Меркулова Г.А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов. Лабораторный практикум

Подождите немного. Документ загружается.

будет представлена α - фазой состава a1 и β - фазой состава b1. Сплав соста-

ва т. b1 при закалке из β - области приобретает структуру α´´+ β +ω.

Структура сплава I после закалки с температуры t1 будет α + α´´+ β +ω.

Соответственно структура сплава I после закалки с температуры t2 будет α +

α´´.

Температуру, при которой в титановых сплавах α

+ β структура сменя-

ется β -структурой, называют температурой α + β/ β -перехода, или приме-

няют термин: температура конца β → ω превращения при нагреве. Темпера-

туру, разделяющую фазовые области α + β и β, обозначают А

, добавляя бук-

ву "С" (нагрев), или "r" (охлаждение). Температуру эвтектоидного превра-

щения обозначают А1.

Критическая концентрация ( С´´

) соответствует наименьшему содер-

жании β - стабилизаторов, при котором закалкой фиксируется β - фаза с ω

фазой внутри нее, а мартенситное превращение подавляется (рис.4.6). В ти-

тановых сплавах важна также критическая температура t

соответствующая

второй критической концентрации С´´

. При закалке сплавов с температур

выше t

образуется мартенситная фаза; при закалке, с более низких темпе-

ратур превращение β - фазы в мартенсит исключено.

В таблице 4.2 приведен режим упрочняющей термической обработки

сплава ВТ6.

Таблица 4.2

Режим упрочняющей термической обработки сплава ВТ6

Ас

, °С

, °C

% β - фазы

Температура, °C Продолжительность

старения, ч

Нагрева под

закалку

Старения

980-1010 850 20-30

900-950 450-550 2-4

В титановых α + β сплавах после закалки с температур, близких к tKP,

наблюдают провал предела текучести (

σ0,2

), связанный с распадом метаста-

бильной β - фазы и мартенсита α´´ под действием напряжений. В ряде случа-

ев наблюдают также провал временного сопротивления (σ

). После закалки

сплавы подвергают старению. Оптимальное сочетание механических свойств

состаренных (α + β) сплавов наблюдают после закалки с температур между

и Ас

Закалку титановых сплавов чаще проводят в воде (ВТ6, ВТ14, ВТ16)

или в масле. Некоторые сплавы (ВТ15, ВТ22) закаливают при охлаждении на

воздухе.

Продолжительность нагрева под закалку выбирают такой же, как и при

простом отжиге.

Время переноса деталей после нагрева под закалку в закалочный бак

должно быть минимальным. Это требование менее жестко для сплавов ВТ22,

ВТ15, ВТЗО. Перерыв между закалкой и старением для всех сплавов не рег-

ламентирован.

Титановые сплавы не нашли широкого практического применения в за-

каленном состоянии. Вместе с тем от температуры нагрева под

закалку и от

других параметров этого процесса в значительной мере зависит состав и ко-

личество фиксируемых метастабильных фаз, что в свою очередь оказывает

решающее влияние на уровень механических свойств титановых сплавав при

последующем старении.

Старение (отпуск)

Старение (или отпуск) применимы только для материалов, находящих-

ся в закаленном состоянии, и

главным процессом, протекающим при этом,

является распад метастабильного твердого раствора. В случае закалки без

полиморфного превращения распадается пересыщенный твердый раствор.

Этот процесс принято называть с т а р е н и е м, а в случае закалки с поли-

морфным превращением распадается мартенситная фаза. Процесс распада

мартенсита называют о т п

у с к о м. Основными параметрами процесса ста-

рения и отпуска являются температура нагрева и время выдержки. Скорость

нагрева и охлаждения - как правило, играют второстепенную роль.

На практике для титановых сплавов в основном применяют закалку без

полиморфного превращения, поэтому наиболее распространенным является

процесс старения.

Старение применяют с целью повышения

прочности титановых спла-

вов, которая может увеличиваться от 10 до 90-100 %. Уровень прочностных и

пластических свойств полностью зависит от фазовых и структурных превра-

щений, происходящих в сплаве как при закалке, так и при последующем ста-

рении.

Максимальное упрочнение можно получить в сплавах так называемого

"критического состава", в которых сочетается высокая метастабильность β -

фаза с достаточно большой концентрацией β -стабилизирующих элементов.

К этому классу можно отнести сплавы, находящиеся между точками С´´

на рис.4.6. В сплавах, расположенных правее т. С

распад β -фазы про-

ходит вяло и упрочнение невелико.

Упрочнение при старении обусловлено процессами распада β и α´´ -

фаз. Повышение прочностных характеристик из-за распада α´ - фазы невели-

ко. Упрочнение, обусловленное ω - фазой, в настоящее время практически не

используют из-за хрупкости сплавов при этом способе упрочнения. Чтобы

избежать хрупкости,

связанной с ω - фазой, титановые сплавы подвергают

старению по режимам, не приводящим к ее образованию, чаще всего при

500-600 °С. При этих температурах из β - твердого раствора выделяется дис-

персная α - фаза, повышающая прочность и твердость. Если β -фаза распада-

ется без образования ω - фазы или объем ее невелик, то сплавы можно повер-

гать старению и при более низких температурах. При низкотемпературном

старении выделения α - фазы более дисперсны и

поэтому обеспечивают

большее упрочнение.

Старение в α + β сплавах протекает во времени тем более интенсивно,

чем меньше в них β - стабилизаторов. Например, в сплаве ВТ6 уже после

старения в течение 1-2 ч при 400-600 0С достигается максимум прочности, а

затем следует разупрочнение. Продолжительность старения обычно выбира-

ют большей, чем время, необходимое для достижения

максимальной прочно-

сти. Это обусловлено тем, что при максимальной прочности слишком низки

пластические свойства, чтобы обеспечить надежную, безаварийную эксплуа-

тацию изделий и конструкций, то есть титановые сплавы, по существу, при-

меняют в состоянии небольшого перестаривания.

Титановые сплавы подвергают старению по одно и двухступенчатому

режимам. Чаще применяют одноступенчатое старение. При двухступенчатом

старении температуру старения на второй ступени выбирают более высокой,

чем на первой. Двухступенчатый режим старения обеспечивает более высо-

кий комплекс механических свойств по сравнению с одноступенчатым ста-

рением. Отливки из титановых α + β сплавов не подвергают упрочняющей

термической обработке, так как при пластинчатой структуре, характерной

для литого состояния, пластичность термически упрочненных

сплавов очень

низка. По этой же причине считают, что деформируемые α + β и β -сплавы

можно подвергать упрочняющей термической обработке, если исходная

структура равноосная, мелкозернистая, а не пластинчатая.

Типичные структуры титановых сплавов

В зависимости от формы структурных составляющих все наблюдаемые

разновидности структур в титановых сплавах можно отнести к одному

из че-

тырех типов:

- так называемая превращенная β -структура, которая получается при

малых скоростях охлаждения из β -области; в структуре присутствует быв-

шее β -зерно, в котором расположены α-колонии (рис.4.7а);

- смешанная или дуплексная структура, которая получается при нагреве

в α + β область и последующем медленном охлаждении; структура состоит

из

первичной α-фазы и β -превращенной матрицы (рис.4.7б);

- равноосная или глобулярная структура, которая формируется при де-

формации в α + β - области с последующим рекристаллизационным отжигом

при температурах ниже β - области (4.7в);

- так называемая структура корзиночного плетения, которая образуется

при деформации вблизи температуры Ас3 или при комбинированной дефор-

мации, когда она начинается в β -, а заканчивается в α + β -области (рис.7г.)

Рис. 4.7 Типичные структуры титановых сплавов

а – пластинчатая (β – превращенная); б – смешанная (дуплексная;

в – равноосная (глобулярная); г – корзиночного плетения

Защита титана и его сплавов от газонасыщения

Для защиты титана и его сплавов от газонасыщения при нагреве под

обработку давлением и термическую обработку разработали различные за-

щитные покрытия. Они необходимы для предотвращения окисления, а также

защищают титан от наводороживания. Наиболее широко применяют эмали

ЭВГ-8, ЭВГ-8А, ЭВГ-23. Эмаль ЭВГ-23 обеспечивает

надежную защиту ти-

тановых сплавов до высоких температур: 750-830 °С. При нагреве титановых

сплавов, покрытых эмалью Э8Г-23, выше 830-850 °С начинается их газона-

сыщение, хотя и значительно менее интенсивное, чем при нагреве на возду-

хе.

Устойчивую и прочную защитную пленку образуют боросиликатные и

алюмосиликатные стекла. Используют также металлические покрытия.

Эффективным способом

защиты титановых сплавов от окисления явля-

ется термическая обработка их в среде инертных газов, например, в аргоне

или в гелии.

Рациональным способом борьбы с наводороживанием металла при

технологических операциях является удаление водорода из готовых деталей

и элементов конструкций вакуумным отжигом, который приводит также к

снятию нежелательных остаточных напряжений.

Порядок выполнения работы

1. Обосновать выбор технологической схемы и режимов термической

обработки сплава ВТ6.

2. Выполнить термообработку образцов сплава ВТ6:

- провести отжиг образцов при 930, 800,500 °С. Время выдержки 1ч.

Охлаждение - на воздухе;

- провести закалку образцов после выдержки с течение 60 мин при 930

°С, охлаждение при закалке проводить в холодной воде с быстрым

перено-

сом образца из печи в закалочный бак;

- провести старение закаленных образцов при температурах 300,

400,500 °С. Продолжительность старения при всех температурах 1ч, а при

500 °С - 15, 30, 45, 60 мин. Охлаждение с температуры старения - на воздухе.

3.Зачистить образцы на глубину не менее 0,2 мм и измерить твердость

по шкале HRC: нагрузка - 1500 H (150 кг), индентор - алмазный конус.

4. Приготовить шлифы. Исследовать микроструктуру.

5. Полученные результаты оформить в виде таблицы (табл.4.3).

6. Построить графики: НRC = f / ( t отжига); HRC = f (t старения); НRС

= f(τстар) при t стар. = 500 °С

7. Проанализировать полученные результаты. Сделать выводы по рабо-

те:

- объяснить влияние режима отжига на структуру и твердость сплава

ВT6;

- объяснить выбор температуры закалки для сплава ВТ6;

- объяснить влияние температуры и времени старения на свойства

(НRC) сплава ВТ6.

8. Оформить отчет.

9. Познакомиться с вопросами для самостоятельной подготовки.

Таблица 4.3

Влияние режима

термической обработки на структуру и твердость сплава ВТ6

Вид термооб-

работки

t,°С

Время

выдержки

Среда

охлаждения

HRC Микроструктура

исходный

отжиг

500

800

I час

воздух

закалка 930 60 мин вода

старение

300

400

500

I ч

15 мин

30 мин

воздух

Оборудование, инструменты, материалы

Лабораторные камерные электропечи, нагретые до

930, 800, 500, 400, 300 °С. Образцы сплава ВТ6. Закалочный бак с во-

дой. Щипцы, рукавицы. Шлифовальная бумага, сукно, окись хрома. Шлифо-

вальные и полировальные станки. Травитель: 5 мл НF,5 мл НNО3, 90 мл Н2О

дист. Микроскоп МИМ-7. Прибор типа Роквелла ТК-2, индентор - алмазный

конус. Линейка

Требования к отчету

1. Отчет оформить в соответствии со стандартом СТП 2.407-2005.

2. Указать цель работы.

3. Привести химический состав, свойства, применение сплава ВТ6.

4. Начертить диаграмму титан-алюминий. На ней показать положение

сплава ВТ6. Дать характеристику фаз и структурных составляющих сплава

ВТ6.

5. Описать используемое оборудование, приборы, приспособления, ма-

териалы.

6. Привести результаты экспериментов: таблицу и графики

7. Дать анализ полученных результатов. Сделать выводы по работе.

8. Указать использованную литературу.

Контрольные вопросы и задания

1. Какие особенности титана и его сплавов необходимо учитывать при

разработке технологии термической обработки?

2. Чем и с какой целью легирован сплав ВТ6? Какова его структура?

Свойства?

3. Какую структуру могут иметь титановые сплавы?

4. Какие виды термообработок применимы для титановых сплавов?

5. Укажите виды

и назначение отжигов, применяемых для титановых

сплавов.

6. Объясните технология рекристаллизационного отжига.

7. Объясните технологию простого отжига α + β сплавов.

8. Объясните технологию изотермического отжига α + β сплавов.

9. Объясните технологию двойного ступенчатого отжига.

10. Объясните технологию отжига для уменьшения остаточных напря-

жений.

11. Что такое α, α + β, β - отжиги?

12. Как отжигают

литейные сплавы?

13. Виды закалок титановых швов?

14. Какие метастабильные фазы можно получить при закалке титано-

вых сплавов?

15. Объясните технологию закалки титановых сплавов.

16. В чем разница между отпуском и старением титановых сплавов?

17. Объясните технологию старения титановых сплавов.

18. В чем особенность одно и двухступенчатого режимов старения?

19. Применяют ли упрочняющую термическую

обработку для литых

титановых сплавов?

20. Как защищают титан и его сплавы от газонасыщения?

Литература

1. Колачев, Б.А. Металловедение и термическая обработка цветных ме-

таллов и сплавов [Текст]: учебник для студ. высш.уч.завед. /Б.А.Колачев,

В.А.Ливанов, В.И.Елагин. -4-е изд. - М.: МИСиС, 2005. -432с.

2. Белов

, Н.А. Металловедение цветных металлов. Алюминиевые, маг-

ниевые и титановые сплавы [Текст]: учеб. пособие для студ.

высш.уч.завед./Н.А.Белов, А.А.Аксенов. - М.: МИСиС,2005. -149с.

3. Колачев, Б.А. Технология термической обработки цветных металлов

и сплавов [Текст]: учеб. пособие для вузов/ Б.А.Колачев, Р.М. Габидуллин,

.В.Пигузов. - М.: Металлургия, 1980. - 280 с.

4. Полькин, И.С. Упрочняющая термическая обработка титановых

сплавов [Текст]/И.С.Полькин; под ред. И.И.Новикова. - М.: Металлур-

гия,1984. - 96 с.

5. Вульф,Б.К. Термическая обработка титановых сплавов

[Текст]/Б.К.Вульф. -М.: Металлургия, 1969, - 376 с.

6. Мальцев,М.В. Металлография тугоплавких, редких и радиоактивных

металлов и сплавов [Текст]/М.В

.Мальцев. - М.: Металлургия, 1971.-488 с.

7. Арзамасов, Б.Н. Материаловедение [Текст]: учебник для студ. высш.

техн.уч.завед./ Б.Н.Арзамасов, И.И.Сидорин, Г. Ф.Косолапов, и др.; под общ.

ред. Б.Н.Арзамасова. -2-е изд. - М.:Машиностроение, 1986. - 384 с.

8. СТП 2.407-2005 Текстовые документы в учебном процессе. Общие

требования к построению, изложению

и оформлению [Текст]. – Введ. 2005 -

01-06.- ГУЦМиЗ.- Красноярск, 2005 – 68 с.

Лабораторная работа 5

Металловедение и термическая обработка тугоплавких металлов и

сплавов на их основе

Цель работы: получить знания по технологии термической обработки

тугоплавких металлов и сплавов на их основе; познакомиться с технологией

получения, оценкой качества и применением вольфрамовой проволоки марки

ВА.

Теоретические сведения

К тугоплавким условно относят металлы, температура

плавления кото-

рых равна температуре плавления хрома (1875 °С) или выше ее. Температуры

плавления тугоплавких металлов приведены в табл. 5.1.

Таблица 5.1

Температуры плавления тугоплавких металлов

Металл Химический

символ

Атомный

номер

t* пл.,

[1] [2]

1. Х

ом Сг 24 1875 1903

2. Вана

ий V 23 1900 1917

3. Ро

ий Rh 45 1963

4. Га

ний Hf 72 1949

5. Р

тений Ru 44 2250

6. Ниобий Nb 41 2468 2469

7. И

ий I

77 2447

8. Молиб

ен Мо 42 2610 2617

9. Тантал Та 73 3000 2997

10. Осмий Os 76 3047

11. Рений Rе 75 3177

12. Воль

фр

ам W 74 3380 3387

* Температуры плавления приведены по различным литературным ис-

точникам

Наибольшее применение получили металлы V A подгруппы -ванадий,

ниобий, тантал и металлы V I A подгруппы -хром, молибден, вольфрам. Ту-

гоплавкие металлы имеют прочные межатомные связи и отличаются высо-

кими температурами плавления, малым тепловым расширением, небольшой

теплопроводностью, повышенной жесткостью.

Однако при высоких температурах все важнейшие тугоплавкие метал-

лы (за исключением хрома) быстро окисляются. Низкая жаростойкость -

большой недостаток тугоплавких металлов.

По совокупности технологических свойств тугоплавкие металлы и их

сплавы относят к труднообрабатываемым материалам. Все виды горячей об-

работки давлением затруднены большим сопротивлением пластическому де-

формированию, недостатком технологической пластичности у ряда металлов

и сплавов, опасностью загрязнения примесями внедрения. Во избежание за-

грязнения нагрев и обработку заготовок проводят в защитных средах или ва-

кууме и применяют специальное, более сложное и дорогое, чем обычное,

оборудование.

Тугоплавкие металлы активно взаимодействуют с.примесями внедре-

ния: кислородом, азотом, углеродом, а также с водородом. Примеси внедре-

ния охрупчивают

тугоплавкие металлы с ОЦК решеткой. В металлах техни-

ческой чистоты допускают несколько сотых процента примесей. Этого дос-

таточно, чтобы металлы VI А подгруппы при 25 °С оказались хрупкими.

Температурный порог хладноломкости у вольфрама находится около 300 °С,

а у молибдена и хрома - в пределах 90-250 °С в зависимости от марки метал-

ла. Сплавы на основе

тугоплавких металлов подразделяют на две группы: I -

сплавы со структурой твердого раствора; термической обработкой не упроч-

няются; 2 - сплавы, упрочняемые закалкой и старением; содержат повышен-

ное количество углерода и карбидообразующие элементы. При старении

сплавов этой группы упрочняющей фазой являются карбиды, которые выде-

ляются внутри зерен.

При разработке технологии термической обработки тугоплавких ме-

таллов и сплавов на их основе следует учитывать присущие им особенности:

- высокие температуры плавления;

- активное взаимодействие с газами, составляющими атмосферу;

- высокую склонность к хладноломкости.

Виды термической обработки тугоплавких металлов и их сплавов

Тугоплавкие металлы и сплавы на их основе часто применяют в де-

формированном состоянии без какой-либо

термической обработки или после

отжига для уменьшения остаточных напряжений. Эта особенность примене-

ния тугоплавких металлов и их сплавов связана с тем, что рекристализацион-

ный отжиг в ряде случаев, а упрочняющая термическая обработка всегда

приводят к хрупкости.

Наиболее распространенный вид термической обработки тугоплавких

металлов и их сплавов - отжиг различного назначения: для снятия

напряже-

ний, полигонизационный дорекристаллиэаццонный, рекристализационный и

иногда гомогенизационный.