Реферат: Определение и обоснование видов и режимов структурной обработки сплава Cu+2,3%Be

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине “Теоретическиеосновы термической обработки металлов”

на тему

“Определение иобоснование видов и режимов структурной обработки сплава Cu+2,3%Be”

Реферат

Курсоваяработа: 36 с., 11 рис., 2 табл., 8 источников.

Объектработы: сплав Cu + 2,3 % Be.

Цельработы: определение и обоснование видов и режимов структурной обработки сплава.

Определен ряд возможных структурных обработок сплава,сделан сравнительный анализ определенных обработок с обработками, которыеиспользуют для этого сплава в нынешнее время.

Результатыработы могут стать основанием для дальнейших разработок больше сложных обработоксплава Cu + 2,3 % Be.

МЕДЬ, БЕРИЛЛИЙ,ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ДЕФОРМАЦИОННОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ХИМИКОТЕРМИЧЕСКАЯОБРАБОТКА, НАГРЕВ, ВЫДЕРЖКА, ОХЛАЖДЕНИЕ, ТВЕРДОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ.

Содержание:

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов- 1 Введение - 2. Аналитическая часть

2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be иее характеристика -

2.2 Определение основных исходныхданных -

2.3 Определение возможных видовструктурной обработки -

2.4 Определение параметров режимов назначенных видов структурной обработки-

2.5 Построение схем-графиков режимовназначенных видов структурной обработки -

2.6 Фазовые и структурные превращения при нагреве иохлаждении в процессе назначенных видов и режимов структурной обработки -

3 Выводы -

Перечень ссылок -

Перечень условных обозначений,символов, сокращений и терминов.

СО Структурная обработка

ТО Термическая обработка

ДТО Деформационно-термическаяобработка

ХТО Химико-термическая обработка

ФП Фазовое превращение

СП Структурное превращение

ВТМО Высокотемпературнаятермомеханическая обработка

НТМО Низкотемпературнаятермомеханическая обработка

1Введение.

В данной работепроизводится выбор видов и режимов структурной обработки. Ее сущностьзаключается в том, что в результате направленного энергоинформационноговоздействия на металл или сплав в структуре и фазовом составе его (или только вструктуре) происходят необратимые изменения. Указанные изменения приводят ксоответствующему изменению свойств (механических, физических, химических).Энергетическая составляющая указанного выше воздействия это общая затратаэнергии в процессе структурной обработки. Информационная составляющаяпредставляет собой определенное распределение компонентов энергетическоговоздействия во времени и в пространстве. Носителем воздействия при структурнойобработке может быть:

a) тепловая энергия, такая обработканазывается термической (ТО);

b) тепловая и механическая, такаяобработка — деформационно-термическая (ДТО);

c) тепловая и химическая, такаяобработка — химико-термическая (ХТО).

Изменения структурного состояния объекта в результатевоздействия на него системы воздействий происходят вследствие протекания вобъекте фазовых (ФП) и структурных превращений (СП). Характерным признаком ФПявляется изменение фазового состава сплава (в одних случаях тип фазы, в другихколичественные изменения) в процессе обработки. Характерным признаком СПявляется изменение морфологии структуры (причем фазовый состав при этом обычноостается неизменным). Таким образом, структурная обработка, путемэнергоинформационного воздействия, оказывает влияние на металлический сплав(который характеризуется начальным структурным состоянием), вызывая в нем ФП иСП. Указанные ФП и СП формируют конечное структурное состояние сплава, аследовательно, и новый комплекс свойств.

Назначение структурной обработки главнымобразом зависит от комплекса конечных свойств изделия и частично от начальногоструктурного состояния сплава. Возможны следующие виды структурной обработки:

1) термическая обработка:

a) отжиги 1 рода;

b) отжиги 2 рода;

c) закалки;

d) стабилизирующие обработки;

2) деформационно-термическаяобработка:

a) термомеханическая обработка(высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературнаятермомеханическая обработка (НТМО);

b) механико-термическая обработка;

3) химико-термическая обработка:

a) насыщающая обработка;

b) рафинирующая обработка.

При различных типах структурных обработокиспользуются все известные ФП и СП. Все виды структурных обработок для которыхобязательно использование ФП называются структурными обработками с ФП и в своемцикле они обязательно предполагают фазовую перекристаллизацию. Если в основеструктурной обработки лежит СП, то для их осуществления ФП не нужны и фазовойперекристаллизации не происходит.

Значение структурной обработки состоит вследующем:

1) температура нагрева обеспечивает необходимую диффузионную подвижность атомов,т.е. влияет на скорость процесса;

2) обеспечивает необходимый фазовый состав, а следовательно, структурусплава;

3) обеспечивает необходимые физические и механические свойства сплава.

Рассмотрим подробнее как влияет структурнаяобработка на морфологию структуры металлического сплава. Под морфологией структурыпонимают геометрическую форму, размеры и распределение в сплаве структурныхсоставляющих расположенных одновременно во всех трех пространствах, причем принадлежащиходному структурному уровню.

Структурный уровень характеризуется:

Øтипичными элементами структуры дляданного уровня;

Øразмерами структурных элементов;

Øглубиной проникновения в строениевещества.

Структурные уровни:

1) макроструктура;

2) микроструктура;

3) атомно-кристаллическая;

4) тонкая структура;

5) электронная;

6) ядерная.

От уровня №1 до №6 увеличивается глубинапроникновения и уменьшается размер структурных элементов. Структурные уровнисвязаны между собой по принципу матрешки.

Структурное состояние с описанной точкизрения в первом приближении характеризуется как функция от фазового состава,морфологии структуры и механического напряженного состояния. Во второмприближении описывается тремя системами, в которых одновременно располагаютсяэлементы структуры различных структурных уровней.

Структурной обработкой (СО) можно влиять на2, 3, 4 и 5 структурные уровни. На макроструктуру СО не влияет, т.к. онаформируется при более высоких температурах, чем температура СО. На ядернуюструктуру также не влияет, т.к. СО не имеет необходимый уровень энергии длявзаимодействия ядерной реакции.

Данная курсовая работа посвященамедно-бериллиевому сплаву (содержание Ве 2,3%). Особенностью медно-бериллиевыхсплавов является широкий диапазон изменений механических и физических свойствпри термообработке. Этот факт обуславливает широкое применение бериллиевыхбронз: фасонное литье из медно-бериллиевых сплавов в земельные формы и кокиль,а также по выплавленным моделям и под давлением. В ряде случаев вместо литыхдеталей более целесообразно изготавливать детали из заготовок медно-бериллиевыхсплавов, подвергнутых обработке давлением. В любом случае медно-бериллиевыесплавы обладают достаточно интересным комплексом свойств, но также имеют инедостатки, например, высокая стоимость сплавов из-за дорогостоящего процессапереработки руд [1].

Далее в работе будут рассмотрены всевозможные виды структурных обработок медно-бериллиевого сплава (Сu + 2,3 % Ве).

2. Аналитическая часть.

2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be и еехарактеристика.

U /> Y R Q />/>/>/> S

/>/>/>/>/>/> <td/>

Рис 1. Диаграмма состояния бинарного сплава Cu – Be (с содержанием Be до 12%);

1- исходный сплав Cu + 2,3%Be; 2 – сплав насыщенный Be до 2,7%.

Как видно из диаграммы, температура плавления чистой меди 1083°С (т. С на рис.1). При увеличении содержания бериллия температураначала и конца затвердевания сплавов понижается, достигая минимума. Надиаграмме он соответствует 860°С и концентрации 5,25% Be (т. Кна рис.1) и лежит над однородной областью b-фазы. При дальнейшемувеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавовповышается.

В системе Cu – Be (с содержанием Be до 12%) имеютсяфазы a, b, g. По Н.Х. Абрикосову,фазы b и g(b') являютсяединым бертоллидом (химическим соединением переменного состава), а сплав,отвечающий химическому соединению CuBe, лежит за пределами области однородноготвердого раствора g (b') [2].

Фаза a представляет собой твердыйраствор Be в Cu, с максимальной растворимостью Be составляющей 2,7% притемпературе 866°С (т. В на рис.1). При этих условиях она имеетгранецентрированную кубическую кристаллическую решетку с периодом 3,566Å.Растворимость Be с понижением температуры снижается, его значение изменяется покривым ВА и AL (см. рис.1), и при температуре эвтектоидного распада b фазы она равна 1,55%, при 350°С — менее 0,4%.

При 866°С в интервалеконцентраций бериллия 2,75 — 4,2% по перитектоидной реакции между a-фазой и жидкостью образуется фаза b (/>). Сплавы, содержащие от2,75 до 4,2% (по массе) бериллия, имеют одинаковую температуру конца затвердеванияоколо 866°С (1139К) — линия BD соответственно. Микроструктураэтих сплавов после закалки с 840°С состоит из a+b фазы. При увеличении содержания бериллия температураначала и конца затвердевания сплавов понижается. Минимальное значение (т. К нарис.1), как указывалось ранее, достигается при температуре 860°С и концентрации 5,25% Be и лежит на диаграмме состояния над однороднойобластью b-фазы. При этой концентрации температура начала иконца превращения /> совпадают и оноидет не в интервале температур, а при постоянной температуре. Если дальше увеличиватьсодержание бериллия, то превращение снова идет в интервале температур итемпература начала и конца затвердевания сплавов повышается. Микроструктурасплавов, содержащих от 4,3 до 8,4% (по массе) Be, после закалки с температуры840°С состоит из одних кристаллов b. Фаза b выше линии AFG » 605°С (условно принятая средняя температура распада этой фазы) — неупорядоченныйтвердый раствор бериллия в меди. Период его неупорядоченнойобъемно-центрированной кубической решетки при содержании 7,2% Be и температуре750°С равен 2,79Å.

При закалке с температуры 840°С сплавов с содержанием бериллия больше 8,4%, вплоть до 11%микроструктура состоит из кристаллов b и g фазы. В гомогенной области g-фаза (в некоторыхисточниках b'-фаза) содержит от 11,3 до 12,3% Be. Она представляетсобой упорядоченную фазу на основе интерметаллида CuBe с упорядоченнойобъемно-центрированной кубической решеткой типа CsCl и периодом2,69-2,7Å. Эта фаза получается при реакциях: выделение из b-фазы (/>) в интервалетемператур 605 — 870°С и концентраций 6 — 11%Ве — по линии FH; эвтектоидноепревращение b-фазы (/>) притемпературе 605°С и концентрациях 1,5-11,5%Ве — AFG соответственно.

Ниже линии эвтектоидного равновесия (линия AFG нарис.1), в интервале концентраций бериллия 0,2-11,5% (интервал L-N на рис.1соответственно) идет реакция выделения: />,при которой из пересыщенной бериллием фазы a выделяется g-фаза с большим его содержанием.

В системе имеются перитектическое (2,75 –4,2% Be) и эвтектоидное (1,5 – 11,5% Be) равновесия, при 866 и 605°С соответственно, имеются фазовые превращения типа растворение-выделение,ввиду ограниченной растворимости Be в различных модификациях меди.

Теперь рассмотрим превращения, происходящиеконкретно в сплаве Cu + 2,3%Be (сплав №1 на рис.1).

В сплаве 1 со снижением температуры с 1000 до 980°С (т. S) не происходит никаких превращений(область существования только жидкой фазы), дальше в интервале S-Q (980-875°С) идет кристаллизация из жидкостикристаллов a-фазы, при этом состав жидкостименяется по линии ликвидус, а кристаллов по солидус. Как видно из диаграммы,при этом и жидкость и кристаллическая фаза обогащаются Ве, судя из характерарасположения этих линий, соответственно количество бериллия в центре кристаллаи на его поверхности различное, т.е. существует ликвация Ве как в объемесплава, так и по самой дендритной ячейке. В интервале температур Q-R (875-740°С) существует одна a-фаза, а после, при охлаждении примерно до 605°С (т. Y на рис.1), идет обеднение a-фазы бериллием по линии ВA и выделение b-фазы. При охлаждении ниже 605°С в выделявшемся доселе неупорядоченномтвердом растворе замещения b приэвтектоидном превращении идет упорядочение — образование фазы g (b'):атомы меди располагаются преимущественно в узлах решетки, а атомы бериллия — вцентре [1]. Хотя в реальном кристалле этот порядок точно не соблюдается: атомымеди могут занять места бериллия и наоборот. Рентгенограммы g (b')в системе Cu-Be выявляют линии сверхструктуры, которые отсутствуют у b-фазы. После прохождения эвтектоиднойреакции (/>) в сплаве находится тривида фаз: a-фаза, которая образоваласьпри кристаллизации, a-фаза, которая образоваласьпри эвтектоидной реакции из b-фазы, и g (b')-фаза,которая также образовалась при эвтектоидном превращении. При дальнейшемохлаждении в интервале 605-20°С идеттакже обеднение a-фазы бериллием полинии AL и выделение, дополнительно, g(b')-фазы.

2.2 Определение основных исходных данных.

Как видно из диаграммы состояния, в сплаве 1(Cu+2,3%Be) в твердом состоянии происходит 2-а фазовых превращения. Эторастворение-выделение и эвтектоидное. Рассмотрим их:

· при температурах, ниже 740°С (интервал R- U на рис.1) идут реакции выделения из a-фазы b и g-фазы:

/>;

· при температуре 605°С (т. Y на рис.1) идет эвтектоидная реакция упорядочения b-фазы:

/>;

Из жидкости, в интервале температур 980-875°С (интервал S-Q на рис.1) идет реакция выделения кристаллов a-фазы:

/>.

И при температуре солидуса (т. Q) равной 875°С сплав полностью состоит из кристаллов a-фазы.

Полученные в разделе данные сводим в таблицу:

Табл.1 Основные исходные данные по сплавуCu+2,3%Be.

Тип фазового превращения Температура фазового равновесия, °С Примечания Кристаллизация 980 Температура ликвидуса Кристаллизация 875 Температура солидуса Растворение-выделение 740 Эвтектоидное 605

2.3 Определение возможных видов структурной обработки.

Рассмотрим возможные для этого сплава видыобработок из классов: термической (ТО), деформационно-термической (ДТО) ихимико-термической (ХТО) обработок.

2.3.1 ТО.

I) Отжиги I-го рода.

Все отжиги первого рода основаны на структурныхпревращениях в металле и идут вне зависимости от того, протекает ли в сплавепри обработке фазовые превращения, а следовательно потенциально возможны вовсех металлах. Отжиги I рода бывают:

a) гомогенизирующие — подвергаются слитки и заготовки сцелью снижения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышаетсклонность сплава, обрабатываемого давлением, к хрупкому излому, к анизотропиисвойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) ифлокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальныхпятен);

b) рекристаллизационные — подвергаютсяхолоднодеформированные заготовки и детали с целью: частичного сохранениянаклепа (неполный рекристаллизационный отжиг), сохранения деформационной илисоздания собственной текстуры (текстурный рекристаллизационный отжиг),устранения текстуры, получения структурной сверх пластичности (многократнаякомбинация деформации и рекристаллизационного отжига), получения зерентребуемого размера и монокристаллов (градиентный рекристаллизационный отжиг),снятия наклепа и перевода неравноосных после деформации зерен в болееустойчивую, с термодинамической точки зрения, равноосную форму;

c) для снятия остаточных напряжений — подвергаютсязаготовки и детали, в которых в процессе предыдущих технологических операций,из-за неравномерного охлаждения, неоднородной пластической деформации и т.п.возникли остаточные напряжения (остаточные напряжения могут сниматься и придругих видах отжигов).

Исходяиз вышесказанного, можно сделать вывод — наш сплав может быть подвергнут любомуиз вышеприведенных видов отжигов I рода в случае, если исходные параметрысостояния заготовки или детали, изготовленных из данного сплава, удовлетворяютусловиям проведения соответствующей обработки, т.е.: для гомогенизирующегоотжига исходная структура — литая, с выраженной дендритной ликвацией; для рекристаллизационного— холоднодеформированная, с большими степенями деформации; для снятияостаточных напряжений — наличие высоких остаточных напряжений, нежелательныхпри последующей обработке (в случае отсутствия других технологических операцийв этой части технологической цепи, одним из эффектов которых является снятиеостаточных напряжений) или использовании.

II)Отжиги II-го рода.

Этиотжиги основаны на фазовых превращениях, происходящих в сплаве в твердомсостоянии, поэтому вид возможных отжигов этого подкласса всецело зависит отвида фазовых превращений, происходящих в славе. Они должны обеспечивать фазовуюперекристаллизацию сплава.

Взависимости от типа фазовых превращений в данном сплаве могут быть проведены:

a) гетерогенизирующийотжиг — применяется в случае наличия в сплаве процесса выделения из матрицыдругой фазы, вследствие изменения равновесной растворимости компонентов припонижении температуры. При этой обработке не происходит коренной ломкиструктуры по всему объему. Тип кристаллической решетки матричной фазы неменяется. Отжиг приводит к изменению концентрации компонентов в матричной фазе ик изменению количества, размера, а также формы частиц выделяющейся фазы.

b) отжигс фазовой перекристаллизацией — возможен при наличии в сплаве полиморфного илиэвтектоидного (включает полиморфное) превращения и приводит кореннойперестройке структуры по всему объему сплава. Он используется для устранениятекстуры и измельчения размера зерна.

Исходяиз характеристик рассмотренных выше видов отжигов II-го рода, делаем вывод овозможности их применения к рассматриваемому нами сплаву, т.к. в нем присутствуютпроцессы как растворения-выделения, так и эвтектоидное.

III) Фазовые закалки.

Сущностьфазовых закалок — перевод металла в метастабильное структурное состояние сиспользованием фазового превращения. Различают закалки с полиморфнымпревращением и без такового. Рассмотрим их:

a) с полиморфнымпревращением — применяется при наличии в сплаве такового или эвтектоидного,которое включает в себя полиморфное. В случае прохождения этих превращенийтолько по бездиффузионному механизму называются закалкой на мартенсит, если жедопускается наличие диффузионного, то — на бейнит.

b) без полиморфногопревращения — применяется при наличии в сплаве таких фазовых превращений как:растворение-выделение, порядок-беспорядок, гомогенизация- спиноидальный распад;и называются по названию получаемого после закалки состояния.

Израссмотренных выше видов фазовых закалок, для нашего сплава применимы закалкикак с полиморфным превращением, т.к. в нашем сплаве имеется эвтектоидное фазовоепревращение (ФП), так и без полиморфного превращения с использованием такогоФП, как растворение-выделение, которое присутствует в сплаве. Фазовая закалка сФП растворение-выделение называется закалкой на пересыщенный твердый раствор.

IV) Структурные закалки.

Кструктурным закалкам относят:

a) вакансионнуюзакалку — упрочнение сплава за счет фиксации большего количества вакансий,имеющееся при высоких температурах.

b) закалку дляфиксации высокотемпературной морфологии сплава.

Этивиды закалок универсальны и могут быть применены к любому сплаву, поэтомуподходят и для нашего.

V) Стабилизирующие обработки.

Кстабилизирующим обработкам относят старение и отпуск. Применяются они обычно втандеме с закалкой, т.к. в этом случае удается добиться наилучших результатовпосле обработки. Сущность этих видов обработки — распад метастабильноготвердого раствора, с переходом сплава в более стабильное состояние, хотя обычнодалекое от истинного равновесия. Процессы распада пересыщенного раствора взакаленном сплаве, так же как возврат и рекристаллизация, протекаютсамопроизвольно, с выделением тепла.

Дляопределения возможности проведения данных видов обработки, исходя из вышесказанного,следует заметить, что: старение применяется после закалки на пересыщенныйтвердый раствор, а отпуск — на мартенсит. Поэтому, т.к. эти два вида закалок возможныв данном сплаве, то и стабилизирующие обработки, следующие после них, так жевозможны.

2.3.2 ДТО.

I) Термомеханические обработки.

Эти обработки обязательно используются в сплаве с ФП.И это ФП осуществляется в условиях повышенной концентрации дефектовкристаллического строения, обусловленной деформационным воздействии.

Сущность ВТМО состоит в том, что после горячейдеформации и закалки получается пересыщенный твердый раствор сперекристаллизованной структурой, т.е. с повышенной плотностью несовершенств.Основное назначение НТМО — повышение прочностных свойств путем обычной закалки,а затем холодной деформации. Согласно диаграммы состояния сплава ( т.к. есть ФПрастворение-выделение) и п.2.3.1 (данной работы) для сплава возможны следующиеобработки:

ØВТМО стареющего сплава;

ØНТМО стареющего сплава.

Т.е. при данных обработках мы в стабильную (при ВТМО)и метастабильную (при НТМО) фазу деформацией вводим повышенное количестводислокаций, а потом фиксируем их (заставляем наследовать их плотность) припоследующей закалке.

II) Механико-термические обработки.

Эти же обработки используются в случае СП(полигонизация), которое обусловлено с одной стороны деформационнымвоздействием, а с другой стороны, соответственно, термообработкой. Для всехсплавов (а значит и для Cu+2,3%Be) не зависимо от того испытывают они ФП илинет возможно проведение данной обработки. При этом должно выполнятся одноусловие: данный сплав при температуре холодной деформации должен находится ввязком, пластичном состоянии.

2.3.3 ХТО.

Химико-термическая обработка возможна т.к. надиаграмме состояния в необходимом интервале концентраций (2,3 — 2,7 % Ве)существуют указания на термодинамическое взаимодействие компонентов в твердомсостоянии. Взаимодействие возможно если новое образование имеет меньшуюсвободную энергию, чем сумма отдельных состояний. Такими образованиями естьсмеси твердого раствора и химического соединения: a + b и a + g. Данное насыщение обеспечиваетхорошую защиту от газовой коррозии. Термическая обработка в циклехимико-термической — закалка на пересыщенный твердый раствор и последующеестарение.

Полученные результаты о возможных видах СО для сплаваСu + 2,3 % Ве сводим в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 — Виды возможных СОдля сплава Сu + 2,3 % Ве

№ п/п Виды возможных СО СП и ФП на которых основана данная СО 1 2 3 1

Виды термической обработки:

1. Отжиги 1 рода:

а) гомогенизирующий;

б) рекристаллизационный;

СП — гомогенизация матричного раствора по растворенному компоненту;

СП — первичная рекристаллизация.

1 2 3

2. Отжиги 2 рода:

а) гетерогенизирующий;

б) с фазовой перекристаллизацией;

3. Фазовые закалки:

а) с полиморфным превращением;

б) без полиморфного превращения.

4. Стабилизирующие обработки:

а) старение;

б) отпуск.

ФП – растворение-выделение;

ФП – эвтектоидное.

ФП – эвтектоидное;

ФП – растворение-выделение.

ФП – распад пересыщенного твердого раствора.

СП – полигонизация и рекристаллизация

Виды деформационно-термической обработки:

1. Термомеханическая

а) ВТМО, НТМО стареющих сплавов;

2. Механико-термическая

СП – полигонизация,

ФП – растворение-выделение;

СП – полигонизация.

Виды химико-термической обработки:

1. Насыщающая

ФП – растворение-выделение (образование твердого раствора, образование химических соединений).

2.4 Определение параметров режимов структурныхобработок

2.4.1 Параметры термической обработки:

I) Отжиги 1-го рода:

а) гомогенизирующий.

Температура нагрева или выдержки определяется

/>,

где 0,8 ¸ 0,95 — коэффициент, не зависящий от типа сплава.

Но так как эта температура соответствует двухфазнойобласти, а гомогенизацию лучше проводить в однофазной, то корректируем ее,увеличивая до 810°С.

Продолжительности выдержки должна бытьдостаточна для протекания СП — гомогенизации матричного твердого раствора порастворенному компоненту (tэфф). Эта выдержка довольно длительна. На практикебериллиевые бронзы при данном отжиге выдерживают в течении 1¸3 часов [3].

Скорость охлаждения регламентируется т.к. приокончании выдержки в сплаве согласно диаграмме состояния наблюдается ФП:

Øрастворение-выделение;

Øэвтектоидное.

Скорость охлаждения должна быть достаточнонизкой, чтобы обеспечить протекание соответственных ФП по диффузионномумеханизму.

б)рекристаллизационный.

Температура нагрева или выдержки определяется:

/>.

Т.к. ниже tс согласно диаграммысостояния (рис.1.1) мы имеем гомогенный твердый раствор a , то n = 0,4 ¸ 0,45:

/>.

Температура рекристаллизационного отжига:

/>,

где 30 ¸ 50 — необходимый интервал перегревадля начала структурного превращения.

Продолжительность выдержки должно бытьдостаточной для протекания СП — первичнойрекристаллизации ( t эфф)

Скорость охлаждения регламентируется т.к. всплаве согласно диаграмме состояния наблюдается ограниченная растворимость Cu вBe (Vохл £ Vкр.охл).

II) Отжиги 2 рода:

а) гетерогенизирующий.

Температура нагрева или выдержки:

/>,

где 30 ¸ 50 — необходимый интервал перегрева для начала ФП растворения.

Продолжительность выдержки должна быть достаточна дляпротекания ФП растворения и пост фазовых СП.

Скорость охлаждения должна быть достаточно медленной, чтобыпревращение было полным и фазовый состав соответствовал равновесному [4].

Vохл £ Vкр.охл (критическая скорость охлажденияпри отжиге)

б) с фазовой перекристаллизацией.

Температура нагрева или выдержки:

/>,

где 30 ¸ 50 — необходимыйинтервал перегрева для начала ФП полиморфного или эвтектоидного.

Т.к. при этой температуре в сплаве сосуществуют две фазы, тоданная перекристаллизация является неполной (неполный отжиг). Для проведенияполной фазовой перекристаллизации нужно нагрев осуществлять в однофазнуюобласть a, что производится при ранееназначенном гетерогенизирующем отжиге. А, так как, в принципе, параметрыохлаждения и выдержки при этом у них сходны, то они в данном сплаве могутсчитаться взаимно заменяющими.

III) Закалки:

а) с полиморфным превращением.

Температура нагрева или выдержки:

где 30 ¸ 50 — необходимый интервал перегрева для прохождения эвтектоидного ФП, котороевключает в себя полиморфное.

Продолжительность выдержки должна бытьдостаточной для протекания эвтектоидного ФП.

Скорость охлаждения должна быть достаточновысокой, чтобы исключить распад пересыщенного матричного раствора в процессеохлаждения в диффузионной области превращения.

В общем случае Vохл ³ Vкр.охл (критическая скорость охлажденияпри закалке, проходящий по данному ФР).

б) без полиморфного превращения.

Температура нагрева или выдержки:

/>,

где 30 ¸ 50 — необходимый интервал перегрева для начала ФП растворения.

Продолжительность выдержки должна бытьдостаточной для протекания ФП растворения-выделения.

Скорость охлаждения должна быть достаточно высокой, чтобыисключить распад пересыщенного матричного раствора в процессе охлаждения.Однако если сплав в дальнейшем будет подвергнут старению закалка может быть неочень резкой [3].

В общем случае Vохл ³ Vкр.охл (критическая скорость охлажденияпри закалке, проходящий по данному ФР).

Так как данная закалка производится с температурбольших, чем значение температуры фазового равновесия эвтектоидногопревращения, то ее нельзя назвать чисто закалкой на пересыщенный твердыйраствор. Она, в данном сплаве, является смешанной, поэтому и назначаем именноее.

IV) Стабилизирующая обработка:

а) старение.

Температура старения:

/>,

Продолжительность выдержки должна быть достаточна дляпротекания ФП и получения устойчивого состояния сплава [4].

Скорость охлаждения при стабилизирующих обработках обычно нерегламентируются.

б) отпуск.

Максимальная температура отпуска:

/>,

Продолжительность выдержки должна быть достаточна дляпротекания СП и получения более равновесного состояния сплава [4].

Скорость охлаждения при стабилизирующих обработках обычно нерегламентируются.

2.4.2 Параметры деформационно-термической обработки:

а) термомеханическая обработка. ВТМО и НТМО стареющихсплавов.

ВТМО:минимальная температура горячей деформации

/>,

где 0,7 ¸ 0,9 — коэффициент не зависящий от типа сплава.

Так как она соответствует двухфазной областина диаграмме состояния (см. рис.1), что не желательно для данной обработки, токорректируем ее в сторону увеличения до 810°С.

Используемая степень деформации (истинная) е= 0,3…0,5.

Если за время деформации успела пройти полигонизация, топоследующая выдержка не нужна. Если же нет, то продолжительность выдержкидолжна быть достаточной для завершения полигонизации.

Скорость охлаждения должна быть больше илиравной критической скорости охлаждения при закалке на пересыщенный твердыйраствор (Vкр). После ВТМО должна проводится стабилизирующаяобработка — старение.

Температура старения:

/>.

Время выдержки при старении должно бытьдостаточным для протекания ФП и получения устойчивого состояния сплава.

Скорость охлаждения при старении нерегламентируется.

НТМО: ееособенностью есть деформирование метастабильной при данной температуре фазы,поэтому перед ее проведением должна обязательно идти подготавливающая закалкана это метастабильное состояние.

Температура холодной деформации:

/>,

где 0,1 ¸ 0,2 — коэффициент не зависящий от типа сплава.

Так как получения температура деформации и такявляется ниже цеховой и довольно существенно, то проведение последующей закалкидля фиксации полученного состояния не требуется.

Используемая степень деформации (истинная) е= 0,3…0,5.

После НТМО необходима стабилизирующаяобработка — старение.

Температура старения:

/>.

Скорость охлаждения при старении нерегламентируется.

б) механико-термическая обработка.

Температура холодной деформации:

/>,

где 0,1 ¸ 0,2 — коэффициент не зависящий от типа сплава.

Степень деформации е около 0,1.

После холодной деформации следует произвестинагрев для прохождения полигонизации.

Температура нагрева

/>,

где 30 ¸ 50 — необходимыйинтервал перегрева для начала полигонизации.

Время выдержки довольно длительно. Это времянеобходимо для протекания полигонизации и получения полной полигональнойсубструктуры.

Скорость охлаждения не регламентируется.

2.4.3 Параметры химико-термической обработки:

Насыщающая — эта обработка проводится вактивной атмосфере имеющей необходимую концентрацию бериллия в активномсостоянии у поверхности изделия.

Температура нагрева или выдержки должнаобеспечить необходимую диффузионную подвижность, чтобы насыщение произошло запрактически приемлемое время.

/>,

где 0.7 ¸ 0,9 — коэффициент не зависящий от типа сплава.

Здесь мы также попадаем в двухфазную область, что не приемлемов данном случае, поэтому также корректируем эту температуру, повышая ее до 810°С.

Длительность выдержки должна быть достаточновелика чтобы обеспечить требуемые величины насыщения поверхности и глубинунасыщенного бериллием слоя, и если первое в основном зависит от активностинасыщаемой среды, то второе — от времени выдержки.

Т.к. конечное состояние сплава — пересыщенныйтвердый раствор, то после нагрева (tв) и выдержки нужно охладить соскоростью большей или равной критической скорости охлаждения при закалке напересыщенный твердый раствор (Vкр). Тогда стабилизирующей обработкойбудет старение (см. параметры ВТМО с закалкой на пересыщенный твердый раствор).

2.5 Построение схем-графиков режимовназначенных видов структурной обработки.

Рис.2 Схема-график режима гомогенизирующего отжига сплава Сu + 2,3 % Ве.

Рис.3 Схема-график режима рекристаллизационного отжига.

Рис.4 Схема-график режима отжига II-го рода (гетерогенизационного и с фазовой перекристаллизациейсплава).

Рис.5 Схема-график режима закалки.

Рис.6 Схема-график режима старения сплава Сu + 2,3 % Ве.

Рис.7 Схема-график режима отпуска сплава Сu + 2,3 % Ве.

Рис.8 Схема-график режима ВТМО стареющего сплава Сu + 2,3 % Ве.

Рис.9 Схема-график режима НТМО стареющего сплава Сu + 2,3 % Ве.

Рис.10 Схема-график режима механико-термической обработки.

Рис.11 Схема-график режима химико-термической обработки с закалкой на пересыщенныйтвердый раствор сплава Сu+ 2,3 % Ве.

2.6Фазовые и структурные превращение в процессе назначения СО.

Гомогенизирующийотжиг.

Приэтой обработке идет выравнивание химического состава по телу зурна (дендрита).Иногда данный отжиг называют диффузионным, т.к. в основе его лежит диффузия. Вначале выдержки скопления g располагаются на границахдендритных ячеек, в центре a — фаза. В течение выдержки концентрациявыравнивается. Т.к. при отжиге охлаждение достаточно медленное, то сплав прикомнатной температуре имеет структуру, в которой g равномернораспределена. Данная СО оказывает влияние на микроструктуру и тонкую структуру.С термодинамической точки зрения данный отжиг является процессом энтропийным,т.е. осуществляется переход от неоднородного к однородному раствору по концентрации.Причем энтропия в данном случае возрастает с приближением к равновесиюконцентраций, что повышает скорость процесса. Наиболее интенсивно гомогенизацияпротекает в начальный период отжига. Повышение температуры отжига действуетэффективнее увеличения времени. Данная СО применяется для повышениякоррозионной стойкости сплава, улучшения обрабатываемости и др.

Рекристаллизационный отжиг

Данныйотжиг является процессом многостадийным. При нагреве холодно деформируемогосплава происходят следующие термодинамические процессы:

1) движущей силой первичной рекристаллизации являетсяуменьшение плотности дислокаций, а силой тормозящей этот процесс являетсяувеличение поверхностной энергии;

2) на стадии собирательной рекристаллизации и еслиесть вторичной рекристаллизации термодинамической силой является уменьшениеповерхностной энергии;

3) если при нагреве холодно деформируемого сплавапроисходит полигонизация, то термодинамической силой является не столькоснижение плотности дислокаций, сколько изменение дислокационной структуры. Принагреве холодно деформируемого сплава конкурирующим процессом при рекристаллизацииявляется нормализация. При рекристаллизации происходит движение сплошнойграницы превращений, которая “очищает” сплав от дефектов кристаллизационногостроения, в частности дислокаций. При данной обработке сплав разупрочняется,зерна становятся разделены большеугловыми границами. Т.к. при отжиге охлаждениедостаточно медленное, то сплав имеет при комнатной температуре структуру издовольно правильных, равноосных кристаллов. Размер зерна зависит от степенидеформации температуры нагрева и времени выдержки. Предпочтительнамелкозернистая структура. При данной СО изменения в структуре происходит науровне тонкой, микроструктуры, атомно-кристаллической структуры в связи сприменением кристаллизационной направленностью (тип решетки не меняется).Причем ведущей является изменение тонкой структуры, т.к. ее изменение вызываетвсе остальные изменения. Данная СО применяется для разупрочнения, повышениятехнологической пластичности и ползучести определенного типа текстуры.

Гетерогенизационныйотжиг

Принагреве в сплаве идет реакция a + g ® a. Относительно количество фазы,которая полностью переходит в твердый раствор при нагреве и выделяется приобратном медленном охлаждении (по реакции a ® a+g), обычно непревышает 10 -15 % от всего объема сплава. Для данного сплава возможначастичная перекристаллизация избыточной фазы. В начале изотермической выдержкичастично растворяется избыточная фаза и увеличивается концентрациярастворенного компонента. Т.о. идут два процесса:

1) процесс концентрационного перераспределения Вемежду фазами a и g;

2) процесс перестройки решетки Ве в решетку Сu.

Процесс идет путем образования и роста зародышей фазы a. Эти зародыши возникают только гетерогенным путем на межфазнойповерхности раздела. При росте зародышей a- фазы g- фаза уничтожается. После первой стадии превращения концентрацияраствора неоднородна, поэтому идет гомогенизация твердого раствора a. Возможна третья стадия — собирательная рекристаллизация.

Впроцессе охлаждения протекают аналогичные процессы:

1. Диффузионное перераспределение Ве между фазами.

2. Перестройка решетки a фазы в g .

Взависимости от степени переохлаждения определяется зарождение зародышей (малоепереохлаждение — гетерогенное зарождение по границам зерен, большое — зарождениена вакансиях и т.д.). При достаточно длительной выдержке твердый раствор оказываетсянасыщенным Ве, согласно линии ограниченной растворимости. Сплав остаетсягетерофазным при нагреве и охлаждении. Данный отжиг оказывает влияние на микроструктуруи тонкую структуру.

ДаннаяСО применяется как смягчающая обработка для деформированных полуфабрикатов, дляповышения технологической пластичности, для повышения коррозионной стойкости .

Отжигс фазовой перекристаллизацией.

Сэвтектоидным превращением.

Эвтектоидная реакция представляет собой сложнуюфазовую реакцию,

состоящуюобычно из двух элементарных:

1. полиморфное превращение;

2. растворение- выделение.

ДаннаяСО слабо изучена в системе Сu — Ве. Превращение при нагреве развивается подиффузионному механизму, причем наиболее выражена диффузия Ве, т.к.:

1. Необходимость диффузии Ве обусловленанеобходимостью перераспределения концентраций Ве между фазами и образованиемтвердого раствора.

2. Только насыщение a доравновесного содержания в ней Ве обуславливает термодинамическую стабильность a ниже Тэвт для чистого компонента.

Значениедиффузии атомов Сu выражено в меньшей степени, т.к. изменение концентрацииатомов Сu в ходе этого превращения не требуется или требуется очень мало. Данноепревращение является многостадийным:

1. Образование зародышей b на межфазной границе a и b.

2. Рост b-фазы в направленииодновременно обоих фаз. Он заканчивается полным превращением g®b.

3. Растворение a в b.

Впроцессе этих реакций происходит две перестройки кристаллической решетки a®b и g®b. После завершения ФП начинаютсяпост фазовые СП. Поэтому продолжение процесса выглядит так:

4. Гомогенизация (выравнивание содержания Ве в b- фазе).

5. Рост зерна- b или собирательнаярекристаллизация зерен-b.

Т.к.процесс включает полиморфное превращение, а удельные объемы a и bразличны ( Vуд.a= Vуд.b ), то в ходе превращения при нагревеможет наблюдаться явление фазового наклепа, т.е. пластическая деформацияобразовавшейся фазы b.

Приохлаждении:

1. Получаем однородные кристаллы твердого раствора,гетерофазного.

2. Структура с однородным по объему содержанием Ведвух получившихся фаз имеет резко различное содержание Ве.

3. Происходит изменение кристаллической решетки. Т.о.превращение при охлаждении включает:

Øполиморфное;

Øвыделение;

Øдиффузия Ве.

Привыделении g из b появление зародышей начинаетсяна границе. Размер конечного зерна зависит от размера исходного зерна.Структура меняется на уровне микроструктуры, тонкой и атомно-кристаллическойструктур. Т.о. после медленного охлаждения получают g-зерна не благоприятные к глубокой вытяжке. Т.е. сплав теряет свою пластичность.Это явление можно устранить путем довольно быстрого охлаждения. Скорее всего,именно из-за образования такой структуры этот вид отжига не получил широкогоприменения. Данная СО может применяться для устранения пороков структуры, возникшихпри предыдущей обработке ( литье, горячая деформация, сварка); смягчение сплаваперед последующей операцией ( резание) и уменьшения напряжений, если даннаяструктура является конечной.

Закалка.

Особенночтьюполной закалки в данном сплаве является то, что идет и ФП в процессеохлаждения по бездиффузионному механизму (если скорости не настолько велики чтобыпроскочить его), и изменяется термодинамическая стабильность твердого раствора( из термодинамически стабильного при температуре нагрева превращения всостояние метастабильное в процессе охлаждения). Метастабильность закаленноготвердого раствора определяется степенью его пересыщения относительно,равновесной концентрации. Т.о. при нагреве довольно быстро происходитрастворения g- фазы и при довольном быстром охлаждении получаетсяструктура с малым содержанием g — фазы. СП при данной закалкепроисходят на уровне тонкой структуры т.к. атомы Ве замещают атомы Cu в твердомрастворе. Из-за избытка упругой энергии, возникают остаточные напряжения. Т.о.при закалке повышается концентрация точечных дефектов.

Основноеназначение закалки — подготовка сплава к старению. Часто данную закалкуиспользуют как промежуточную смягчающую операцию перед холодной деформацией(НТМО или МТО). Иногда закалка служит окончательной термообработкой для приданияизделию необходимого комплекса свойств.

Старение.

Взакаленном сплаве пересыщенный a — раствор содержит избытокрастворенного компонента Ве. Закаленный сплав стремится прийти в болеестабильное состояние, выделяя избыток растворенного компонента в виде второйфазы. Однако, т.к. данный сплав после закалки на пересыщенный твердый растворимеет гетерофазное состояние, то старение занимает только часть объема. Чтоуменьшает получаемый эффект. В данном сплаве диффузионная подвижность прикомнатной температуре низкая, поэтому естественного старения не происходит.Старение в общем случае протекает в несколько стадий:

1. Образование зон Гинье-Престона ( участков твердогораствора с резко повышенной концентрацией Ве).

2. Выделение метастабильной фазы g ( т.к. в данном случае меньше работа образования критическогозародыша).

3. Переход в стабильное состояние метастабильной g — фазы ( образование стабильной g — фазысопровождается растворением метастабильной g -фазы).

Дисперсныевыделения склоны к укрупнению, при котором мелкие частицы исчезают, а крупныевырастают( т.е. к коагуляции), что приводит к уменьшению суммарной межфазнойэнергии [5]. Т.о. данная СО влияет на микроструктуру и тонкую структуру.

Даннаяобработка предназначена для увеличения прочностных свойств сплава. Сувеличением времени старения (когда начинается переход в стабильное состояние икоагуляция g-фазы) происходит перестаривание сплава(разупрочнение).

ВТМО,НТМО сплава, закаленного на пересыщенный твердый раствор.

СущностьВТМО состоит в том, что после горячей деформации и закалки получаетсяпересыщенный твердый раствор с перекристаллизованной структурой, т.е. с повышеннойплотностью несовершенств (границ субзерен, свободных дислокаций). В результатепоследующего старения сплава с такой структурой возникают повышенныемеханические свойства. В большинстве случаев оптимальным является выполнениеминимум трех условий:

1. Получение к концу горячей деформацииперекристаллизованную структуру;

2. Предотвращение возможной рекристаллизации послеокончания деформации;

3. Достижение необходимой для старения степенипересыщенности твердого раствора [5].

Даннаяобработка влияет на микроструктуру, тонкую структуру.

Даннаяобработка достаточно сильно упрочняет сплав не снижая при этом пластичности[6].

Упрочнение при НТМО вызвано двумя причинами:

1. Холодная деформация создает наклеп, и последующее дисперсионноетвердение начинается от более высокого уровня твердости сплава;

2. Холодная деформация увеличивает эффектдисперсионного твердения. При нагреве под старение после холодной деформациирекристаллизация, как правило, не протекает, а развиваются процессы отдыха иполигонизации, несколько уменьшающие упрочнение при НТМО. Следует иметь в видувзаимное влияние этих процессов и распада раствора: выделение тормозятполигонизацию, а полигонизация, если она успела пройти, изменяет плотность ихарактер распределений [5]. Данная СО влияет на микроструктуру, тонкуюструктуру.

Механико-термическаяобработка

Принагреве до достаточно высоких температур, после холодной деформации наблюдаетсяполигонизация, которая обеспечивает упрочнение и понижения пластичности всплаве при данной обработке. Полигонизацией называют образование разделенныхмалоугловыми границами субзерен. При нагреве дислокации перераспределяются и выстраиваютсяв стенки одна над другой. При этом под областью разрежения от одной дислокацииоказывается область сгущения от другой дислокации, и поля напряжений соседнейдислокаций в значительной мере взаимно компенсируются. Дислокационные стенки —мало угловые границы образуются в результате сочетания процессов скольжения и переползания дислокаций. Скорость переползания, являющегося по-своему механизмудиффузионным, т.е. наиболее медленным процессом, контролирует скоростьобразования мало угловых границ. В результате полигонизации вытянутые зерна,окруженные высокоугловыми границами оказываются состоящими из более или менееравноосных, размером в несколько микрометров, субзерен, раздельных малоугловымиграницами. В объеме субзерен плотность дислокаций очень низкая. Данная СО влияет на тонкую структуру сплава.

ДаннаяСО упрочняет сплав [3].

Химико-термическаяобработка.

Дляизменения химического состава изделие нагревают в активной среде. Во времявыдержки изделия диффузионно обогащается элементами из внешний среды. Можно выделитьтри одновременно идущих процесса, обеспечивающих обогащение изделия из внешнейсреды.

Первыйпроцесс образование химического элемента в активном атомарном состоянии. Вотдельных случаях, например, при поступлении атомов металла непосредственно израсплава. Эта стадия отсутствует.

Второйпроцесс — адсорбция атомов поверхностью изделия. Адсорбционный процесс можетвключать простую физическую адсорбцию и одновременно химическую адсорбцию.Адсорбция всегда экзотермический процесс, приводящий к уменьшению энергииГибсса.

Третийпроцесс при химико-термической обработке — диффузия адсорбированных атомов отповерхности в глубь изделия. Адсорбция протекает очень медленно [5]. Данная СОвлияет на микроструктуру и тонкую структуру.

ДаннаяСО упрочняет поверхностный слой изделия из данного сплава [6].

3.Выводы.

1.В данной курсовой работе были рассмотрены и обоснованны основные виды и режимыструктурных обработок для сплава Cu + 2,3 % Ве. При этом опирались на предварительныйанализ данного сплава и на диаграмму состояния сплава. Затем были определеныпараметры режимов СО по классам назначенных видов СО, построены схемы-графикирежимов назначенных видов СО. и проанализирован фазовый состав и структурныепревращения при конкретных СО.

2.В результате работы определили возможность применения таких видов СО:

Øгомогенизирующий отжиг;

Øрекристаллизационный отжиг;

Øгетерогенизационный отжиг;

Øотжиг с фазовойперекристаллизацией;

Øзакалку на мартенсит;

Øотпуск;

Øзакалку на пересыщенный твердыйраствор;

Øстарение;

ØВТМО и НТМО;

Øмеханико-термическую;

Øхимико-термическую обработку.

3.Применение гомогенизирующего отжига позволит устранить последствия дендритнойликвации. Рекристаллизационный отжиг снимет наклеп и повысит пластичность.Гетерогенизационный отжиг улучшит деформируемость слитков, повысит коррозионнуюстойкость. Отжиг с фазовой перекристаллизацией является разупрочняющейобработкой. Любая закалка увеличивает пластичность и уменьшит прочность. ВТМОявляется обработкой наиболее упрочняющей данный сплав. НТМО также достаточносильно повышает прочностные свойства при этом довольно резко упадетпластичность Механико-термическая обработка также упрочняет данный сплав.Химико-термическую обработку можно использовать для изменения химическогосостава и структуры на поверхностном слое а иногда и по всему сечению изделия.

4.В настоящее время для сплавов системы Cu-Be применяют чаще всего отжиги дляразупрочнения, а дисперсионное твердение для упрочнения. В данной курсовойработе доказано, что данные СО наиболее сильно влияют на структуру и механическиесвойства сплава Cu+2,3 % Be. Но, несмотря, на это необходимо дальнейшееразвитие других более сложных видов СО.

Переченьссылок.

1. Берман С.И. Меднобериллиевыесплавы. — М.: Металлургия, 1966.

2. Абрикосов Н.Х. Исследованиесистемы медь-бериллий. — М.,1952, т.XXI.

3. Блантер М.Е. Теория термической обработки. — М.: Металлургия, 1984.

4. Новиков И.И., Строганов Г.Б., Новиков А.И. Металловедение термообработкаи рентгенография. — М.: “ МИССИС ”, 1994.

5. Новиков И.И. Теория термическойобработки металлов. — М.: Металлургия, 1986.

6. Тылкин М.А. Справочник термистаремонтной службы. — М.: Металлургия, 1981.

7. Колачев Е.В. Термическая обработкацветных сплавов. — М.,1999.

8. Лахтин Ю.М. Металловедение итермическая обработка. — М.: Металлургия, 1976.

еще рефераты

Еще работы по металлургии

Реферат по металлургии