ПОИСК Статьи Чертежи Таблицы Фазовый наклеп и диффузия элементов при ТЦО из "Термоциклическая обработка металлов и деталей машин " Основным структурным изменением при ТЦО сталей является сильное измельчение зерна, которое, как правило, сопровождается уменьшением раз-нозернистости и более однородным распределением химических элементов. Одна из причин, вызывающих подобные изменения в структуре, состоит в интенсификации диффузионных процессов за счет усиления воздействия теплофизических факторов. [c.14] Накопление дислокаций и образование полигональной субструктуры после термоциклирования чистого железа [85] и низкоуглеродистой стали [56] дают основание полагать, что ответственными зй формирование дислокационной структуры при ТЦО сталей являются полиморфные превращения, приводящие к фазовому наклепу в основном за счет разницы удельных объемов и модулей упругости образующихся фаз. Фазовый наклеп иногда сопровождается процессами рекристаллизации, которые по мере накопления деформации монотонно повторяются от цикла к циклу [127]. [c.14] Кроме того, напряжения могут возникать вследствие наличия градиента температуры по сечению. Оценка напряжений, возникающих в кадмии при ТЦО [165], показывает, что напряжения, обусловленные анйзотропией теплового расширения в гексагональных фрагментных монокристаллах кадмия, более чем на порядок превышают напряжения, возникающие в результате градиента температуры по сечению образца. [c.15] Сильные внутренние напряжения развиваются в материалах, структура которых состоит из фаз, имеющих различные коэффициенты термического расширения [151]. Расчеты показывают [125], что наибольшие термические напряжения при изменении температуры на 1 °С из-за разницы коэффициентов термического расширения фаз могут возникать в системе, состоящей из алюминия и кремния (2,2 МПа), обусловленные анизотропией теплового расширения зерен,— в уране (2,5 МПа), а вследствие анизотропии теплового расширения фаз — в оловоцинковой системе (9,2 МПа). [c.15] На рис. 1.6 показано изменение напряжений, возникающих из-за разницы коэффициентов термического расширения фаз, составляющих структуру нихромвольфрамового композита [12]. Напряжения вычислены для нихромовой матрицы и упрочняющего вольфрамового волокна при термоциклировании композита по режиму 600= 1100 С. Расчеты выполнены для композиции с объемным наполнением /, равным 15 % при условии, что нихром испытывает пластическую деформацию, если напряжения в нем превысят предел текучести и он ведет себя как идеально пластичный материал. [c.15] При ТЦО интерес представляют структурные напряжения, возникающие за счет различия коэффициентов теплового расширения фаз, так как они создают равномерно распределенную микронеоднородность напряженного состояния и их степень воздействия на превращения в сплавах можно не только прогнозировать, но и изменять путём варьирования параметрами ТЦО. [c.16] Как показано в работе [119], из многочисленных экспериментальных данных следует, что коэффициенты термического расширения твердых растворов несколько ниже коэффициентов, рассчитанных цо правилу аддитивности, кроме того, показано, что в гетерогенных сплавах коэффициент термического расширения аддитивно складывается из коэффициентов отдельных фаз, составляющих тот или иной сплав. [c.17] В табл. 1.2 приведены значения температур плавления и твердостей некоторых характерных для алюминиевых сплавов двойных интерметал-лидов, расположенных в порядке уменьшения предполагаемых значений ат. Для сравнения представлены также данные для кремния, который часто присутствует во многих алюминиевых сплавах в качестве самостоятельной фазы. [c.18] Из анализа данных табл. 1.2 видно, что переч]нсленные фазы в различной степени должны влиять на численные значения структурных напряжений. Если иметь в виду бинарные сплавы, то наибольшие упругие напряжения при изменении температуры, очевидно, могут развиваться в сплавах с кремнием (силуминах), если содержание его в сплаве значительно превышает предел растворимости в алюминии В других бинарных алюминиевых сплавах структурные напряжения должны понижаться в ряду никель — марганец— медь - магний. В многокомпонентных сплавах подобный прогноз затруднен в связи с тем, что в них одновременно присутствуют несколько избыточных фаз, в том числе тройных и более сложных интерметаллидов. При этом с повышением температуры разница коэффициентов термического расширения алюминия и фаз увеличивается. [c.18] Реализация эффекта Дат не зависит от скоростей нагрева и охлаждения и лимитируется температурным диапазоном ТЦО. В этом случае было бы целесообразно вести нагрев и охлаждение с умеренными скоростями в широком интервале температур, например 20 ь 500— 530 °С..Но с понижением температуры снижается скорость диффузии, поэтому нижняя граница температурного интервала должна быть, очевидно, значительно выше 20 С. [c.18] Таким образом, концентрация равновесных вакансий экспоненциально растет с повышением температуры. Однако абсолютное значение ее невеликодаже при температурах, близких к плавлению, она не превышает 0,01—0,1 %, т. е. одна вакансия соответственно на 10 000 и 1000 атомов (Ю —1б вакансий на атом). [c.19] В качестве источников и стоков вакансий могут служить свободная поверхность металла [230]/границы зерен блоков, фаз, поры [64, 124], а также дислокации с краевой компонентой [255]. Формула (1.5) справедлива, если скорость испускания (поглощения) вакансий велика. Но это условие может выполняться для источников (стоков) одного типа и не выполняться для источников другого типа. Поэтому величина может быть разной для одного и того же металла при различных условиях опыта. Так, в мелкозернистых поликристаллах I имеет порядок размера зерна [31]. Для образцов толщиной В несколько миллиметров и более размер Ь совпадает с рассчитанным из плотности равномерно распределенных дислокаций рд Х—р [255]. [c.20] Однако по вопросу о роли и эффективности дислокационных источников и стоков точки зрения исследователей существенно расходятся. Авторы работ [72, 255] считают, что дислокации являются только хорошими высокотемпературными источниками и стоками вакансий, по крайней мере для металлов с высокой энергией дефекта упаковКи, каковым является, например, алюминий. [c.20] Следует отметить и то обстоятельство, что на действующие факторы диффузии при ТЦО влияют значения теплофизических характеристик обрабатываемого сплава тепло- и температуропроводность, теплоемкость и т. д. [c.23] В условиях непрерывного изменения температуры в сплавах на основе железа также развиваются внутренние межзеренные, структурные напряжения, а при высоких скоростях этого процесса, кроме того,— и зональные напряжения, например в поверхностных слоях детали. Основная роль при этом отводится структурным напряжениям, возникающим вследствие разницы коэффициентов термического расширения фаз, так как они не зависят от скоростей нагрева и охлаждения, а степень воздействия на субструктуру может легко регулироваться путем изменения продолжительности термоцикла и величины ДТ. Зональные напряжения целесообразно ограничивать ввиду того, что они могут послужить причиной образования незалечиваемШ микротрещин. Эффективность воздействия структурных напряжений определяется в основном двумя факторами первый заключается в повышении плотности дислокаций и равномерности их распределения в объеме, подверженном деформации второй связан с предполагаемым увеличением диффузионной проницаемости структуры с повышенной плотностью дислокаций и с увеличением скорости диффузии. Последнее обстоятельство в случае его реализации может способствовать увеличению степени растворения избыточных фаз. В какой-то мере этому же будет способствовать и ускорение диффузии в напряженной решетке. Однако в твердых растворах замещения со сравнительно небольшим различием атомных радиусов легирующих элементов этот фактор играет второстепенную роль в диффузионных процессах. [c.24] При ТЦО принципиально возможно создание условий для повышения концентрации вакансий за счет образования неравновесных вакансий. Однако оценка времени релаксации вакансий показала, что при высокотемпературной ТЦО роль неравновесных вакансий в диффузии пренебрежимо мала. Но она может значительно возрасти при низкотемпературном термоциклировании, например, алюминиевых сплавов в области температур старения. Повышение концентрации неравновесных вакансий в этом диапазоне температур может быть достигнуто с помощью быстрого охлаждения. Но при оценке роли неравновесных вакансий в диффузионных процессах следует иметь в виду, что развитие теории и экспериментальных методов исследования выявило недостаточность сведений о неравновесных вакансиях. В частности, нет еще единой точки зрения об эффективности различных вакансионных источников и стоков в неравновесном состоянии и соответственно о релаксационных свойствах вакансий. [c.24] Таким образом, при ТЦО за счет образования и релаксации полей напряжений, образования и перемещения дислокаций должна существенно меняться кинетика диффузии, приводящая к ее аномальному течению. При этом процесс растворения избыточных фаз должен чередоваться с нх частичным выделением. Тем самым создаются условия.для перераспределения компонентов в твердом растворе, измельчения фаз, а следовательно, и для повышения не только прочности, но и пластичности, и ударной вязкости сплавов. [c.24] Наиболее перспективными видами ТЦО для сплавов, не претерпевающих аллотропических превращений, можно считать два вида. [c.24] Вернуться к основной статье