CC BY
1УДК 621.791.76
СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОБЛАСТЯХ СПЛАВА 36НХТЮ ПРИ ВЫСОКИХ ЭНЕРЕГТИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ
ЕРБОЛАТУЛЫ Д.
Кандидат физико-математических технических наук
ФРОЛОВ Б.И
Студент факультета Высшей школы IT и технологий Восточно Казахстанского университета имени Аманжолова
РАМАЗАНОВ Д.А
Докторант Восточного Казахстанского университета имени Аманжолова
КОРОТКОВА Е.В
Аспирант Сибирского Университета
КВЕГЛИС Л.И
Доктор физико-математических наук
Аннотация: В работе на примере дисперсионно-твердеющего сплава 36НХТЮ с прерывистым типом распада показано, что под воздействием концентрированных потоков энергии формируется структурная, химическая, механическая и геометрическая неоднородности, приводящие к неравномерному распределению уровня физико-механических свойств в зоне воздействия. Использование концентрированных потоков энергии (струи плазмы, электронные, лазерные, ионные пучки и т.д.) значительно расширяют технологические возможности обработки материалов по сравнению с традиционными видами термической обработки и механико-термической обработки. Несмотря на ряд особенностей, присущих определенному виду высокоэнергетического воздействия, они имеют много общего. Их объединяет общность теплофизических процессов, происходящих в материале в процессе воздействия. К их числу относятся процессы возникновения тепловых источников в объеме и на поверхности материала, распространение зоны тепло насыщения, развитие зоны разрушения, генерация в материале ударных волн и т.д. [1]. Одним из основных результатов воздействия на материалы концентрированных потоков энергии является изменение температуры в отдельных точках объема и поверхности, обрабатываемых тел. В зависимости от условий обработки, физических свойств материалов могут быть реализованы поверхностное упрочнение, легирование, отжиг, сварка, резка, наплавка и т.д. Исследование тепловых явлений, развивающихся в изделиях при высокоэнергетическом воздействии, позволяет определить наиболее эффективные технологические процессы, сформулировать основные требования к энергетическим характеристикам и определить оптимальные режимы воздействия.
Ключевые слова: 36НХТЮ, диссипативные структуры, плазмоны, неравновесные структуры, квазикристаллы, сверх пластичность
Образцы и методы их получения. Дисперсионно-твердеющие сплавы выплавляются в вакуумных индукционных печах. Рекомендуемый режим термообработки пружин. Закалка при +920+950C, старение при +950+970C, выдержка в течение 120-240 мин. с охлаждением на открытом воздухе. Сплав поддается сварке и пайке с припоем ПCp40. Для получения наиболее высоких механических свойств пайку изделий рекомендуется производить до старения металла. Условия обработки давлением. Металлопрокат из прецизионного сплава
хорошо поддается деформации в горячем состоянии. Диапазон рабочих температур от +950С до +1160С.
Плоский прокат З6НХТЮ хорошо штампуется, поддается гибке. Изучение механизмов и особенностей выделения упрочняющей фазы после различных видов высокоэнергетического воздействия при старении представляет большой научный и практический интерес в плане выяснения общих закономерностей фазовых превращений в изучаемых сплавах и разработки новых прогрессивных способов упрочнения. Аустенитный, дисперсионно-твердеющий сплав типа 36НХТЮ, широко используются при изготовлении упругих чувствительных элементов (УЧЭ) приборов. Цель работы. Экспериментальное исследование влияния различных видов высокоэнергетического воздействия на формирование структуры и свойств дисперсионно-твердеющего сплава 36НХТЮ с прерывистым типом распада. Разработка научно-обоснованных способов обработки с использованием электроннолучевого, лазерного и ионного воздействий для улучшения служебных свойств упругих чувствительных элементов. В таблице 1 приведен химический состав сплава 36НХТЮ [2]. На рисунке 1 представлены структурные состояния, формирующиеся в сплаве 36НХТЮ [3].
(1 отступ)
Таблица 1. Химический состав сплава 36НХТЮ
С Si Mn P S Cr Ni Ti Al Fe
< 0,05 0,3-0,7 0,8-1,2 < 0,02 < 0,02 11,5-13,0 35,0-37,0 2,7-3,2 0,9-1,2 остал ьное
В приборостроении при изготовлении сварных конструкций в большинстве случаев стремятся получать равнопрочное соединение структуре и свойствам, мало отличающееся от основного металла, чтобы избежать появления различного вида концентраторов напряжений, снижающих работоспособность изделий. Серьезной проблемой при разработке теологии сварки упругих чувствительных элементов является образование структурной, химической и геометрической неоднородности, приводящей к неравномерному распределению механических свойств по зоне воздействия и прилегающей к ней зоне термического влияния. Как правило, наличие таких дефектных областей приводит к снижению механической прочности, циклической и коррозионной стойкости.
Рис 1. Структурные состояния, формирующиеся в сплаве 36НХТЮ: а) пересыщенный твёрдый раствор, х250; б) смешанный тип распада, х220;
При Т 11500С растворяются карбиды титана TiC. Одновременно с растворением карбидов происходит рост зерна, который резко возрастает при температурах свыше 10000С. После закалки с .12800C в твердом растворе находится незначительное количество нерастворенных частиц окислов и карбида титана. Сплав 36НХТЮ упрочняется в результате
распада пересыщенного твердого раствора в процессе старения с выделением упорядоченной у'- фазы ( Fe,Ni )з (Т1, А1) [4]. При различных видах высокоэнергетического воздействия в сплавах типа 36НХТЮ формируется макро- и микроструктурная неоднородность (рис. 2.), состоящая из литой зоны, прилегающей к ней зоны термического влияния и основного металла.
Характер дендритной структуры, формирующейся при кристаллизации металлов и сплавов, существенно влияет на многие физико-механические свойства, в частности, на анизотропию свойств, пластичность, пределы текучести и прочности и др. Экспериментальное исследование дендритного роста в чистых металлах, однофазных и многофазных сплавах является трудноразрешимой задачей в силу специфических особенностей такого роста, слабой контролируемостью температурно-скоростных условий, больших скоростей роста и влияния многих побочных факторов. Несмотря на это, в последнее время как в теории, так и в экспериментальных исследованиях получен ряд принципиально новых результатов. Это следует, например, из денных работ [4]. Было установлено, что при всех исследованных видах высокоэнергетического воздействия в дисперсионно—твердеющих сплавах с прерывистым типом распада расплавленный металл кристаллизуется с образованием дендритно-ячеистой структуры независимо от исходного структурного состояния.
Рис. 3 Влияние высокоэнергетического воздействия на развитие в макроструктурной неоднородности деформированного материала: а) структура литой зоны, х 50. б) макроструктурная неоднородность в зоне воздействия, х 50. в, г) структура золы термического влияния, х 200
Новые образовавшиеся. зерна, свободные от наклепа, растут за счет деформированной структуры до ее полного исчезновения, т.е. протекает процесс первичной рекристаллизации. После этого границы новых зерен продолжают двигаться, но с меньшими скоростями. Наступает стадия роста зерна, когда одни зерна поглощаются другими, или иными словами, проходит вторичная рекристаллизация основного металла. Далее наблюдаются участки, претерпевшие первичную рекристаллизацию; частично рекристаллизованные участки с постеленным переходом в структуру основного металла (рис. 3) [10]. Наличие макро и микроструктурной неоднородности обуславливает появление химической неоднородности. Химическая неоднородность металла литой зоны вызвана неравновесными условиями кристаллизации, неполнотой протекания процессов диффузионного или конвективного выравнивания составе расплава и выравнивающей диффузии в твердой фазе. В литом металле развивается нормальная сегрегация или увеличение примеси в направлении затвердевания она проявляется не только в объеме металла, но ив каждом отдельном кристаллите, т.е. часть кристаллита, затвердевающая в первую очередь, содержит меньше примеси, чем часть, затвердевающая позже. Наибольшее количество примеси скапливается 2 центре литой эоны, где стыкуются растущие навстречу друг другу кристаллиты. Наряду с нормальной сегрегацией в литой зоне формируется ячеистая и дендритная сегрегация. Этот вид химической неоднородности связан с соответствующими формами роста кристаллитов
[5].
Структурными исследованиями установлено, что ячейки прерывистого распада образуются как на большеугловых границах кристаллизационного происхождения, так и на значительной чести границ ячеисто-дендритной структуры, имеющих большую разориентацию. До момента столкновения ячейки не взаимодействуют друг с другом до достижения х=30...40 %, т.е. наблюдается ситуация как в случае старения мелкозернистого материала, полученного деформацией до 50%, когда происходит внутризеренное зарождение ячеек прерывистого распада.
Для анализа кинетики прерывистого распада после закалки из жидкого состояния и последующего старения использовали уравнение типа Аврама-Джонсана-Мела[8]:
где х- доля материала, претерпевшего прерывистый распад; ^ время превращения; т-величина, не зависящая от начальной концентрации и температуры и соответствующая разным условиям зарождения и роста ячеек прерывистого распада, при этом, как отмечается
в работах т-находится в пределах от 1 до 3; к(Т)- константа скорости реакции, имеющая размерность М и определяющая характеристическое время реакции т=1к(Т) , зависящая от концентрации пересыщенного твердого раствора, температуры, числа и формы зародышей и ряда других факторов.
Поскольку т не является функцией температуры старения или концентрации пересыщенного твердого раствора, то его изменение в процессе старения свидетельствует об изменении характера прерывистого распада вследствие смены мест зародышеобразования, предпочтительного расположения выделений или перехода от одной стадии распада (зарождение, рост, коагуляция) к другой. Значения т составляли для 6500 и 7000С соответственно. Полученные значения свидетельствуют о том, что число зародышей прерывистого распада сопоставимо с числом зерен, поскольку показатель т также характеризует число зародышей при прерывистом распаде [6]. Высокое по сравнению с литературными данными для других сплавов значение т согласуется с теорией самого быстрого росте выделений у границ зерен [5].
Известно [6] что при плавлении его удельный объем увеличивается примерно на 3%. Это происходит за счет увеличения среднего расстояния между атомами и образования дефектов типа вакансий и межузельных атомов, а также различных их комбинаций. При быстром охлаждении из жидкого состояния затвердевший кристалл пересыщен вакансиями. Пресыщение тем ваше, чем больше скорость охлаждения и чем меньше количество стоков и что-то же самое, чем больше расстояние до стоков. Концентрацию вакансий при этом можно приближенно оценить из соотношения [8]:
п~ехр(-^)
Где: п - концетрация вакансии К - Постоянная Больцмана Т - Температура £у - Энергия границы зерен
Отсюда видно, что с увеличением температуры закалки концентрация вакансий увеличивается и предельное насыщение локальных объемов может достичь 610-2.
Отклонение от кинетического законе чаще всего наблюдается с увеличением времени старения из-за уменьшения движущей силы прерывистого распада, обусловленного барьерным эффектом выделившихся частиц у'-фазы. Кроме того, при объемной доле превращенного объема, равного 40...50%, наблюдается взаимное влияние растущих рядом ячеек при их столкновении друг с другом или, когда не остается свободной поверхности границ для зарождения новых ячеек. На рисунке 4 представлены изображения, полученные от утонённых фольг сплава 36НХТЮ. Обработанных в различных режимах: а) после лазерной обработки; б) после электронно-лучевой обработки. Видно, что метод электроннолучевой обработки позволяет получать более однородную структуру с постоянной периодичностью расположения у и у' фаз. На рисунке 4 б. видны хаотические разоре тированные зёрна линзовидной формы на зёрнах видны следы неупругого рассеивания электронов в виде темных полос изгибных контуров. Такие изогнутые кристаллиты растут в полях локальных упругих напряжений, вызываемых градиентами температуры, возникающими в процессе электронно-лучевой обработки.
Рис 4. Взаимодействие пучка электронов в колоне электронного микроскопа с фольгой сплава 36НХТЮ
ВЫВОДЫ
1. Представленные в работе результаты исследования влияния различных видов высокоэнергетического воздействия на структуру и свойства дисперсионно-твердеющих сплавов с прерывистым типом распада могут быть использованы в технологии изготовления упругих чувствительных элементов приборов.
2. Экспериментальные результаты, полученные при разработке способа зональной термической обработки сварных соединений сплава 36НХТЮ, показывают перспективность использования электроннолучевой и лазернойжб обработки, позволяющие совместить в едином технологическом цикле сварку и термообработку.
3. При импульсном электронном или лазерном воздействиях в приповерхностных слоях выявлены полосовые структуры с сильно локализованной деформацией, стадия фрагментации наблюдается в специфической форме в виде микро полос адиабатического сдвига.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ:
1. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник/ Н.Н.Рыкалин
2. https://metal.place/ru/wiki/36nkhtyu/.
3. Скаков М. К., Ахметжанов Б. К., Туякбаев Б. Т. Механические свойства сварных соединений из дисперсионно твердеющего сплава 36НХТЮ. Вестник Национальной академии наук Республики Казахстан. 2006г.
4. Суховаров В.Ф. О процессе прерывистого выделения у'-фазы. // ФММ-1975. - Т. 40, вып 2. - с.348-353.
5. Чернышова Т.А. Границы зерен в металле сварных соединений. М.: наука, 1986. - с.
6. Суховаров В.Ф. Прерывистой выделение фаз в сплавах. Новосибирск: Наука, 1983. — 168 с.
7. Чалмерс Б. Теория затвердевания. М.: Металлургия; 1968. -288 с.
8. Bohm H. Die diskontinuerliche Ausscheidunq. // Metallwisschaft, 1959. V. 13 - №10. - s. 929939.
9. Ахметжанов Б., Строкатов Р Л., Суховаров В.Ф. Мартыненко В. Т. Структурная неоднородность сварных соединений сплава 36НХТЮ. // Сварочные работы в энергетическом строительстве. М.: ЦНТИ, 1985. - Вып.9. - c.5-11.
10. Ахметжанов Б., Суховаров В.Ф., Строкатов Р.Д. Влияние лазерной, сварки и лазерной термообработки на структуру и механические свойства. сварных соединений из сплава 36НХТЮ. // Тезисы. докл. Всесоюзной научно-практической конференции «Структура и свойства и инструментальных материалов 14—16 мая 1986 г.» Новокузнецк. — 1986. С.З5.
11. Ахметжанов Б., Исаков В.В. Мартюченко В. Т., Суховаров В.Ф., Строкатов Р.Д. лазерной термообработки для структуры неоднородности сварных соединений сплавов. // Тезисы докл. Всесоюзной конференции легирование материалов, резка, сварка и упрочнение (ЛПО-87) - Омск. -1987. - C.102-103
