Структурная сверхпластичность (а+Р)-латуней

Проявление необычайно высокой пластичности и низкого сопротивления деформации в некоторых сплавах известно с 20—30-х годов прошлого столетия [126], но впервые явление сверхпластичности было научно обосновано академиком А.А. Бочваром [127—129]. Он установил, что для проявления сверхпластичности необходима дисперсная равноосная структура с равным объемным соотношением фаз. Предложенный им термин «сверхпластичность» стал общепринятым, международным.

В начале 1960-х годов Бэкофен, Тэрнер и Эвери [130] предложили упрощенную эмпирическую зависимость напряжения течения в условиях сверхпластичности от скорости деформации:

где о — напряжение течения, К — постоянная, ё — скорость деформации; т — показатель скоростной чувствительности напряжения течения, который является регулятором равномерности течения сверхпластичного материала. В зависимости от величины показателя т можно судить об устойчивости пластического течения сплавов. Так, например, в случае вязкого течения т = 0, при сверхпластическом поведении >0,3. Когда в рабочей части образца в процессе сверхпластической деформации образуется шейка, скорость деформации в этом месте возрастает и соответственно увеличивается сопротивление деформированию, вследствие чего локализация деформации прекращается.

Названные работы положили начало интенсивным исследованиям сверхпластичности, которые ведутся до настоящего времени. Результаты многочисленных исследований обобщены в нескольких монографиях и обзорах [72, 131—136].

Подробно влияние температуры на удлинение (а+|3)-латуней впервые было изучено в работах А.А. Преснякова с сотрудниками [31, 131]. При исследовании пластичности двухфазных латуней Л62 и Л59 они обнаружили всплеск пластичности этих сплавов соответственно при 870 и 760 °С. Причем было отмечено, что двухфазные латуни обнаруживают в указанной температурной области все признаки сверхпластичности: равномерную деформацию, отсутствие шейки на образцах при разрыве и крайне низкое сопротивление деформации [131]. Максимальные удлинения, обнаруженные в двухфазных латунях, составили 180 и 150 %, соответственно, для сплавов Л62 и Л59. Отмечено, что показатели пластичности двухфазных латуней в оптимальной температурной области существенно выше, чем у (3-латуни Л52. Аномальное увеличение пластичности двухфазных латуней в области фазовых переходов было обоснованно отнесено за счет развития а р превращения.

Мы предприняли попытку рассмотреть возможность повышения высокотемпературной пластичности некоторых двухфазных латуней в горячепрессованном и литом состояниях в условиях фазового перехода.

Исследовали бинарные Си—Zn сплавы, содержащие от 39 до 45 % мае. Zn, а также сплав Cu-37 % Zn-3 % Pb (ЛС60-3).

Ранее указывалось [131], что повышение пластичности двухфазных латуней может быть достигнуто при сокращении времени нагрева и выдержки образцов перед растяжением, т.е. когда фазовый а—»Р-переход завершается во время деформации. Результаты механических испытаний разрывных образцов горячепрессованной латуни при 800 °С, соответствующей однофазному (p-область) строению сплава, подтвердили этот вывод. Относительное удлинение сплава вдвое возрастает с уменьшением времени выдержки образцов (т) при температуре испытания перед растяжением (рис. 7.1). Временное сопротивление практически не зависит от т.

Таким образом, максимальная пластичность двухфазной латуни Л60 (8 = 130-5-190%) соответствует условиям деформации, когда образцы подвергаются растяжению сразу (без выдержки, т = 0) после нагрева до температуры испытания. Увеличение скорости растяжения до 50 мм/мин существенно не влияет на относительное удлинение.

Зависимость относительного удлинения (/) и временного сопротивления (2) от времени выдержки горячепрессованной латуни Л60 перед растяжением со скоростью 10 мм/мин при температуре 800 °С

Рис. 7.1. Зависимость относительного удлинения (/) и временного сопротивления (2) от времени выдержки горячепрессованной латуни Л60 перед растяжением со скоростью 10 мм/мин при температуре 800 °С

Металлографический анализ образцов латуни, закаленных в воду с 800 °С после различной выдержки, показал, что в сплаве сразу после нагрева до 800 °С (т = = 0) присутствует ~20 об. % не растворившейся a-фазы. Следовательно, максимальная высокотемпературная пластичность латуни Л60 соответствует таким температурно-временным условиям испытания, когда во время деформации развивается и завершается фазовый а—>[3-переход.

В последующих экспериментах изучали температурную зависимость относительного удлинения (а+(3)-латуней при растяжении разрывных образцов сразу после десятиминутного нагрева до температуры испытания (т = 0).

Следует отметить, что резкое повышение пластичности сплавов при переходе из (а+(3)- в Р-область присуще не только бинарным латуням, но и их легированным модификациям. Даже введение в латунь Л60 3 мае. % РЪ не снижает эффекта повышения высокотемпературной пластичности сплава (рис. 7.2).

Рис. 7.2. Зависимость относительного удлинения (/) и временного сопротивления (2) горячепрессованной латуни ЛС60-3 от температуры испытания

Особый интерес представляет изучение возможности повышения высокотемпературной пластичности двухфазных латуней в литом состоянии, так как в промышленном производстве именно слитки подвергаются горячей обработке давлением. Если временное сопротивление сплавов с увеличением температуры монотонно снижается, то температурная зависимость относительного удлинения для исследованных сплавов представляет кривую с максимумом (рис. 7.3). Причем положение максимума смещается в сторону более высоких температур с увеличением содержания меди в латуни аналогично изменению равновесной температуры (а+[3)—> [3-перехода согласно диаграмме состояния [35]. При дальнейшем повышении температуры фазовый переход завершается, по-видимому, на ранней стадии испытаний, что приводит к снижению высокотемпературной пластичности двухфазных латуней. В этом случае механические характеристики сплавов определяются только свойствами высокотемпературной [3-фазы.

Температурная зависимость временного сопротивления (Г—3') и относительного удлинения (1-3) двухфазных латуней (литое состояние), содержащих 55,0 (1, Г); 59,0 (2, 2') и 61,0 (3, 3') мае. % меди

Рис. 7.3. Температурная зависимость временного сопротивления (Г—3') и относительного удлинения (1-3) двухфазных латуней (литое состояние), содержащих 55,0 (1, Г); 59,0 (2, 2') и 61,0 (3, 3') мае. % меди

Полученные результаты свидетельствуют о существенном повышении пластичности двухфазных латуней при условиях, обеспечивающих протекание во время деформации фазового а—»|3-перехода. Причем этот вывод справедлив для (ос+|3)-латуней независимо от их состояния и типа легирующей добавки.

В работах [137, 141, 142] были предприняты попытки увеличения пластичности двухфазной латуни за счет структурной сверхпластичности. В этих работах уделялось особое внимание предварительной обработке материала с целью получения исходной мелкодисперсной структуры как основного фактора структурной сверхпластичности.

В 1972 г. Бэйро [137] опубликовал результаты исследования сверхпластичности латуни, содержащей 60 % меди. К сожалению, в работе не описана подробная технологическая схема предварительной обработки сплава. Известно только, что перед растяжением сплав получали в трех состояниях: прессованном, прокатанном с обжатием 65 % и в состоянии бейнитного превращения. Необходимо отметить, что растяжение образцов проводили при температуре 690 °С (0,7 Гпл). Проведенное в работе исследование истинной диаграммы деформации показало, что при всех скоростях растяжения деформация не сопровождается упрочнением вплоть до разрушения, а при высоких скоростях деформации у всех образцов наблюдалось разупрочнение (рис. 7.4).

Бэйро отмечает, что сплав проявлял все признаки сверхпластического течения: максимальное относительное удлинение, полученное в работе, составило 240 %, показатель скоростной чувствительности напряжения течения при оптимальной скорости деформации, определенный по методу Бэкофена [130], был равен 0,6. При этом максимум скоростной чувствительности напряжения соответствовал максимальному относительному удлинению сплава в широком скоростном интервале: с увеличением степени деформации значения т возрастали.

Истинные кривые напряжение-де- формация для латуни Л60 при 690 °С и разных скоростях деформации (?, мин)

Рис. 7.4. Истинные кривые напряжение-де- формация для латуни Л60 при 690 °С и разных скоростях деформации (?, мин-1):

1 - 0,03; 2 - 0,07; 3- 0,14 [137]

Экспериментальные результаты, полученные в работе [137], показывают, что (а+(3)-ла- тунь может проявлять все признаки сверхпластичного материала. Следует отметить, что в работе неудачно была выбрана температура деформации 690 °С, т.к. известно, что оптимальная температура проявления структурной сверхпластичности соответствует равенству объемов фаз и, следовательно, максимально развитой межфазной поверхности [129, 138— 140]. Температура 690 °С для исследованной латуни не отвечает этому требованию [141]. Неправильный выбор температуры деформации возможно повлиял на то, что в работе не были получены более высокие показатели структурной сверхпластичности двухфазной латуни. Отмеченное разупрочнение материала, на мой взгляд, находится в противоречии с обнаруженным интенсивным ростом зерен при сверхпластическом течении сплава, т.к. известно [132], что интенсивное укрупнение зерен во многих случаях приводит к увеличению сопротивления материала сверхпластическому течению.

Особенный интерес представляет исследование [141], в котором путем термомеханической обработки (ТМО) была получена дисперсная структура двухфазной латуни, содержащей 60 % меди. ТМО сплава включала закалку слитка из однофазной (3-области (850 °С) и после 30 минут выдержки при температуре 500 °С — экструзию в течение 20 мин. В результате такой обработки авторам удалось получить дисперсную структуру со средним размером частиц фаз 3 мкм. и, как следствие, сплав обнаружил достаточно высокие показатели структурной сверхпластичности. Максимальное относительное удлинение при температуре 625 °С и соотношении а- и (3-фаз 1:1 составило 525 %, напряжение течения при оптимальных условиях деформации — единицы МПа, а максимальное значение показателя чувствительности напряжения течения к скорости деформации — 0,65. В работе отмечено, что максимальное значение т с увеличением температуры испытания в диапазоне 400—600 °С смещается в сторону больших скоростей деформации, а при температуре 700 °С практически не зависит от скорости деформации.

Электронная микроскопия фольг позволила установить, что после сверхпластического течения плотность дислокаций в (а+[3)-латуни не превышала значения, характерного для отожженного состояния.

В работе [141] был дан подробный качественный анализ развития пористости в сплаве. В частности, отмечается, что поры, преимущественно образованные на межфазных а/[3-границах, равномерно располагались по длине рабочей части образца. Средний размер их увеличивался с уменьшением скорости деформации. Определенный интерес представляет трактовка температурной зависимости относительного удлинения (а+(3)- латуней, данная в этой работе (рис. 7.5). Повышение пластичности двухфазной латуни при 500 °С объяснено процессами разупорядочения p-фазы. Максимум пластичности в интервале 600—625 °С связан, по мнению авторов, с равенством объемов фаз, который для данной латуни наблюдается при 625 °С. Причины такого влияния объемного соотношения фаз в работе [141] недостаточно объяснены. Сделано только предположение, что это может быть обусловлено либо стабильностью структуры, т.к. в случае максимально развитой межфазной поверхности ограничена миграция границ, либо более активным зернограничным скольжением на границах типа ос/(3.

Влияние температуры на относительное удлинение латуни 60/40 при скорости деформации 5,3x10 с [141]

Рис. 7.5. Влияние температуры на относительное удлинение латуни 60/40 при скорости деформации 5,3x10-4 с-1 [141]

При всех температурах зависимость относительного удлинения от скорости деформации представляла кривую с максимумом, который с увеличением температуры смещался в сторону больших скоростей деформации. Эта закономерность объяснялась сохранением дисперсной структуры за более короткое время деформирования при повышении скорости испытания. Авторы подчеркивают, что обнаруженные закономерности структурной сверхпластичности (а+(3)-латуни в основном определяются действием зернограничного скольжения.

Исследование некоторых структурных особенностей сверхпластичной двухфазной латуни проводилось в работе [142], в которой основным элементом предварительной обработки было прессование заготовки при температуре 600 °С. Авторы получили интересную зависимость скоростной чувствительности напряжения течения от температуры. Так, с увеличением температуры испытания от 500 до 700 °С во всем исследуемом диапазоне скоростей деформации показатель т увеличивался, и только при 800 °С наблюдалось резкое снижение показателя скоростной чувствительности напряжения течения, объясненное фазовыми превращениями в сплаве. Эти данные, однако, противоречат как исследованию температурной зависимости т в области а-(3 перехода [131], так и аналогичному исследованию в температурной области проявления структурной сверхпластичности [141].

Так же, как и Бэйро [137], авторы работы [142] обнаружили, что деформация образцов характеризуется разупрочнением при высоких скоростях деформации. Важно отметить, что обнаруженные особенности проявления эффекта сверхпластичности в (а+(3)-латуни [142] были получены на материале, имеющем в исходном состоянии перед испытанием при 600 °С характерную вытянутость зерен и средний размер частиц фаз ~17 мкм. Сверхпластическая деформация сплава, в свою очередь, приводила к интенсивному росту зерен и формированию изотропной микроструктуры.

Рассмотренные результаты исследований показывают, что увеличения пластичности (а+(3)-латуни можно добиться разными методами. Использование специальной предварительной обработки с целью получения дисперсной структуры [137, 141, 142] обусловливает эффект структурной сверхпластичности в сплаве. Однако достигнутые недостаточно высокие показатели пластичности (а+Р)-латуни [131, 137, 141, 142] и, самое главное, узкий температурный интервал проявления сверхпластичности [141] значительно снижают возможность промышленного использования эффекта структурной сверхпластичности двухфазных латуней. Что касается отмеченных особенностей сверхпластической деформации в латунях, то здесь прежде всего следует отметить определяющее влияние характера исходной структуры сплава.

Целью наших исследований было изучение следующих вопросов: разработка способа получения листа из модельной двухфазной латуни Л59 с высокими показателями сверхпластичности, пригодного для пневмоформовки изделий, и изучение закономерностей сверхпластической деформации этой латуни.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >