформацией.

Псевдо α-сплавы могут закаливаться с образованием титанового мартенсита, представляющего собой твердый раствор легирующих элементов в α-титане. Мартенсит в псевдо α-сплавах имеет слабую степень пересыщения. Упрочнение сплава при этом незначительно.

Упрочняющая термическая обработка для α+β-сплавов состоит из закалки и старения. Закалка зеключается в нагреве до температур, несколько ниже полного превращения α+β → β (в β-состоянии происходит интенсивный рост зерна), выдержке и последующем быстром охлаждении. В зависимости от содержания β-стабилизаторов в закаленном сплаве возможно образование мартенситгых фаз α^′ и α^˝, а также метастабильной фазы β^′. При высоком содержании β-стабилизаторов и при малых и средних скоростях охлаждения может образоваться фаза ω, сильно охрупчивающая сплав. Появление этой фазы стремятся не допускать. При искусственном старении происходит распад закалочных структур (α^′, α^˝, β^′). Конечные продукты ─ дисперсные α и β-фазы, близкие к равновесному состоянию, образование которых вызывает дисперсионное упрочнение (твердение) сплава.

При закалке псевдо β-сплавов фиксируется метастабильная β^′-фаза. При старении из β^′ выделяется тонкодисперсная α-фаза, повышающая прочность и твердость сплава.

Бета-сплавы при всех температурах имеют структуру β-фазы. Термической обработкой не упрочняются.

 

Магний и его сплавы

 

В ряду технических легких металлов (Al, Be, Mg, Ti) наиболее легким является магний. Его плотность ─ около 1740 кг/м³, температура плавления 651^ºС. Он обладает ГПУ кристаллической решеткой. Mg ─ активный металл, энергично взаимодействующий с кислородом воздуха. Тонкая пленка оксида MgO при температуре ниже 450 ^ºС предохраняет поверхность от дальнейшего оксидирования, однако, при более высоких температурах защитные свойства оксида нарушаются, и при 623 ^ºС магний сгорает ослепительно белым пламенем. Магний обладает весьма низким, особенно в литом состоянии, комплексом механических свойств (σ_в=100…120 МПа; σ_0,2=20…30 МПа; δ=6…8 %; НВ=300 МПа; Е=45 ГПа). Прочностные свойства в значительной мере зависят от зернистости и дефектности литой структуры. Низкая пластичность Mg объясняется тем, что в металлах с гексагональной кристаллической решеткой при температуре, близкой к комнатной, скольжение происходит только по базисным плоскостям и лишь при нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и двойникования.

Для упрочнения магниевых сплавов широко используется эффект дисперсионного твердения с выделением дисперсных фаз типа Mg₄Al₃, MgZn₂ и др., протекающего при искусственном старении закаленных сплавов. Диффузионные процессы в магниевых сплавах протекают чрезвычайно медленно, поэтому операции термообработки имеют большую продолжительность (время выдержки при температуре закалки доходит до 24 ч.). Охлаждение при закалке ведут в горячей воде или на воздухе.

Основные виды термической обработки имеют определенные условные обозначения. Отжиг обозначают Т2, закалку ─ Т4, закалку и старение для получения максимальной твердости ─ Т6, закалку и стабилизирующий отпуск ─ Т7 и т.д. Например, МА11Т4 означает деформируемый магниевый сплав МА11, подвергнутый закалке.

По технологии изготовления магниевые сплавы подразделяют на литейные и деформируемые (литейные маркируют буквами МЛ, деформируемые ─ МА). По применению сплавы классифицируют на конструкционные (большинство сплавов) и сплавы со специальными свойствами (например, МА17 применяют для изготовления звукопроводов ультразвуковых линий задержки). По плотности сплавы подразделяют на легкие и сверхлегкие. К легким относятся сплавы, легированные литием (МА18, МА21), остальные ─ легкие. Сплавы, легированные значительным количеством иттрия (ИМВ5, ИМВ7) отличает высокая прочность и пластичность при температурах выше 250^ºС.

 

Антифрикционные сплавы

Сплавы цветных металлов широко применяются в качестве антифрикционных (подшипниковых) материалов. Они обладают гетерогенной структурой, состоящей из мягкой основы с равномерно распределенными включениями твердых частиц (баббиты, ряд сплавов на основе меди, цинковые антифрикционные сплавы) или из твердой основы и мягких включений (свинцовистая бронза, оловянистый алюминий).

Баббиты, например, Б83, Б18, БКА ─ сплавы на основе олова (Б83) или свинца (Б16 ─ с добавкой Sn, БКА ─ безоловянистый). Применяют баббиты для изготовления вкладышей подшипников скольжения быстроходных тяжелонагруженных машин (Б83, б88), автомобильных моторов (Б16), подшипников вагонов (БКА, БК2).

Алюминиевые подшипниковые сплавы, например АО9-2, АО20-1, работают в условиях высокой энергонапряженности (при высоких давлениях и скоростях скольжения).

Несколько уступает по антифрикционным свойствам алюминиевым сплавам свинцовистая бронза БрС30. Бронзу О5Ц5С5, латунь ЛЦ16К4 и др. применяют в качестве антифрикционных материалов при невысоких скоростях скольжения (1…3 м/с).