ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 10, с. 1043-1051
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.3'24 '5:539.25
ИЗМЕНЕНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПРИ ОТЖИГЕ ЛИТОГО И ДЕФОРМИРОВАННОГО СВИНЕЦСОДЕРЖАЩЕГО СПЛАВА НЕЙЗИЛЬБЕР С НИЗКОЙ ЭНЕРГИЕЙ ДЕФЕКТОВ УПАКОВКИ
© 2014 г. Д. А. Мирзаев*, С. М. Антонов*, И. Л. Яковлева**, Н. А. Терещенко**
*Южно-Уральский государственный университет, 454080 Челябинск, пр. Ленина, 76 **Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18
e-mail: labmet@imp.uran.ru Поступила в редакцию 12.03.2014 г.; в окончательном варианте — 17.04.2014 г.
Исследованы процессы, проходящие при отжиге литого и деформированного сплава нейзильбера, содержащего свинец. Твердость сплава, измеренная при комнатной температуре, не чувствительна к расплавлению свинца. Упрочнение после отжига определяется эффектами ближнего упорядочения.
Ключевые слова: нейзильбер, отжиг, дефекты упаковки, структура, механические свойства. DOI: 10.7868/S0015323014100106
ВВЕДЕНИЕ
Сплавы системы Cu—Ni—Zn, называемые ней-зильберами [1, 2], применяются в промышленности для изготовления деталей точных приборов, медицинских инструментов, паровой и водяной арматуры, а также ювелирных изделий. С целью улучшения обрабатываемости резанием в нейзильбер в небольших количествах добавляется свинец. Технология изготовления деталей включает предварительную горячую прокатку (в районе 800° С) и последующее холодное волочение с промежуточным или окончательным отжигами. Иногда в ходе нагрева до температуры отжига проявляется разрушение бунтов проволоки [3]. Это явление обусловлено резким охрупчиванием сплава в интервале 300—500°С, включающем точку плавления свинца. Эффект охрупчивания проявляется в ходе механических испытаний при повышенных температурах [4]. Аналогичный эффект охрупчивания меди и сталей под влиянием свинца был рассмотрен в [5]. Авторы отмечают, что эффект охрупчивания начинается за 80—100°С до температуры плавления свинца. Судя по данным [6], охрупчивание исчезает частично или полностью, если после выдержки при повышенной температуре образцы охладить и провести испытания при комнатной температуре. Наряду с этим явлением, на механические свойства сплавов типа нейзильбер может оказывать влияние установление ближнего порядка.
Формирование упорядоченных структур происходит в сплавах на основе меди с различными системами легирования [7—10]. Склонность сплава
системы Cu—Ni—Zn к ближнему упорядочению была впервые обнаружена Кестером [7] на основании результатов измерения электросопротивления и константы Холла. В дальнейшем, более детальное исследование позволило установить появление дальнего упорядочения в сплавах с 60% меди, которое усиливается по мере приближения к составу Cu2NiZn. Приведенные в работе [11] данные для сплавов состава Си^Мо.^ где 0.2 < х < 0.3, также подтвердили существование упорядочения. Аналогичные результаты были получены и другими исследователями [12, 13]. Эффекты наблюдаются в определенных интервалах составов, близких к сте-хиометрическому Cu2NiZn. Обобщение имеющихся в научной литературе сведений дает основание предполагать возможность упорядочения и в промышленном нейзильбере; однако характер влияния подобных процессов на механические свойства материала остается открытым. При поиске оптимальных технологических режимов важно понимать структурные изменения, происходящие при нагреве. Для этого в настоящей работе предполагается изучить взаимосвязь между структурой и механическими свойствами литого и холодноде-формированного нейзильбера, содержащего свинец, после отжига по различным режимам.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Исследование проведено на сплаве нейзильбер, химический состав которого включает 16 мас. % №, 24.0 мас. % Zn, 1 мас. % РЬ, остальное — медь. Непрерывно литой пруток сплава диаметром 12 мм подвергался пластической деформации волочени-
1043
3*
Рис. 1. Эволюция структуры литого нейзильбера при отжиге: а - литое состояние; б - отжиг 600°С - 8 ч; в - 700°С - 1 ч; г - 700°С - 8 ч.
ем с промежуточным отжигом по схемам, воспроизводящим технологический цикл производства изделий. Степень обжатия рассчитывали по фор-£ — £
муле б = —н-к, где и - площадь исходного
£н
и конечного сечения образца. Исследовались образцы:
а) диаметром 12 мм в литом состоянии;
б) диаметром 9 мм после обжатия со степенью 44%;
в) диаметром 6 мм после деформации исходного прутка со степенью обжатия 44%, промежуточного отжига при 700° С в течение 1 ч и повторной деформации волочением с обжатием 56%.
Отжиг образцов диаметром 12, 9, и 6 мм проводился в трубчатой лабораторной печи. Твердость измеряли на приборе Роквелла в поперечном сечении цилиндрического образца. Механические свойства при растяжении измеряли на машине ИМ-4Р. Микроструктуру изучали с помощью микроскопа "МЕОРНОТ", травление шлифов осуществлялось в 10%-ном водном растворе аммиака, содержащем СиС12. Для исследования тонкой структуры применяли сканирующий электронный мик-
роскоп JEOL JSM 6460LV и просвечивающий электронный микроскоп JEM 200CX.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Литое состояние. Исходное состояние сплава сформировалось в ходе непрерывного литья. Для него характерна ликвация, под которой, во-первых, понимают неоднородность химического состава сплава для дендритов и в междендритном пространстве, где кристаллизация жидкости происходит позднее, а, во-вторых, различие химического состава между периферией и центром образца (макроскопическая ликвация).
Наличие ликвации первого типа хорошо заметно при металлографическом исследовании по контрасту травления, выявляющем дедритную структуру литого сплава (рис. 1а). О ликвации второго типа можно судить по результатам дюрометриче-ских измерений. Быстрое охлаждение при кристаллизации приводит к образованию довольно мелких дендритов и ячеек литой структуры, повышенной плотности дислокаций, что в совокупности и обусловливает достаточно высокую прочность лито-
го сплава. Однако при перемещении в радиальном направлении литого образца значения твердости различаются почти в 1.5 раза. Если в центральной зоне поперечного сечения твердость равна 33—35 ИЯВ, то на расстоянии 3 мм от внешней поверхности значения этой характеристики достигают 46 ИЯВ. Твердость в центральной части образца принята за основу для сравнения в последующих опытах.
Эволюция структуры в процессе отжига. Структуру литого сплава изучали после отжига в интервале температур 100—700°С, продолжительность изотермической выдержки при этом варьировали от 1 ч до 8 ч. Результаты металлографического исследования указывают на то, что дендритное строение, присущее литому состоянию, сохраняется при повышении температуры до 600°С включительно. На рис. 1б представлена микроструктура нейзильбера, отожженного при 600°С; ликвацион-ный контраст отчетливо наблюдается после всех выдержек при этой температуре, в том числе — после отжига в течение 8 ч. При повышении температуры отжига до 700°С металлографическая картина исследуемого сплава претерпевает существенные изменения. Уже часового отжига оказывается достаточным для того, чтобы периодичность контраста, свойственная литой дендритной структуре, нарушилась (рис. 1в). При более длительных выдержках ликвационный контраст устраняется, и становится заметной зеренная структура, содержащая двойники отжига (рис. 1г). Как известно [14], движение большеугловых границ приводит к выравниванию химического состава и исчезновению дендритной структуры.
Холодная пластическая деформация при волочении нейзильбера осуществляется преимущественно двойникованием, что характерно для ГЦК-сплавов с низкой энергией дефектов упаковки. На рис. 2 приведено электронно-микроскопическое изображение наиболее типичного участка структуры нейзильбера после волочения. Весь обьем материала заполнен деформационными двойниками, расположенными по плоскостям {111} ГЦК-решетки (рис. 2а). На темнопольном изображении, полученном в двойниковом рефлексе, видно, что деформационные двойники имеют развитую субструктуру и состоят из тонких, параллельных друг другу микродвойников, сгруппированных в пакеты (рис. 2б). Электронограмма содержит две системы рефлексов (рис. 2в) Наиболее сильные отражения образуют сетку, принадлежащую основной ориентировке ГЦК-решетки меди, на расстоянии 1/3 от них располагаются рефлексы двойниковой ориентации.
Структура сплава после деформации с обжатием 44% и отжига. Выдержка при 300°С в течение 1 ч не приводит к принципиальному изменению зерен-ной структуры. Электронно-микроскопическое ис-
а ^
002 111 ' 0 00
220 111
(в)
Рис. 2. Деформационные двойники в структуре нейзильбера после волочения со степенью обжатия 44%: а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе двойника; в — электронограмма с осью зоны [011] и схема ее расшифровки, рефлексы двойника выделены "О".
следование показало, что после волочения в матрице присутствуют две системы двойников деформации (рис. 3а). Двойники разбиты на фрагменты, сдвинутые относительно друг друга (рис. 3б, 3в).
Рис. 3. Структура нейзильбера после волочения со степенью обжатия 44% и отжига при 300°С в течение 1 ч: а — светлопольное изображение; б, в — темнопольное изображение в рефлексе двойника.
Рис. 4. Частицы свинца в структуре нейзильбера после волочения со степенью обжатия 44% и отжига при температуре 300°С в течение 1 ч:
а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе 200рь; в — электронограмма, ось зоны матрицы [221], содержит рефлексы свинца (выделены "О").
Кроме того, наблюдаются выделения неправильной формы (рис. 4а, 4б). Электронограмма, помимо матричных, содержит рефлексы свинца (рис. 4в). На темнопольном изображении, полученном в ре-
флексе 200РЬ, можно оценить, что средний размер частиц составляет примерно 0.2 мкм (рис. 4б). Подобные выделения свинца присутствуют также в структуре сплава, отожженного при 700°С.
Рис. 5. Структура нейзильбера после волочения со степенью обжатия 44% и отжига при 700°С продолжительностью: а - 1 ч; б - 8 ч.
Ранее было отмечено, что миграци
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.