Heat treatememt effect on microstructure and mechanical properties of precipitation hardening elinvar alloy.pdf Введение В точном приборостроении используются измерительные преобразователи-датчики, которые позволяют регистрировать физические характеристики с весьма высокой точностью, например, волосковые спирали и пружины специальных часовых механизмов, плоские, спиральные и геликоидальные пружины, регуляторы скорости двигателей, датчики давления и др. [1]. Широко распространены измерительные датчики, в которых собственные колебания измерительной системы возбуждаются за счет приложения внешнего электромагнитного поля. Подобные устройства позволяют определить с высокой точностью различные характеристики: силовые воздействия, изменение угловых и линейных размеров, значения параметров движения и др. [2]. Известно [1], что на частоту колебаний оказывают влияние упругие характеристики материала, такие, как модуль Юнга и величина возникающих напряжений. Высокие значения предела текучести этих материалов позволяют исключить превышения порога пластичности возникающими рабочими напряжениями. Для устойчивой работы подобных преобразователей необходимо создать условия, при которых возникающие рабочие напряжения не превышали бы предела упругости. Кроме того, необходимо обеспечить постоянство модуля упругости в процессе эксплуатации. Названные требования особенно важно учитывать, если устройство работает в условиях, допускающих заметные колебания температуры, поэтому необходимо использовать материалы, обладающие температурной стабильностью упругих характеристик. В ферромагнитных сплавах для количественной оценки элинварности принято использовать специальный показатель - термоупругий коэффициент, определяемый как приращение модуля Юнга в определенном интервале температур [3]. В качестве ферромагнитных элинварных материалов в настоящее время распространены сплавы на основе Fe-Ni-Cr [3, 4]. Учитывая необходимость обеспечения в таких сплавах высокого уровня прочностных свойств, их принято дополнительно легировать титаном и алюминием. Это позволяет перевести элинвары в класс дисперсионно-твердеющих сплавов. Варьирование режимов термической обработки (закалки, старения) дает возможность менять не только механические характеристики (прочностные и пластические свойства), но и воздействовать на их стабильность в широком диапазоне температур. Для потоковых измерителей плотности используется элинварный сплав Ni-span-C alloy 902 [5]. Несмотря на достаточный опыт его практического применения для указанных целей, существует ряд вопросов, не получивших до настоящего времени достаточного освещения. Так, отсутствуют сведения, касающиеся влияния структурного фактора на полноту элинварного эффекта. Несомненная важность этой проблемы определяется тем, что для указанного сплава технологическая операция предусматривает осуществление последовательности термических обработок (закалки и старения), сопровождающихся структурными изменениями. Поэтому оптимизация режимов термообработки позволит сбалансировать показатели прочностных характеристик сплава, с одной стороны, и термоупругих свойств, с другой. Цель данной работы - изучение влияния термических обработок на структуру ферромагнитного элинварного сплава Ni-span-C alloy 902 и его механических свойств. Материалы и методы исследований Для проведения исследований выбран высокотехнологичный элинварный дисперсионно твердеющий железоникелевый сплав Ni-span-C alloy 902 аустенитного класса, сохраняющий температурную стабильность модуля упругости в интервале 50-200 °С. Химический состав сплава приведен в табл. 1 [5]. Таблица 1 Химический состав сплава Ni-span-C alloy 902 (мас. %) Ni Fe Cr Ti Al C Mn S Si P 43.5-45.5 44.1-48.3 5.0-6.0 2.2-2.7 0.4-0.8 < 0.05 0.3-0.6 < 0.02 0.3-0.6 < 0.02 Механические испытания по схеме одноосного растяжения проводились со скоростью 6.6710-5 с-1 при комнатной температуре с использованием универсальной машины LFM-125. Образцы в виде двойной лопатки с размерами рабочей части 50×10×1 мм были вырезаны электроискровым способом из листов сплава Ni-span-C alloy 902 вдоль направления прокатки. Твердость материала определялась по методу Виккерса на твердомере ТПП-10. Современные оптические методы исследований структур поверхности материалов в процессе и после нагружения позволяют проводить анализ на различных масштабах: от макроскопического до наноразмерного уровня [6, 7], в зависимости от требуемого разрешения. В данной работе определение структурных составляющих осуществлялось с использованием оптического микроскопа отраженного света «Neophot 21» с записью изображений при помощи цифровой камеры Genius VileaCam при разных увеличениях в светлом поле и поляризованном свете. Пробоподготовка образцов для металлографических исследований была выполнена по стандартной методике для сталей и сплавов и включала шлифование на абразивных шкурках разной зернистости 50Н 865, М50 L219, Р120 и полировку с применением алмазной пасты АСМ (алмазно-синтетический материал) 1/0 на фетре. Химическое травление образцов для металлографического анализа проводилось с помощью реактива для выявления структур для сплавов на основе никеля [8]. Исследование структуры выполнялось после каждого режима термообработки. Размеры зерна и структурных составляющих сплава определялись методом секущих [9]. Результаты исследований Таблица 2 Режимы термообработки сплава Ni-span-C alloy 902 № п/п Режим термообработки 1 Закалка 910 °С в воду 2 Закалка 950 °С в воду 3 Закалка 910 °С в воду + старение 675 °С, 4 ч 4 Закалка 950 °С в воду + старение 675 °С, 4 ч Известно, что для получения оптимального уровня механических и физических свойств дисперсионно-твердеющие сплавы типа Ni-span-C alloy 902 закаливают в воде в узком интервале температур 910-950 °С (табл. 2). В закаленном состоянии такие сплавы приобретают высокую пластичность, а их упрочнение происходит в процессе старения. При закалке избыточные фазы растворяются в аустените, а при старении из твердого раствора выделяются упрочняющие дисперсные фазы [10, 11]. Наиболее благоприятные эксплуатационные свойства сплава получаются при достижении оптимального соотношения прочности и пластичности. Так как механические характеристики металлов взаимосвязаны, контроль свойств проводился посредством измерения твердости HV, максимальное значение которой соответствует максимальному значению прочности сплава. Температурный интервал старения дисперсионно-твердеющих элинварных сплавов достаточно широк и составляет 600-780 °С, поэтому в работе режим старения подбирался экспериментально, исходя из требования максимальной твердости. Для определения оптимальной температуры старения исследуемые образцы подвергались отжигу при температурах 600, 650, 700 и 750 °С. Анализ полученных результатов позволил установить температуру старения, при которой показатели твердости достигают максимальных значений. Она составила (675±20) С (рис. 1, а, табл. 2). Для оценки оптимального времени выдержки при старении исследуемого сплава было выбрано шесть временных интервалов (ч): 0.5, 1, 2, 3, 4 и 5. Результаты исследования представлены на рис. 1, б. Из графика изменения твердости исследуемого сплава в зависимости от времени выдержки в печи хорошо видно, что при длительности старения более 3 ч твердость увеличивается незначительно, а после 4 ч - остается на том же уровне. Процесс образования дисперсионных фаз завершается в течение 3-4 ч. Можно считать, что оптимальным параметром в данном случае является время выдержки 4 ч (табл. 2). Таким образом, после предварительной оценки температурного уровня закалки 910 и 950 °С и экспериментально отработанного режима старения по зависимостям прочности от температуры (рис. 1, а) и времени старения (рис. 1, б) были выбраны режимы термообработки (ТО), представленные в табл. 2. ____________________________________________ Рис. 1. К обоснованию выбора режима термической обработки сплава Ni-span-C alloy 902: а - зависимость твердости сплава от температуры старения; б - зависимость твердости сплава от времени старения; в - диаграммы деформации сплава после термообработки по режимам 1, 2, 3, 4 (см. табл. 2) ____________________________________________ Результаты механических испытаний по схеме одноосного растяжения представлены на рис. 1, в и в табл. 3. Видно, что закалка образцов при температурах 910 и 950 °С в воду не добавляет существенных различий в прочностные свойства сплава. Общее удлинение до разрыва tot остается неизменным, а предел прочности сплава меняется не более, чем на 30 МПа. При добавлении операции старения после закалки пластичность сплава снижается вдвое, но условный предел текучести 0.2 возрастает в 2.5 раза, а предел прочности B увеличивается почти в 2 раза. При этом реализуется оптимальное соотношение прочностных и пластических свойств сплава. Таблица 3 Механические характеристики сплава Ni-span-C alloy 902 при различных режимах термообработки Режим ТО dср, мкм 0.2, МПа B, МПа tot, % Твердость HV, МПа 1 11±5 310 625 35.2 1960±150 2 12±6 260 590 34.8 1650±50 3 26±5 850 1160 18.2 3660±20 4 28±6 780 1110 18.7 3370±110 На рис. 2 представлены наиболее типичные микроструктуры сплава Ni-span-C alloy 902 в поперечном и продольном сечениях образцов при разном увеличении, получаемые при различных режимах термообработки. Заметим, что несмотря на то, что различия в температурах закалки приводят к отличиям в значениях макротвердости, металлографический анализ шлифов показал идентичность микроструктур для выбранных режимов термообработки 1-2 и 3-4, как это следует из табл. 2. Поперечное сечение Продольное сечение Режимы ТО 1 и 2 Режимы ТО 3 и 4 Рис. 2. Структура сплава Ni-span-C alloy 902 (светлопольное изображение) при разных режимах термообработки (табл. 2) Из рис. 2, а, б следует, что границы зерен как на поперечных, так и продольных шлифах образцов после закалки чистые, четко выраженные. Поры отсутствуют. Структура материала в поперечных шлифах представлена неравноосными полиэдрическими зернами. Внутри зерен наблюдается небольшое количество двойников. При прокатке зерна вытягиваются в направлении прокатки и получатся достаточно тонкими, как показано на рис. 2, б. Сильно деформированные зерна имеют средний размер вдоль оси прокатки (28±13) мкм, а в перпендикулярном направлении ~ (8±4) мкм. Средний размер зерна dср в поперечном сечении и механические характеристики сплава (условный предел текучести 0.2, предел прочности B и удлинение до разрыва tot) приведены в табл. 3. На рис. 2, в, г представлена микроструктура шлифов после закалки и последующего старения (режимы термообработки 3 и 4). В продольном сечении практически не просматривается текстура прокатки. Структура материала показана равноосными, полиэдрическими, сдвойникованными зернами с четко выраженными границами. По всей поверхности шлифов, преимущественно по границам зерен, наблюдается равномерное выделение мелкодисперсных упрочняющих фаз (темные точки). Средний размер таких выделений составил в поперечном сечении ~ (4±1) мкм. Средний размер зерна в продольном сечении ~ (27±6) мкм. Средний размер зерна в поперечном сечении и механические характеристики сплава после термообработки приведены в табл. 3. Результаты металлографических исследований в режиме поляризованного света представлены на рис. 3. Исследование структуры сплава после режимов термообработки 3 и 4 (см. табл. 2) показало, что при старении развивается реакция прерывистого выделения γ-фазы. Выделяются также грубодисперсные частицы η-фазы [10-12]. При закалке избыточные фазы растворяются в аустените, а при старении из твердого раствора происходит выделение упрочняющих дисперсных фаз (FeNi)3, TiAl, Ni3Ti. На фотографиях, сделанных в поляризованном свете и представленных на рис. 3, отчетливо видно, что при режимах ТО 3 и 4 наблюдается интенсивное протекание процесса коагуляции выделившихся из матрицы частиц вторичных фаз, средний размер которых составил ~ (3±2) мкм. Отметим, что при выполнении режимов ТО 1 и 2 (см. табл. 2) выделения вторичных фаз значительно мельче и происходят преимущественно вблизи границ зерен. Поперечное сечение Продольное сечение Режимы ТО 1 и 2 Режимы ТО 3 и 4 Рис. 3. Вторичные фазы в сплаве Ni-span-C alloy 902 (поляризованный свет) при разных режимах термической обработки (табл. 2) Заключение Проведенные в работе исследования обосновали выбор параметров режима термической обработки, обеспечивающего оптимизацию термоупругих и механических свойств сплава Ni-span-C alloy 902, используемого в качестве высокопрочного элинварного материала. Представленные в работе режимы закалки при температурах 910 и 950 °С в воду с последующим старением при температуре 675 °С в течение 4 ч позволяют получить оптимальное соотношение структуры и физико-механических свойств. Показано, что после закалки и старения из твердого раствора выделяются частицы вторичных фаз, средний размер которых ~ 3 мкм, пластичность исследуемого сплава снижается вдвое, значение предела прочности увеличивается, а твердость достигает максимальных значений.

Скачать электронную версию публикации