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

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

34

Министерство образования и науки Украины.

Национальная металлургическая академия Украины.

Кафедра термической обработки металлов.

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине “Теоретические основы термической обработки металлов”

на тему

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

Расчетно-пояснительная записка

Выполнил студент гр. МТ-98-1

Коломоец Андрей Николаевич

Руководил доцент

Клюшник Юрий Алексеевич

Защищена «_____» _____________ 2001г

с оценкой _______________

Днепропетровск

2001г.

Реферат

Курсовая работа: 36 с., 11 рис., 2 табл., 8 источников.

Объект работы: сплав Cu + 2,3 % Be.

Цель работы: определение и обоснование видов и режимов структурной обработки сплава.

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

Результаты работы могут стать основанием для дальнейших разработок больше сложных обработок сплава Cu + 2,3 % Be.

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

Содержание:

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов - 5

1 Введение - 6

2. Аналитическая часть

2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be и ее характеристика - 9

2.2 Определение основных исходных данных - 12

2.3 Определение возможных видов структурной обработки - 13

2.4 Определение параметров режимов назначенных видов структурной обработки - 18

2.5 Построение схем-графиков режимов назначенных видов структурной обработки - 24

2.6 Фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении в процессе назначенных видов и режимов структурной обработки - 29

3 Выводы - 35

Перечень ссылок - 36

Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов.

СО Структурная обработка

ТО Термическая обработка

ДТО Деформационно-термическая обработка

ХТО Химико-термическая обработка

ФП Фазовое превращение

СП Структурное превращение

ВТМО Высокотемпературная термомеханическая обработка

НТМО Низкотемпературная термомеханическая обработка

1 Введение.

В данной работе производится выбор видов и режимов структурной обработки. Ее сущность заключается в том, что в результате направленного энергоинформационного воздействия на металл или сплав в структуре и фазовом составе его (или только в структуре) происходят необратимые изменения. Указанные изменения приводят к соответствующему изменению свойств (механических, физических, химических). Энергетическая составляющая указанного выше воздействия это общая затрата энергии в процессе структурной обработки. Информационная составляющая представляет собой определенное распределение компонентов энергетического воздействия во времени и в пространстве. Носителем воздействия при структурной обработке может быть:

тепловая энергия, такая обработка называется термической (ТО);

тепловая и механическая, такая обработка -- деформационно-термическая (ДТО);

тепловая и химическая, такая обработка -- химико-термическая (ХТО).

Изменения структурного состояния объекта в результате воздействия на него системы воздействий происходят вследствие протекания в объекте фазовых (ФП) и структурных превращений (СП). Характерным признаком ФП является изменение фазового состава сплава (в одних случаях тип фазы, в других количественные изменения) в процессе обработки. Характерным признаком СП является изменение морфологии структуры (причем фазовый состав при этом обычно остается неизменным). Таким образом, структурная обработка, путем энергоинформационного воздействия, оказывает влияние на металлический сплав (который характеризуется начальным структурным состоянием), вызывая в нем ФП и СП. Указанные ФП и СП формируют конечное структурное состояние сплава, а следовательно, и новый комплекс свойств.

Назначение структурной обработки главным образом зависит от комплекса конечных свойств изделия и частично от начального структурного 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-термическая обработка:

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

b) механико-термическая обработка;

3) химико-термическая обработка:

a) насыщающая обработка;

b) рафинирующая обработка.

При различных типах структурных обработок используются все известные ФП и СП. Все виды структурных обработок для которых обязательно использование ФП называются структурными обработками с ФП и в своем цикле они обязательно предполагают фазовую перекристаллизацию. Если в основе структурной обработки лежит СП, то для их осуществления ФП не нужны и фазовой перекристаллизации не происходит.

Значение структурной обработки состоит в следующем:

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

обеспечивает необходимый фазовый состав, а следовательно, структуру сплава;

обеспечивает необходимые физические и механические свойства сплава.

Рассмотрим подробнее как влияет структурная обработка на морфологию структуры металлического сплава. Под морфологией структуры понимают геометрическую форму, размеры и распределение в сплаве структурных составляющих расположенных одновременно во всех трех пространствах, причем принадлежащих одному структурному уровню.

Структурный уровень характеризуется:

типичными элементами структуры для данного уровня;

размерами структурных элементов;

глубиной проникновения в строение вещества.

Структурные уровни:

макроструктура;

микроструктура;

атомно-кристаллическая;

тонкая структура;

электронная;

ядерная.

От уровня №1 до №6 увеличивается глубина проникновения и уменьшается размер структурных элементов. Структурные уровни связаны между собой по принципу матрешки.

Структурное состояние с описанной точки зрения в первом приближении характеризуется как функция от фазового состава, морфологии структуры и механического напряженного состояния. Во втором приближении описывается тремя системами, в которых одновременно располагаются элементы структуры различных структурных уровней.

Структурной обработкой (СО) можно влиять на 2, 3, 4 и 5 структурные уровни. На макроструктуру СО не влияет, т.к. она формируется при более высоких температурах, чем температура СО. На ядерную структуру также не влияет, т.к. СО не имеет необходимый уровень энергии для взаимодействия ядерной реакции.

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

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

2. Аналитическая часть.

2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be и ее характеристика.

 Как видно из диаграммы, температура плавления чистой меди 1083С (т. С на рис.1). При увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов понижается, достигая минимума. На диаграмме он соответствует 860С и концентрации 5,25% Be (т. К на рис.1) и лежит над однородной областью -фазы. При дальнейшем увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов повышается.

В системе Cu - Be (с содержанием Be до 12%) имеются фазы , , . По Н.Х. Абрикосову, фазы и (') являются единым бертоллидом (химическим соединением переменного состава), а сплав, отвечающий химическому соединению CuBe, лежит за пределами области однородного твердого раствора (') [2].

Фаза представляет собой твердый раствор Be в Cu, с максимальной растворимостью Be составляющей 2,7% при температуре 866С (т. В на рис.1). При этих условиях она имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку с периодом 3,566Е. Растворимость Be с понижением температуры снижается, его значение изменяется по кривым ВА и AL (см. рис.1), и при температуре эвтектоидного распада фазы она равна 1,55% , при 350С -- менее 0,4%.

При 866С в интервале концентраций бериллия 2,75 - 4,2% по перитектоидной реакции между -фазой и жидкостью образуется фаза (). Сплавы, содержащие от 2,75 до 4,2% (по массе) бериллия, имеют одинаковую температуру конца затвердевания около 866С (1139К) -- линия BD соответственно. Микроструктура этих сплавов после закалки с 840С состоит из + фазы. При увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов понижается. Минимальное значение (т. К на рис.1), как указывалось ранее, достигается при температуре 860С и концентрации 5,25% Be и лежит на диаграмме состояния над однородной областью -фазы. При этой концентрации температура начала и конца превращения совпадают и оно идет не в интервале температур, а при постоянной температуре. Если дальше увеличивать содержание бериллия, то превращение снова идет в интервале температур и температура начала и конца затвердевания сплавов повышается. Микроструктура сплавов, содержащих от 4,3 до 8,4% (по массе) Be, после закалки с температуры 840С состоит из одних кристаллов . Фаза выше линии AFG 605С (условно принятая средняя температура распада этой фазы) -- неупорядоченный твердый раствор бериллия в меди. Период его неупорядоченной объемно-центрированной кубической решетки при содержании 7,2% Be и температуре 750С равен 2,79Е.

При закалке с температуры 840С сплавов с содержанием бериллия больше 8,4% , вплоть до 11% микроструктура состоит из кристаллов и фазы. В гомогенной области -фаза (в некоторых источниках '-фаза) содержит от 11,3 до 12,3% Be. Она представляет собой упорядоченную фазу на основе интерметаллида CuBe с упорядоченной объемно-центрированной кубической решеткой типа CsCl и периодом 2,69-2,7Е. Эта фаза получается при реакциях: выделение из -фазы () в интервале температур 605 - 870С и концентраций 6 - 11%Ве -- по линии FH; эвтектоидное превращение -фазы () при температуре 605С и концентрациях 1,5-11,5%Ве -- AFG соответственно.

Ниже линии эвтектоидного равновесия (линия AFG на рис.1), в интервале концентраций бериллия 0,2-11,5% (интервал L-N на рис.1 соответственно) идет реакция выделения: , при которой из пересыщенной бериллием фазы выделяется -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 605С соответственно, имеются фазовые превращения типа растворение-выделение, ввиду ограниченной растворимости Be в различных модификациях меди.

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

В сплаве 1 со снижением температуры с 1000 до 980С (т. S) не происходит никаких превращений (область существования только жидкой фазы), дальше в интервале S-Q (980-875С) идет кристаллизация из жидкости кристаллов -фазы, при этом состав жидкости меняется по линии ликвидус, а кристаллов по солидус. Как видно из диаграммы, при этом и жидкость и кристаллическая фаза обогащаются Ве, судя из характера расположения этих линий, соответственно количество бериллия в центре кристалла и на его поверхности различное, т.е. существует ликвация Ве как в объеме сплава, так и по самой дендритной ячейке. В интервале температур Q-R (875-740С) существует одна -фаза, а после, при охлаждении примерно до 605С (т. Y на рис.1), идет обеднение -фазы бериллием по линии ВA и выделение -фазы. При охлаждении ниже 605С в выделявшемся доселе неупорядоченном твердом растворе замещения при эвтектоидном превращении идет упорядочение -- образование фазы ('): атомы меди располагаются преимущественно в узлах решетки, а атомы бериллия -- в центре [1]. Хотя в реальном кристалле этот порядок точно не соблюдается: атомы меди могут занять места бериллия и наоборот. Рентгенограммы (') в системе Cu-Be выявляют линии сверхструктуры, которые отсутствуют у -фазы. После прохождения эвтектоидной реакции () в сплаве находится три вида фаз: -фаза, которая образовалась при кристаллизации, -фаза, которая образовалась при эвтектоидной реакции из -фазы, и (')-фаза, которая также образовалась при эвтектоидном превращении. При дальнейшем охлаждении в интервале 605-20С идет также обеднение -фазы бериллием по линии AL и выделение, дополнительно, (')-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. Это растворение-выделение и эвтектоидное. Рассмотрим их:

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

;

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

;

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

.

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

Полученные в разделе данные сводим в таблицу:

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

2.3 Определение возможных видов структурной обработки.

Рассмотрим возможные для этого сплава виды обработок из классов: термической (ТО), деформационно-термической (ДТО) и химико-термической (ХТО) обработок.

2.3.1 ТО.

I) Отжиги I-го рода.

Все отжиги первого рода основаны на структурных превращениях в металле и идут вне зависимости от того, протекает ли в сплаве при обработке фазовые превращения, а следовательно потенциально возможны во всех металлах. Отжиги I рода бывают:

a) гомогенизирующие -- подвергаются слитки и заготовки с целью снижения дендритной или внутрикристаллитной ликвации, которая повышает склонность сплава, обрабатываемого давлением, к хрупкому излому, к анизотропии свойств и возникновению таких дефектов, как шиферность (слоистый излом) и флокены (тонкие внутренние трещины, наблюдаемые в изломе в виде белых овальных пятен);

b) рекристаллизационные -- подвергаются холоднодеформированные заготовки и детали с целью: частичного сохранения наклепа (неполный рекристаллизационный отжиг), сохранения деформационной или создания собственной текстуры (текстурный рекристаллизационный отжиг), устранения текстуры, получения структурной сверх пластичности (многократная комбинация деформации и рекристаллизационного отжига), получения зерен требуемого размера и монокристаллов (градиентный рекристаллизационный отжиг), снятия наклепа и перевода неравноосных после деформации зерен в более устойчивую, с термодинамической точки зрения, равноосную форму;

c) для снятия остаточных напряжений -- подвергаются заготовки 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 при других видах отжигов).

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод -- наш сплав может быть подвергнут любому из вышеприведенных видов отжигов I рода в случае, если исходные параметры состояния заготовки или детали, изготовленных из данного сплава, удовлетворяют условиям проведения соответствующей обработки, т.е.: для гомогенизирующего отжига исходная структура -- литая, с выраженной дендритной ликвацией; для рекристаллизационного -- холоднодеформированная, с большими степенями деформации; для снятия остаточных напряжений -- наличие высоких остаточных напряжений, нежелательных при последующей обработке (в случае отсутствия других технологических операций в этой части технологической цепи, одним из эффектов которых является снятие остаточных напряжений) или использовании.

II) Отжиги II-го рода.

Эти отжиги основаны на фазовых превращениях, происходящих в сплаве в твердом состоянии, поэтому вид возможных отжигов этого подкласса всецело зависит от вида фазовых превращений, происходящих в славе. Они должны обеспечивать фазовую перекристаллизацию сплава.

В зависимости от типа фазовых превращений в данном сплаве могут быть проведены:

гетерогенизирующий отжиг -- применяется в случае наличия в сплаве процесса выделения из матрицы другой фазы, вследствие изменения равновесной растворимости компонентов при понижении температуры. При этой обработке не происходит коренной ломки структуры по всему объему. Тип кристаллической решетки матричной фазы не меняется. Отжиг приводит к изменению концентрации компонентов в матричной фазе и к изменению количества, размера, а также формы частиц выделяющейся фазы.

отжиг с фазовой перекристаллизацией -- возможен при наличии в сплаве полиморфного или эвтектоидного (включает полиморфное) превращения и приводит коренной перестройке структуры по всему объему сплава. Он используется для устранения текстуры и измельчения размера зерна.

Исходя из характеристик рассмотренных выше видов отжигов II-го рода, делаем вывод о возможности их применения к рассматриваемому нами сплаву, т.к. в нем присутствуют процессы как растворения-выделения, так и эвтектоидное.

III) Фазовые закалки.

Сущность фазовых закалок -- перевод металла в метастабильное структурное состояние с использованием фазового превращения. Различают закалки с полиморфным превращением и без такового. Рассмотрим их:

с полиморфным превращением -- применяется при наличии в сплаве такового или эвтектоидного, которое включает в себя полиморфное. В случае прохождения этих превращений только по бездиффузионному механизму называются закалкой на мартенсит, если же допускается наличие диффузионного, то -- на бейнит.

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

Из рассмотренных выше видов фазовых закалок, для нашего сплава применимы закалки как с полиморфным превращением, т.к. в нашем сплаве имеется эвтектоидное фазовое превращение (ФП), так и без полиморфного превращения с использованием такого ФП, как растворение-выделение, которое присутствует в сплаве. Фазовая закалка с ФП растворение-выделение называется закалкой на пересыщенный твердый раствор.

IV) Структурные закалки.

К структурным закалкам относят:

вакансионную закалку -- упрочнение сплава за счет фиксации большего количества вакансий, имеющееся при высоких температурах.

закалку для фиксации высокотемпературной морфологии сплава.

Эти виды закалок универсальны и могут быть применены к любому сплаву, поэтому подходят и для нашего.

V) Стабилизирующие обработки.

К стабилизирующим обработкам относят старение и отпуск. Применяются они обычно в тандеме с закалкой, т.к. в этом случае удается добиться наилучших результатов после обработки. Сущность этих видов обработки -- распад метастабильного твердого раствора, с переходом сплава в более стабильное состояние, хотя обычно далекое от истинного равновесия. Процессы распада пересыщенного раствора в закаленном сплаве, так же как возврат и рекристаллизация, протекают самопроизвольно, с выделением тепла.

Для определения возможности проведения данных видов обработки, исходя из вышесказанного, следует заметить, что: старение применяется после закалки на пересыщенный твердый раствор, а отпуск -- на мартенсит. Поэтому, т.к. эти два вида закалок возможны в данном сплаве, то и стабилизирующие обработки, следующие после них, так же возможны.

2.3.2 ДТО.

I) Термомеханические обработки.

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

Сущность ВТМО состоит в том, что после горячей деформации и закалки получается пересыщенный твердый раствор с перекристаллизованной 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 ФП растворение-выделение) и п.2.3.1 (данной работы) для сплава возможны следующие обработки:

ВТМО стареющего сплава;

НТМО стареющего сплава.

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

II) Механико-термические обработки.

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

Страницы: 1, 2