» » Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений
05.01.2015

Варьирование химического и фазового состава позволяет получать различные сочетания физико-механических свойств материала, а следовательно, создает перспективы для устранения и формоизменения. С точки зрения последнего важнейшими свойствами тела являются температурная зависимость предела текучести и общий его уровень. Поэтому при исследовании кривых «коэффициент роста—состав» большинство других характеристик, как правило, следует рассматривать как второстепенные. Грубо они делятся на четыре категории:
1) константы, определяющие величину условных термоупругих напряжений при заданном поле температур (модуль упругости, коэффициент Пуассона, коэффициент термического расширения);
2) константы, определяющие время существования градиента температуры по сечению (в первую очередь теплопроводность, а также удельная теплоемкость и плотность);
3) переменные, от которых зависят условия теплообмена на границе с окружающей средой (теплопроводность);
4) все прочие параметры, характеризующие стабильность структуры материала (температура рекристаллизации и пр.).
Если легирование не сопровождается появлением новых фаз, то перечисленные свойства обычно изменяются не настолько сильно, чтобы качественно воздействовать на закономерности роста вообще (хотя не исключено, что величина деформации за цикл может быть как усилена, так и подавлена). Трудно указать на какие-либо особенности кривых «формоизменение—состав» в области существования одной фазы.
Варьирование фазового содержания представляется наиболее радикальным средством воздействия на коэффициент роста. Здесь имеются возможности установить некоторые достаточно общие эффекты. Во-первых, как известно, диаграммы состояния многофазных систем характеризуются наличием особых структурных состояний (например эвтектики), температурные коэффициенты пределов текучести (твердости и т. п.) которых экстремально высоки. В силу сказанного, соответствующие максимумы должны находить отражение и на кривых «формоизменение—состав». Правда, эвтектики обладают не только повышенными температурными коэффициентами механических свойств, но и аномально большими абсолютными значениями пределов текучести, и эта вторая причина действует в противоположную сторону, но, как показывает опыт, определяющей почти всегда остается первая из них. Во-вторых, естественно, что особо сильное изменение коэффициент роста должен испытывать тогда, когда одна из фаз сменяется другой — с большей или меньшей «размягчаемостью» при повышении температуры. Примером служит переход от α- к β-латуни.
Следует, конечно, иметь в виду, что при анализе кривых «коэффициент роста—состав» нужно учитывать не только и даже не столько содержание тех или иных элементов, сколько структурное состояние материала, его стабильность и т. п.
К сожалению, почти нет систематических исследований по затронутому вопросу. Однако приведенные ниже опытные данные в известной мере соответствуют высказанным соображениям.
Впервые влияние легирования на склонность к формоизменению было изучено в работе Л. А. Гликмана на конструкционной стали нескольких марок. Используя гладкие призматические образцы 60х25х15,5 мм3, Л. А. Гликман показал, что при одинаковом режиме термического воздействия, заключающемся в быстром нагреве в свинцовой ванне до 600—620° С и последующем быстром охлаждении в воде до 15—40° С, образцы сталей марок У, XH, ХНМ, XB, XBM (химический состав их приведен в табл. 20), как и следовало ожидать, с каждым циклом изменяют свои размеры, приобретая бочкообразную форму, однако, с неодинаковым коэффициентом роста. Наибольшая чувствительность к формоизменению по данным присуща стали с 0,55% С + 0,24% Si + 0,48% Mn, а наименьшая — стали, легированной хромом, молибденом и ванадием. Основные результаты экспериментов автора работы [101] графически изображены на фиг. 112, где показано увеличение толщины образцов в зависимости от числа теплосмен и химического состава. Легко видеть, что все исследованные материалы располагаются в следующем порядке (в порядке увеличения сопротивляемости формоизменению): У, XB, XH, ХНМ, ХВМ. С учетом рассеяния опытных точек и воспроизводимости результатов Л. А. Гликман разбивает эти марки стали по группам: 1) У; 2) XB и XH; 3) XHM и ХВМ.
Фиг. 112 убедительно показывает также, что качественного различия в поведении перечисленных материалов не обнаруживается.
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений

По данным В. И. Залесского и Д. М. Корнеева, цилиндрические образцы (d = 30 мм, l = 45 мм) из сталей 7X3, 35ХГСА, 4ХВС, 4ХНВ хотя и деформируются в сторону уменьшения поверхности, приобретая бочкообразную форму, тем не менее обладают различной склонностью к формоизменению (нагрев в расплаве свинца, охлаждение в проточной воде).
Сильнее всего укорачиваются образцы из стали 7X3 (на 8,1 % за 400 теплосмен), несколько меньше образцы из стали 35ХГСА, еще меньше из стали 4XBC и совсем незначительно из стали марки 4ХНВ.
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений

Г. З. Серебренников отмечает, что сталь марки У10 показывает гораздо большую склонность к формоизменению, чем сталь 45 и сталь 10. Например, цилиндры (l = 10 мм и d = 5 мм) при нагреве токами высокой частоты до 780° С и охлаждении на воздухе до 15° С показали увеличение диаметра за 400 теплосмен до 26% для стали У10, но всего лишь на 12 и 14% соответственно для стали 10 и стали 45.
А. А. Бочвар с сотрудниками сообщает о сильном влиянии примесей на эффект формоизменения алюминия. Так, оказалось, что за 180 теплосмен от 20 до 500° С (охлаждение в воде) пластины из чистого алюминия (99,99%) удлиняются примерно на 14%, из технического (1,46% Si, 0,32% Fe) на 11—12%, а из силумина (13% Si, 0,33% Fe) всего на 6%. В другом опыте увеличение длины за 500 циклов составило примерно 73% у чистого алюминия и всего около 22% у алюминия технической чистоты.
В той же работе имеются сведения о формоизменении жаропрочных сплавов. Мы уже приводили соответствующие данные в табл. 18 и 19 и на фиг. 94, поэтому здесь остается лишь подчеркнуть, что даже, казалось бы, незначительное легирование иногда в состоянии заметно подавить или усилить эффект роста и что благоприятное сочетание элементов при одних параметрах циклического термического воздействия может оказаться малополезным или даже вредным при других. Например, из фиг. 94 следует, что при верхней температуре меньше 750° С одним из наиболее устойчивых против формоизменения является сплав Б, в то же время при 850° С и особенно при 900° С он выделяется сильнейшим «ростом», достигающим 32% деформации за 200 циклов (Tmax =900° С).
Аналогичные результаты еще, раньше были опубликованы А. А. Бочваром и Е. Б. Бровченко. Наблюдая за формоизменением никеля (99,6%) и мельхиора (MH-19), они заметили, что хотя при максимальной температуре цикла, равной 750° С (Tmin = 15° С, охлаждение в воде), коэффициент роста мельхиора был почти в три раза меньше, чем у никеля; при 600° С имела место обратная картина: большее изменение длины показали пластины из мельхиора. По мнению авторов работы, это связано с тем, что при 600° С подвижность атомов никеля в сравнении с мельхиором слишком мала, чтобы привести к большому формоизменению; при температуре же 750° С оба материала достаточно пластичны, однако в никеле действуют более значительные условные термоупругие напряжения, что делает его «податливее».
Основываясь на собственных экспериментах, А. А. Зуйкова пришла к выводу, что увеличение содержания алюминия с 2 до 4% в β-фазе специальных латуней уменьшает эффект укорочения пластин при теплосменах от 20 до 600° С (охлаждение в воде).
В другой работе А. А. Зуйкова исследовала, какое действие оказывает легирование алюминия медью. Ей удалось показать, что в целом, независимо от параметров термического цикла и структурного состояния сплава, увеличение концентрации меди (в пределах до 7%) способствует сначала подавлению вредного явления роста, а затем — при значительных концентрациях — даже перемене знака эффекта.
Автору работы удалось обнаружить исключительно отчетливое влияние гомогенизации на эффективность легирования медью. Так, пластины 100x25x3 мм3, вырезанные из литых и затем горячекатаных заготовок (500° С, обжатие 50%) и не подвергнутые специальной гомогенизации, всегда «растут» в длину при содержании меди, не превышающем 4%. Только добавка 7% Cu приводит к возникновению первых признаков отрицательной деформации. В этом легко убедиться из рассмотрения фиг. 113, на которой показано изменение длины при теплосменах между 20 и 500° С (охлаждение в воде).
Однако гомогенизирующий отжиг в течение 50 час. при 500° С создает такое структурное состояние, что даже 2% Cu хватает для перемены знака эффекта. При содержании же 7% Cu, как видно из фиг. 114, сплав укорачивается и притом почти так же сильно, как «растет» чистый алюминий (99,7%).
Приведенный пример убедительно показывает, что при анализе влияния химического состава в первую очередь следует учитывать именно структурные особенности, т. е., как будет видно ниже, главным образом возможность появления или исчезновения новых фаз.
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений

В области существования одной фазы коэффициент роста обычно настолько слабо реагирует на изменение химического состава или имеет так мало особенностей, что усмотреть его связь с диаграммой состояния, а также каким-либо температурным или прочностным фактором трудно, тем более, что сами факторы подчас действуют в противоположных направлениях, нейтрализуя друг друга. Прекрасным примером, подтверждающим сказанное, являются наблюдения, сделанные в работе А. А. Бочвара, И. И. Новикова и В. А. Холмянского. Им удалось показать, что сплавы никеля с медью, характеризующиеся, как известно, неограниченной взаимной растворимостью компонент, меняют свою форму при теплосменах так, что коэффициент роста более или менее плавно уменьшается от значения, свойственного чистому никелю, до такового, присущего меди. На фиг. 115, д показаны результаты экспериментов. Они относятся к двум сериям опытов. В первой из них образцы в виде пластин 100х20х3 мм3, вырезанных из холоднокатаных полос, нагревались в муфельной печи до 750° С и затем охлаждались в холодной воде. В другой аналогичные образцы были подвержены таким же теплосменам, причем, в отличие от первой серии, верхняя температура цикла была на 180° С выше температуры начала рекристаллизации соответствующего сплава.
На фиг. 115 приведена также диаграмма состояния (а), температура начала рекристаллизации (б), фактор, пропорциональный термоупругим напряжениям (в) и твердость по конусу (г). Легко видеть, что ни один из перечисленных параметров непосредственно не отражается на кривой, выражающей зависимость формоизменения от состава, ни в третьем, ни во втором режиме температурного воздействия.
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений

Авторы цитируемой работы в своем объяснении детального хода кривых «формоизменение—состав» исходят из того, что такие причины, как упрочнение легированием, а также изменение условных термоупругих напряжений и температуры рекристаллизации вносят различный конкурирующий вклад, обусловливая своеобразие опытных зависимостей. Однако их рассуждения носят весьма общий характер, да и вряд ли в них есть нужда, поскольку коэффициент роста достаточно плавно изменяется от значения, присущего никелю, до значения, присущего меди, и этот интересный и важный факт говорит сам за себя.
Исключительно малая чувствительность коэффициента роста к составу α-фазы латуни была обнаружена А. А. Бочваром к Е. Б. Бровченко. Они нашли, что при увеличении концентрации цинка в меди от 0 до 38% удлинение пластин 100х25х5 мм3 за 100 циклов от 10 до 560° С возрастает лишь от 0,6% (для чистой меди) до 1,1 % (для сплава с 38% Zn). Авторы объяснили это тем, что меньшая теплопроводность сплавов Cu—Zn в сравнении с теплопроводностью меди способствует появлению напряжений, постепенно возрастающих при переходе к предельно насыщенному твердому раствору цинка в меди.
Однако в той же работе имеются сведения, что коэффициент роста немедленно меняет знак, как только в объеме материала появляется достаточное количество p-фазы. Переход из области положительных коэффициентов роста в область отрицательных происходит очень резко, так что уже при 40% Zn пластины интенсивно укорачиваются: примерно на 2,5% за 100 теплосмен (10⇔500° С). Это хорошо видно из фиг. 116, где показано итоговое изменение длины на базе 100 циклов. Как уже было сказано, разница в направлении формоизменения α- и β-фаз латуни проистекает от неодинаковой температурной зависимости пределов текучести, и в этом смысле диаграмма фиг. 116 не требует особого пояснения. Она, по-видимому, выглядела бы совсем иначе (без смены знака), если бы теплосмены заключались в быстрых нагревах (например, токами высокой частоты) и последующих спокойных охлаждениях на воздухе.
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений
Влияние химического и фазового состава металла вследствие релаксации напряжений

Интересная связь эффекта формоизменения с диаграммой состояния описана в статье А. А. Бочвара и П. К. Новика. Термоциклируя пластины 100х50х3 мм3 из сплавов алюминия с цинком, они нашли, что при содержании цинка около 80% имеется исключительно сильный отрицательный экстремум на кривой «формоизменение—состав». Результаты их экспериментов графически изображены на фиг. 117. Из фигуры хорошо видно, что если образцы из чистых алюминия и цинка «растут» в длину, а близкие к ним составы ведут себя аналогично, то в районе концентраций 78—80% Zn коэффициент роста отрицателен, причем укорочение составляет до 5% за 60 теплосмен, а максимум укорочения как раз расположен против эвтектоида.
А. А. Бочвар и П. К. Новик не дали в свое время убедительного объяснения обнаруженной ими особенности, приписав возможную причину в основном фазовым превращениям. Нам, однако, представляется, что дело здесь в другом. Естественно предположить, что местный экстремум в области концентраций 78—80% Zn возникает из-за резкого максимума на кривых «температурный коэффициент предела текучести—состав». Кстати, и сами авторы работы сумели показать, что формоизменение выявляется и тогда, когда эвтектоидное превращение ликвидировано.
В заключение хочется подчеркнуть, что закономерности и физическое объяснение связи коэффициента роста с химическим и фазовым составом существенно отличаются от таковых, свойственных тем случаям, когда формоизменение вызывается анизотропией коэффициента термического расширения, а не температурными градиентами. Примером может служить действие эвтектики (или эвтектоида): если температурные градиенты вызывают аномально высокое формоизменение эвтектических составов, то анизотропия расширения — наоборот, аномально низкое. В этом легко убедиться из сопоставления фиг. 117 и 56.