Контрольная работа по "Материаловедение"

Гомогенизация - разновидность отжига, которая применяется при про-

изводстве деформированных полуфабрикатов. Гомогенизация слитка - пер-

вая термическая обработка в технологическом процессе.

Слиток с неоднородной, термодинамически неустойчивой структурой

подвергают отжигу, в результате которого его структура становится гомо-

генной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифици-

ровать последующую обработку давлением (прессование, прокатка) и

уменьшить технологические отходы. Во многих случаях гомогенизация по-

зволяет также улучшить свойства деформированных полуфабрикатов

Рассмотрим сущность гомогенизации и принципы выбора режима го-

могенизации на примере двойного сплава А1-4% Си (рис. 5).

Рис.6 Алюминиевый угол диаграммы состояния системы Al- Cu.

 

Хотя равновесная структура сплава представляет собой обедненный

медью твердый раствор и вторичные выделения Ө - фазы (А12Сu), в слитках

в результате неравновесной кристаллизации образуется неравновесная эвтек-

тика, интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек (см. рис. 5)

состоит из эвтектических (достаточно грубых) включений Ө - фазы (А12Сu).

Если сплав нагреть до температуры выше температуры сольвуса и выдержать

при этой температуре, то эвтектические включения Ө (Al2Cu) растворятся,

выравнивается концентрация меди по сечению дендритных ячеек и сплав бу-

дет иметь гомогенную однофазную структуру. Температура гомогенизации

(tгом) должна  быть выше температуры полного  растворения легирующих

компонентов в алюминии, т.е. выше t1 на рис.6, но ниже температуры рав-

новесного солидуса (tсол). При выборе температуры гомогенизации следует

учитывать наличие в слитке неравновесной эвтектики, температура плавле-

ния которой равна t эв. Если слиток быстро нагреть до температуры выше tэв,

то эвтектика расплавится, образовавшаяся жидкость через некоторое время

снова закристаллизуются. Тем не менее, нагрев при гомогенизации до появ-

ления жидкой фазы обычно не допускается, поскольку это сопровождается

межзеренным окислением и образованием пористости, что приводит к сни-

жению прочности и особенно пластичности сплавов.

Таким образом, tгом должна быть ниже t эв, однако во многих случаях

для ускорения процесса гомогенизации ее выбирают выше tэв, но в этом слу-

чае нагрев до температуры tгом должен производиться медленно с тем, чтобы

неравновесная эвтектика рассосалась (растворились интерметаллидные эв-

тектические включения) до достижения температуры t эв.

Нагрев и выдержка при гомогенизации должны обеспечить полное рас-

творение неравновесных эвтектических включений Ө-фазы (А12Сu). Вы-

держка должна быть тем больше, чем грубее эти включения, величина кото-

рых зависит от скорости кристаллизации при литье. В общем случае выдерж-

ка при гомогенизации зависит от коэффициента диффузии компонентов, со-

держащихся в растворенной фазе.

Температура гомогенизации для промышленных алюминиевых сплавов

колеблется в пределах от 450 до 560 °С, а выдержка - от 4 до 36 ч. Выдержка

выбирается экспериментально.

Гомогенизация не должна быть излишне длительной, длительная го-

могенизация может привести к отрицательным эффектам, например образо-

ванию вторичной водородной пористости в слитке. Скорость 4uохлаждения

при гомогенизации обычно не регламентируют, слитки охлаждают с печью

или на воздухе. При таком сравнительно медленном охлаждении растворен-

ные легирующие компоненты снова выделяются из твердого раствора в виде

вторичных интерметаллических кристаллов. Однако эти кристаллы гораздо

меньше имевшихся до гомогенизации эвтектических включений и более рав-

номерно распределены, поэтому пластичность сплава остается достаточно

высокой. Изложенная на примере сплавов Al-Cu сущность процесса гомоге-

низации может быть распространена и на более сложные алюминиевые спла-

вы. Отличие этих сплавов от двойных сплавов Al-Cu заключается лишь в

том, что в результате дендритной ликвации у сложных сплавов в литом со-

стоянии твердый раствор неоднороден не только по содержанию меди, но и

по содержанию других компонентов (Mg, Zn, Si, Li), а по границам дендрит-

ных ячеек залегает не двойная (или не только двойная) эвтектика α+Ө.А12Сu,

а более сложные неравновесные эвтектики, и при гомогенизации происходит

растворение различных интерметаллидных фаз.

В том случае, когда в сплавах содержатся наряду с одним или несколь-

кими выше упомянутыми основными компонентами добавки переходных ме-

таллов (Мn, Cr, Zr), структурные превращения, происходящие при гомогени-

зации, усложняются.

На рис. 7 в одном масштабе вычерчены кривые изменения растворимо-

сти меди, магния и марганца в алюминии в зависимости от температуры. Видно,

что при температурах гомогенизации растворимость меди, магния и других ос-

новных легирующих компонентов (Zn, Li, Si) велика, а растворимость марганца

мала, поэтому в процессе выдержки при этих температурах медные, магниевые,

литиевые, кремниевые интерметаллиды растворяются. Вместе с тем из твердого

раствора выделяются марганцевые (хромовые, циркониевые) интерметаллиды,

являющиеся продуктами распада пересыщенного твердого раствора, образовавшегося при кристаллизации.

На рис. 8 показано влияние марганца на микроструктуру литого спла-

ва Д16 после гомогенизации. Видно, что в процессе гомогенизации сплава с

Мn наряду с растворением эвтектических включений Ө.-фазы (А12Сu) и S-

фазы (Al2CuMg) из твердого раствора выделяется Мn-интерметаллид Al-Cu-

Mn-фаза в  дисперсном виде.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис.7 Кривые растворимости меди, магния и марганца в алюминии: А - интервал температур гомогенизации

 

                       а )                                                       б)

 

Рис.8 Микроструктура слитков сплава Д16 с 0,4% Мn, х 800:

а - литое состояние, б- после гомогенизации при 480 °С, 24 ч

 

Таким образом, применительно к сплавам, в состав которых кроме Сu,

Mg, Zn, Si, Li входят  переходные металлы (Мn, Сr, Zr), описанная  выше тер-

мообработка (гомогенизирующий отжиг), гомогенизируя структуру по ос-

новным компонентам, обусловливает и некоторую гетерогенизацию - выде-

ление алюминидов переходных металлов Дисперсные частицы марганцевых,

хромовых, циркониевых интерметаллидов влияют на температуру рекри-

сталлизации деформированных полуфабрикатов, полученных из гомогенизи-

рованных слитков. При оптимальной дисперсности этих интерметаллидов

температура рекристаллизации некоторых полуфабрикатов (особенно горя-

чедеформированных) может быть выше температуры конечной термообра-

ботки. В этом случае в готовых изделиях после термообработки сохраняется

нерекристаллизованная (полигональная) структура, обусловливающая значи-

тельный прирост прочности (структурное упрочнение).

Дисперсные алюминиды переходных металлов, помимо положительно-

го влияния на механические свойства деформиррванных полуфабрикатов,

значительно уменьшают склонность ряда сплавов к коррозии под напряже-

нием.

Таким образом, гомогенизация, являясь средством повышения пла-

стичности слитков перед обработкой давлением, оказывает многогранное

влияние на структуру и свойства деформированных полуфабрикатов. В связи

с этим гомогенизация широко применяется при производстве полуфабрика-

тов не только из высокопрочных сплавов, но и мягких сплавов (даже из тех-

нического алюминия).

Применительно к слиткам для производства прессованных профилей из

высокопрочных сплавов, разработан процесс гомогенизации с последующим

гетерогенизационным отжигом. Цель такой обработки - предельно обед-

нить твердый раствор легирующими компонентами при температуре прессо-

вания, что приводит к снижению усилия истечения металла и существенному

(на 30...50 %) повышению  скорости истечения при прессовании. Режим гомо-

генизации с последующим гетерогенизационным отжигом показан на рис. 9.

Гетерогенизационньй отжиг проводится при температуре минимальной ус-

тойчивости твердого раствора, что обеспечивает его быстрый распад (доста-

точна выдержка 1...2 ч) и определенную коагуляцию продуктов распада.

Слиток, подвергнутый обработке и имеющий минимальное содержание ле-

гирующих компонентов в твердом растворе, при нагреве перед прессовани-

ем, сохраняет свое структурное состояние, что и определяет повышение тех-

нологичности при прессовании.

Рекристаллизационный отжиг наиболее распространен в качестве

промежуточной термической обработки между операциями холодной дефор-

мации или между горячей и холодной деформацией.

При нагреве деформированных металлов и сплавов до определенной

температуры (температуры начала рекристаллизации), которая для техниче-

ски чистых металлов составляет 0,4 Тпл, а для сплавов несколько выше, в них

начинается процесс образования и роста новых зерен с совершенной кри-

сталлической структурой (плотность дислокаций уменьшается на несколько

порядков). Все свойства деформированного металла (или сплава) в результа-

те рекристаллизации меняются в направлении, обратном тому, в котором они

менялись при деформации, т.е. прочность и твердость снижаются, а пластич-

ность возрастает. Эта закономерность справедлива для тех условий нагрева,

при которых не наблюдается еще заметной собирательной рекристаллизации.

Рис.9 Схема гетерогенизирующей обработки после гомогенизации: t1 -

температура гомогенизации; t2- температура минимальной устойчивости

твердого раствора

Величина рекристаллизованного зерна, в значительной степени

влияющая на свойства материала после отжига, зависит от следующих ос-

новных факторов: 1) степени деформации пред отжигом; 2) температуры на-

грева; 3) скорости нагрева; 4) времени выдержки.

Величина критической степени деформации для разных алюминиевых

сплавов колеблется в широких пределах, для алюминия она равна 1...3% (в

зависимости от содержания примесей), а для сплавов выше (4...10%).

Характер зависимости величины рекристаллизованного зерна алюми-

ниевых сплавов от степени предшествующей деформации показан на рис.10.

Во избежание собирательной рекристаллизации температура рекриста-

лизационного отжига не должна быть высокой, но во избежание образования

крупного зерна при первичной рекристаллизации она должна существенно

превышать температуру окончания рекристаллизации.

Рис.10 - Изменение величины рекристаллизованного зерна алюминия в за-

висимости от степени предшествующей холодной деформации

 

Схема, показывающая влияние скорости нагрева при рекристаллизаци-

онном отжиге на продолжительность пребывания материала при температу-

рах между началом и концом рекристаллизации показана на рис 11.

Рис.11 - Схема, иллюстрирующая влияние скорости нагрева на

продолжительность пребывания сплава между t н.рек и t к.рек : 1 - быстрый

2 - медленный нагрев

 

На практике температура рекристаллизационного отжига на 50 - 150º С

превышает температуру окончания рекристаллизации и для промышленных

алюминиевых сплавов колеблется в пределах от 300 до 500 °С. Выдержка

при температурах рекристаллизационного отжига составляет 0,5...2 ч.

Для алюминиевых сплавов, неупрочняемых термообработкой, скорость

охлаждения при кристаллизационном отжиге, как правило, не играет и может

выбираться произвольно (садку после выдержки в печи обычно охлаждают

на воздухе). Для термически упрочняемых сплавов скорость охлаждения

должна быть определенной, как правило не выше 30 °С/ч до 200...250 °С (да-

лее произвольно), чтобы после отжига формировалось равновесное или близ-

кое к равновесному состояние как в структурном, так и в фазовом отношении.

Применительно к некоторым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам положение о независимости свойств от скорости охлаждения при отжиге нуждается в уточнении.

Дорекристаллизационным отжигом является неполный отжиг, кото-

рый применяют в качестве окончательной термообработки с целью получе-

ния полуфабрикатов (обычно листов) с промежуточными свойствами - между

свойствами нагартованного состояния (высокая прочность и низкая пластич-

ность) и рекристаллизованного, полностью отожженного (низкая прочность и

высокая пластичность). Неполный отжиг используют для термически неуп-

рочняемых сплавов. Отжиг проводят при температуре ниже температуры

окончания рекристаллизации, в результате чего сплав приобретает полигони-

зованную или частично рекристаллизованную структуру, поэтому упрочне-

ние от холодной деформации снимается не полностью.

Листы из алюминиевых сплавов, выпускаемые с различной степенью

нагартовки (Н, Н2, Н3), получают обычно неполным отжигом сильно нагар-

тованного материала.

Гетерогенизационный отжиг термически упрочненных полуфабрика-

тов с целью их разупрочнения применяют только для сплавов, упрочняемых

термообработкой. Он необходим в тех случаях, когда полуфабрикаты, уп-

рочненные закалкой и старением, требуется разупрочнить (например, зака-

ленные листы перед холодной штамповкой). Отжиг должен обеспечить пол-

ный распад твердого раствора и получение при комнатной температуре фазо-