Бобылев А.В. Механические и технологические свойства металлов. Справочник

Подождите немного. Документ загружается.

ТАБЛИЦА

77.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ

ПРИ 810 "С

СЛИТКОВ

ЛАТУНИ

Л68

Характеристика

Толщина

слитка, мм:

до прокатки . . .

после прокатки . .

Величина обжатия:

мм

Деформация станины,

мм

Сила тока, А , . .

0,05

Номер

0,06

ПО

прохода

0,07

138

П,

147

141

Пластичность свинцовистой латуни при повышенных температурах

улучшается при введении церия, образующего со свинцом металлид с

<пл>1100°С.

Хорошая пластичность латуни при горячей прокатке позволяет ре-

комендовать проводить последнюю с большой скоростью и степенью

деформации.

При

прокатке клиновидных образцов латуни Л68, нагретых до

650 °С, трещины на кромках образовались при обжатии

60—70

%; об-

разцы,

нагретые до

830°С,

не имели трещин при обжатии до 88%.

Горячая прокатка клиновидных образцов латуни Л63 выявила еще

большую пластичность.

Нагрузка стана при первых

проходах

горячей прокатки заводских

слитков латуни (по показаниям индикатора деформации станины или

по

величине силы тока в цепи электромотора, приводящего в движение

валки стана) обычно меньше, чем при последних

проходах,

вследст-

вие остывания полосы (табл. 77); это позволяет сократить число про-

ходов

[1].

Нагрузка стана при горячей прокатке латуни Л63 меньше, чем при

прокатке латуни Л68 (табл. 78). Сокращение числа проходов при го-

ТАБЛИЦА

78. ХАРАКТЕРИСТИКИ

ГОРЯЧЕЙ

ПРОКАТКИ

ПРИ 810 °С

СЛИТКОВ

ЛАТУНИ Л63

Характеристика

Толщина,

мм:

до прокатки . . .

после прокатки . .

Величина обжатия:

мм

Деформация станины,

мм . ...

Температура до про-

катки,

°С

0,02

810

0,03

780

Номер

0,05

740

1рохода

0,06

690

да

610

ел

500

рячей прокатке позволило получить более мягкие и пластичные полосы,

которые можно прокатывать в холодном состоянии с более высокими

обжатиями.

Распространено мнение, что бронзы (в том числе алюминиевые)

красноломки.

Проведенные нами испытания сплавов меди после горячей, холодной

прокатки

и отжига при 700 °С показали хорошую пластичность их при

20 и

800—900

°С (кроме оловянной бронзы) и наличие зоны краснолом-

кости при

400—500

°С (табл. 79).

TAB

ЛИЦА

79.

СПЛАВОВ

200

300

400

500

600

800

900

раст

Cu+4.7%

342

300

256

234

184

125

69,9

59,6

44,0

26,6

33,1

36,7

103

100

ВЛИЯНИЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ

—

мм/мин)

80,0

73,2

39,2

27,6

10,8

32,6

97,5

92,7

Си+1%

231

179

156

158

123

«5

61,1

60,3

51,1

35,0

53,3

79,1

54,4

81,1

А1

г?

•9-

89,8

81,8

71,7

53,8

58,5

90,5

98,4

97,9

НА

СВОЙСТВА

Cu+3%

275

265

243

203

168

112

«о

39,1

36,5

26,7

17,7

26,0

24,5

22,5

28,6

44,4

40,0

24,3

19,0

23,5

20,1

21,7

22,5

МЕДНЫХ

Си+3,7%

со

424

—

259

—

«5

65,0

—

36,0

—

60,27

71,7

61,2

—

98,fi

98,4

99,3

Пониженная

пластичность

сплавов

связана

применением

шихту

металлов

промышленной

чистоты;

хрупкое

разрушение

происходило

по

границам

зерен.

Увеличение

красноломкости

при

повышении

содержа-

ния

алюминия

связано,

по-видимому,

уменьшением

растворимости

примесей

бронзе.

Однако

проведенные

нами

испытания

литой

бронзы

с 7 % AI,

приготовленной

из

особо

чистых

металлов,

показали,

что к

при

400—500

°С эта

бронза

достаточно

пластична:

6=41—42%

rb=

37 %.

Пластичность

особо

чистой

бронзы

еще

более

повышается

при до-

бавке

шихту

0,07 % Zr:

t, °С.

б, %. . .

it,

% • •

450

500

550

600

Вакуумплавленая высокочистая бронза (6 % А1) после деформа-

ции

и отжига отличалась очень высокой пластичностью без признаков

красноломкости:

t, °С. . . . 20 200 300 400 500 600 700 800 900

. МПа . . 416 374 351 193 131 116 50 25 18

6, %. . . 39 62 36 70 54 80 119 129 129

г|>, % . . . 87 84 90 94 100 100 100 100 100

Полученные данные опровергают распространенное мнение о на-

личии минимума пластичности при 500 °С в бронзах с 6 % А1 (if>=10 %),

182

максимума ширины температурной зоны хрупкости

(800 °С) при 6—

% А1 и о

связи провала пластичности

со

стехиометрическим составом

Си

А1.

Низкая пластичность исследованных этими авторами алюминие-

вых бронз обусловлена недостаточной чистотой меди; катоды марки

МО

содержат примесь серы

водорода. Загрязнение последним происходит

при

плавке

под

покровом недостаточно прокаленного древесного угля.

Уменьшение красноломкости бронзы БрА7 достигнуто

Н. Н.

Тутор-

ской

[1]

посредством добавки

0,05 % Ti; ей

удалось

повысить относи-

тельное сужение

при 400 °С с 22 до 56 % и

относительное удлинение

20 до 53 %, а при 500 °С г|) с 37 до 76 % и б с 34 до 60 %.

Добавки титана, циркония

ниобия

улучшали

пластичность

оло-

вянных

бронз БрОФ7—0,2

БрОЦ4—3

при 800 °С [1].

Пониженная

пластичность кремнистой бронзы

(см.

табл.

79) су-

щественно улучшается

при

добавке марганца вследствие связывания

серы

сульфид марганца.

Влияние температуры

на

свойства бронзы марки БрКМцЗ—1

при-

ведено ниже:

МПа

100

200

300

400

420

411

386

351

273

67,2

63,6

64,1

56,9

58,0

78,2

77,3

78,5

62,7

64,1

500

600

700

800

900

172

121

62,5

62,4

63,5

89,0

105,2

100

Красноломкость может наблюдаться

пересыщенных

твердых

ра-

створов

при

испытании

зоне температур облагораживания.

Так, по

нашим

данным хромистая бронза

при

400—500

°С

хрупка

СФ=4

6=1

%).

Если понизить способность хромистой бронзы

облагоражи-

ванию,

то

зона хрупкости сужается,

пластичность увеличивается.

Испытания

облагороженной (закалка

с 980 °С и

отпуск

при 450 °С) и

отожженной

при 700 °С

хромистой бронзы показали,

что

режим термо-

обработки существенно влияет

на

красноломкость; отожженный сплав

значительно пластичнее.

При

наличии фосфора способность сплава

облагораживаться снижается

красноломкость уменьшается (табл.

80).

ТАБЛИЦА

80.

ВЛИЯНИЕ ТЕРМООБРАБОТКИ, ХИМИЧЕСКОГО

СОСТАВА

ТЕМПЕРАТУРЫ

НА

ОТНОСИТЕЛЬНОЕ СУЖЕНИЕ ХРОМИСТОЙ БРОНЗЫ

Химический

0,85

0,77

0,79

0,90

состав,

0,01

0,04

0,08

0,18

46/58

70/72

63/71

44/73

39/62

400

7/61

13/67

16/59

14/64

37/71

'»•

при

'исп

500

8/42

11/74

10/60

17/58

26/70

°с

600

11/31

15/67

15/61

13/47

21/77

800

49/42

70/56

56/63

74/71

61/64

Примечание.

числителе

—

значения

после закалки

отпуска,

в зна-

менателе

—

после

отжига.

Понижение

концентрации хрома

твердом растворе

результате

замены закалки медленным охлаждением приводит

уменьшению

зо-

ны

красноломкости

хромистой бронзы

с 0,5 %Сг.

183

Аналогичное

понижение

пластичности

при горячих

испытаниях

пе-

ресыщенных

твердых растворов наблюдается и у других медных спла-

вов,

например

при 500 °С у сплавов меди с 1,4% Ti; при

этой

тем-

пературе

заметно

повышается

временное

сопротивление

даже по

срав-

нению

испытаниями

при 20 °С.

'исп-

200

300

400

МПа

374

344

341

360

в.

39,6

26,0

29,3

23,3

•4'.

67,5

45,4

51,0

53,3

исп'

500

600

800

900

МПа

402

225

6, %

22,0

35,9

23,0

87,7

Наиболее эффективно повышается временное сопротивление у зака-

ленных образцов, а у образцов охлажденных на

воздухе,

— в мень-

шей

степени. У образцов, охлажденных с печью, при горячих испыта-

ниях

временное сопротивление не увеличивается, а при 20 °С оно

наибольшее.

Сплав с 0,7 % Ti не упрочняется при

400—600

"С и не изменяет

свойств при изменении скорости охлаждения, так как титан полностью

находится в твердом растворе. Пластичность сплава высокая, зона

хрупкости

отсутствует.

СПЛАВЫ

АЛЮМИНИЯ

Легирование алюминия магнием повышает прочностные характеристики

при

комнатной и особенно при низких температурах, а относительное

удлинение уменьшается (табл. 81). Избыточное легирование магнием

(10%), марганцем и титаном (табл. 82)

ухудшает

механические свой-

ства сплавов.

Наличие

в сплаве

АМгб

0,01—0,04

% Ga увеличивает б на 25—

35% при

300—470

°С; аналогичное влияние оказывают

0,01—0,1

% Са

0,004

% Li; более высокое содержание лития понижает пластичность.

ТАБЛИЦА 81. ВЛИЯНИЕ МАГНИЯ НА СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ ПРИ

НИЗКИХ

ТЕМПЕРАТУРАХ [1]

'не,- °

— 196

—253

—269

— 196

—253

—269

, МПа

99,97

168

283

327

А1+1.4

123

213

387

375

0 2'

МШ

А1

6, %

'исп' ^

— 196

—253

—269

— 196

—253

—269

МПа

Al + 1,85 °/

142

243

407

388

Al + 3,87 %

233

341

495

476

0 2

, МПа

101

102

118

125

в.

184

Продолжение

табл. 81

—

196

—253

-269

—

196

<т

МПа

Al+5,6

287

410

533

528

Al+8,32 %

353

374

МПа

/о

110

121

138

142

177

192

в.

'•сп- °

—253

-269

—

196

—253

—269

мпа

427

417

Al+9,55

359

363

373

а.,2'

МПа

232

242

162

177

197

212

в,

ТАБЛИЦА

82.

ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ

НА

СВОЙСТВА ОТОЖЖЕННЫХ

АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ ПРИ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУРАХ

[1]

в,

Al+1,54 %Mn

-196

-253

-269

-196

-253

-269

108

235

363

127

Al+0,53 % Мп+5,25 % Mg+0,09 % Tt

314

421

471

490

157

176

186

196

Al+0,7 % Мп + 6,22 % Mg+0,09 % Ti

—

196

—253

—279

353

421

510

490

186

235

186

185

Легирование скандием упрочняет алюминий благодаря присутствию

очень мелких дисперсных частиц

(которые полностью когерент-

ны

с матрицей), а также образованию полигонизированной структуры

с очень мелкими субзернами. При содержании 0,55 % Sc временное

сопротивление достигает 300 МПа, а предел текучести 280 МПа.

Ниже

приведено влияние скандия на свойства полос сплавов си-

стемы

А1—Sc

(продольное направление) [44]:

Содержание

Sc, %. . . 0 0,14 0,23 0,35 0,40 0,55

, МПа. . 85 98 178 234 246 292

МПа . 67 78 157 216 248 278

б,' % ... 41 39 18 15 16 15

При

увеличении содержания скандия в алюминии от нуля до

0,55 % температура рекристаллизации горячекатаных полос повышается

с 330 до 635 °С, а холоднокатаных — с 280 до 615 °С [44].

СПЛАВЫ

МОЛИБДЕНА

Легирование молибдена рением существенно повышает прочность и

пластичность. Оптимальные свойства — у сплава с максимальным со-

держанием рения в твердом растворе; оно равно 50 % (по массе)

[35%

(ат.)].

Положительное влияние рения объясняется следующими фактора-

ми

[1]:

1) образованием оксидов типа MoReO

в отличие от оксидов типа

МоО

не смачивающих границы зерен. Сплавы Mo — Re не

требуют

специального раскисления и деформируются

даже

при содержании

0,03—0,05

% О,

тогда

как молибден сохраняет пластичность лишь при

содержании кислорода менее 0,001 %;

2) резким увеличением растворимости

углерода

в сплаве Мо+

47% Re;

3) изменением механизма деформации.

Температура перехода к хрупкости молибдена понижается при вве-

дении

рения:

Re,

% (ат.) . . 0 10 20 25 30 35

С . . . . 50 —35 —90 —140 —175

—254

Порог

хладноломкости при 20 °С у молибдена находится при со-

держании

углерода

порядка 10~

%, а у сплава Мо+47 % Re при

-0,2%.

Рений

оказывает положительное влияние и на сплавы Mo — W.

Однако тройной сплав 45 % Мо+10 % W+45 % Re при холодной про-

катке склонен к растрескиванию. Для улучшения его обрабатываемо-

сти

следует

применять теплую прокатку проволоки диаметром 0,1 мм

на

ленту толщиной 23 мкм, нагреваемую прямым пропусканием элект-

рического тока плотностью 65 МА/м

. При этом 6=3 %, *|) резко воз-

растает до 8 %, а прочность проволоки (4,6 ГПа) практически не сни-

жается [45].

СТАЛЬ

Примесь

серы существенно уменьшает пластичность стали и изменяет

характер излома образцов (табл. 83).

IS6

ТАБЛИЦА 83. ВЛИЯНИЕ СЕРЫ НА СТРУКТУРНЫЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

ИЗЛОМА И СВОЙСТВА СЛИТКОВ СТАЛИ

16Г2САФ

[46]

Содержа-

ние

серы, %

Доля

структурных

составляющих, %

вязкая

составляю-

щая

расслоения

по

сульфидам

расслоения

по

оксидам

хрупкий

транскристал-

литный слой

KCU при

—60 °С,

МДж/м»

0,006

0,008

0,022

0,006

0,008

0,022

22,3

13,7

12,5

83,5

79,0

52,0

По

всему

сечению

излома

0,7

2,0

8,5

6,3

8,7

10,0

70,7

75,6

69,0

По

вязкой

зоне

надреза

6,3

8,0

24,5

10,1

13,0

23,5

1,31

0,83

0,48

1,31

0,83

0,48

СПЛАВЫ

НИКЕЛЯ

Улучшить пластичность и устранить красноломкость монеля, алю-

меля и никелевых сплавов с алюминием, марганцем, кремнием и кобаль-

том можно с помощью специальных добавок [1]. Наилучшее влияние

оказывает цирконий в количестве нескольких сотых долей процента.

Добавка 0,05 % Са влияет аналогично, но при введении 0,1 % Сэ

сплавы охрупчиваются. Сплав никеля с 0,7% А1 при 700 °С имеет ф =

=9%,

при введении 0,05% Са

ф=75

%, а при 0,1% Са гр = 19%.

Добавки

0,01—0,02%

В полезны, а

0,05%—уже

избыточны.

Магний

улучшает

пластичность загрязненных серой никелевых спла-

вов,

однако избыток его вреден, так как при превышении предела его

растворимости может образоваться легкоплавкая эвтектика никеля с

магнием [1].

АМОРФНЫЕ

СПЛАВЫ

Очень большой интерес для специальных областей новой техники пред-

ставляют сплавы некристаллического строения, не имеющие границ зе-

рен.

Такие сплавы изготовляют различными методами с помощью за-

калки

из жидкого состояния со скоростью охлаждения

W—XQ

К/с.

Полученная продукция (фольга, лента и проволока) имеет ограничен-

ные

размеры — до 0,1 мм, но обладает уникальными свойствами, недо-

стижимыми другими методами. Это прежде всего — возможность полу-

чения

высоколегированных сплавов благодаря существенно более вы-

сокой

растворимости легирующего элемента в жидком состоянии по

сравнению с растворимостью в твердом. У аморфных сплавов нет и не

может быть межкристаллитной тепловой или коррозионной хрупкости.

Число

операций технологического процесса изготовления фольги и про-

волоки

резко сокращается, трудозатраты уменьшаются; технология и

основном

безотходная.

Прочность

аморфных сплавов достигает нескольких гигапаскалей,

однако она существенно уменьшается при нагревании до критической

температуры, величина которой зависит от состава сплава. Аморфные

сплавы (металлические стекла) начали получать недавно; исследования

этом направлении интенсивно продолжаются [47].

МЕТАЛЛ

ИДЫ

Эти

соединения приобретают все большее значение в технике не только

как

структурные составляющие сложных сплавов, но и как важные

самостоятельные материалы, которые по температуре плавления, твер-

дости, жаропрочности и жаростойкости превосходят ряд металлов и

сплавов.

Металлиды являются основными материалами для сверхпроводни-

ков

(уже известно более 1000) и полупроводников; некоторые метал-

лиды

обладают

эффектом «термомеханической памяти формы». Суще-

ственный

недостаток этих материалов — низкая пластичность, поэтому

исследования влияния различных факторов на эту характеристику име-

ют важное практическое и теоретическое значение.

Для повышения пластичности этих материалов с

успехом

исполь-

зуют

описанные выше мероприятия, применяемые для улучшения пла-

стичности металлов: очистка от примесей, специальное легирование, но-

вая

технология получения. Повышение температуры деформации сооб-

щает металлидам высокую пластичность. Хрупкие при 20 °С соединения

СизР,

As,

CU3SI), как и металлиды

других

металлов (Al, Co, Ni, Fe,

Zn),

становятся пластичными при повышенных

температурах.

Р-Латунь (соединение CuZn) при температуре выше

500°С

стано-

вится

очень пластичной: г|)=100 %.

Ниже

приведены температуры перехода к хрупкости ряда соедине-

ний

[1]:

Соединение.

, °С

550

Соединение

/v, °С . .

480

525

CuAU

510

445

390

550

Продолжение

545

e (Cu, Sb)

420

Температура перехода к хрупкости Cu

Si понижается до 380 °С

после плавки и разливки в

вакууме

7-10~

Па и повышается до

570°С,

если при плавке в воздушной

среде

через расплав пропускают водя-

ные

пары. Это связано с наличием газовых примесей, концентрирую-

щихся по границам зерен (табл. 84).

ТАБЛИЦА

84.

ВЛИЯНИЕ СПОСОБА ВЫПЛАВКИ

НА

СОДЕРЖАНИЕ

ПРИМЕСЕЙ

КРИСТАЛЛИТЕ Cu

(%) (О -

ОБЩЕЕ.

Г-НА

ГРАНИЦЕ.

—В

ТЕЛЕ ЗЕРНА)

[1]

Способ

выплавки

вакууме

. .

воздушной

атмосфере

. .

При

пропуска-

нии

водяных

паров

....

Кислород

0,016

0,035

0,065

,23

,41

,70

,007

,020

,043

Водород

,011

,024

,059

,12

,22

,50

,004

,013

,030

,008

,020

Азот

,02

,04

,004

,010

188

Микротвердость границ зерен при всех способах плавки плавно сни-

жается с повышением температуры закалки, приближаясь к микротвер-

дости тела зерен. Наименьшая температура закалки, при которой зна-

чения

микротвердости становятся равными, примерно совпадает с

температурой перехода к пластичности. Следовательно, хрупкость поли-

кристаллов металлических соединений связана с сегрегацией примесей

по

границам зерен. Выдержка при 20 "С закаленного при 700 °С образ-

ца

соединения Cu

Si снова приводит к повышению микротвердости

границ зерен.

Монокристаллы силицидов имеют меньшую температуру перехода

хрупкости, чем поликристаллы:

NiSi

MnSi FeSi CoSi

пл

С 1000 1275 1410 1460

поликристаллов 900 1140 1240 1310

монокристаллов 630 810 920 950

Интересными

свойствами обладают алюминиды многих металлов.

Они

имеют высокие твердость, прочность и жаростойкость, но являются

хрупкими. Добавка 0,01 % бора повышает а„ алюминида титана с 480

до 585 МПа и немного увеличивает пластичность; добавка 0,05 бора—

излишняя

[48].

Металлид Ni

Al превосходит промышленные никелевые сплавы по

жаростойкости, но отличается от них малыми прочностью (а„=300н-

4-400

МПа) и пластичностью. Легирование его хромом, вольфрамом,

титаном и другими элементами позволяет улучшить механические свой-

ства даже при наличии примесей (до

0,003

% каждой) серы, фосфора,

свинца,

висмута и сурьмы (табл. 85).

При

1100—1200

°С прочность, удельная прочность и жаропрочность

N13AI

выше, чем упомянутых никелевых сплавов; стойкость против окис-

ления

на

воздухе

также лучше (табл. 86).

ТАБЛИЦА 85. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

МЕТАЛЛИДА Ni

Материал

Х8Н60КЮЮ5Т2В10МБ

ХЗЗН52В5МЗТЮБ

N13AI после отжига

1100°С,

500 ч

HRC

, МПа

1000—1050

800—900

760—800

800—900

°0,2'

МПа

930—950

600—700

550—700

550—680

в,

3—5

4—7

4-5

5—7

•. %

4—8

4-7

6-8

8—10

Металлид N13AI хорошо сопротивляется тепловым ударам, поэтому

его

следует

использовать для изготовления деталей, работающих при

повышенных температурах в окислительных средах [49].

Перспективен

металлид NiAl, имеющий высокую температуру плав-

ления

(1638°С), сравнительно низкую температуру перехода к хрупко-

сти (600

С), а также способность улучшать свойства при специальном

легировании.

189

ТАБЛИЦА 86. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ

ИСПЫТАНИЯ

НА УВЕЛИЧЕНИЕ МАССЫ НИКЕЛЕВЫХ СПЛАВОВ

МЕТАЛЛИДА Ni

Материал

Х8Н60КЮЮ5Т2В10МБ

ХЗЗН52В5МЗТЮБ

'нсп-

1000

1100

1000

1100

1200

1000

1100

1200

Увеличение массы, г/м

, за время, ч

100

200

300

Полное

400

кисление

Металлид NiTi, обладающий памятью формы, хрупок, поэтому для

получения полуфабрикатов его

следует

деформировать при

800—900

выдавливанием через коническую матрицу (а=120°) со скоростью

80 мм/с и степенью деформации 85 %; при этом содержание никеля

должно быть в пределах

54,0—54,6

% [50].

28.

ФАКТОРЫ,

ВЛИЯЮЩИЕ

НА

ПЛАСТИЧНОСТЬ

МЕТАЛЛОВ

Все свойства металлов, как и

других

элементов, прежде всего опреде-

ляются порядковым номером в Периодической системе элементов

Д. И. Менделеева, т.е. числом электронов в атоме и их строением,

определяющим кристаллическую

структуру,

физические, химические и

механические свойства. Последние зависят прежде всего от темпера-

туры.

Важную

роль играют факторы, характеризующие образец и усло-

вия

его испытания:

схема

воздействия деформирующих сил, скорость

деформации, размеры образца и окружающая среда. Особым фактором,

существенно изменяющим результаты механических испытаний и тех-

нологические свойства металла при его изготовлении, является коли-

чество примесей, особенно тех, которые влияют на конкретные свойства

металла

даже

при очень малом содержании

(0,001

% и менее), а также

степень сегрегации примесей, т. е. локальное содержание их по грани-

цам зерен, двойников, блоков, приводящее к значительному превыше-

нию

местной концентрации их по сравнению со средним содержанием в

металле.

Прочность

металлов, как правило, оценивают по данным испыта-

ний

при 20 °С (вместо гомологической, т. е. при равной относительной

доле от абсолютной температуры плавления, что правильнее), поэтому

наиболее прочными (0

= 2ОО-ь6ОО МПа) металлами оказываются

туго-

плавкие,

наименее прочными (до 10 МПа) —легкоплавкие,

190