Металловедение жаропрочных сталей и сплавов (часть 3)   

   Введение в состав сплавов стабилизаторов должно привести к  повышению  жаропрочности   при  температурах  до   500° С, однако  это  связано  одновременно  с  повышением  хрупкости и возможным возникновением преждевременного разрушения. Тогда, по-видимому, следует проводить комплексное легирование а- и β-стабилизаторами и, отсюда, термическую обработку, использующую эффект полиморфного превращения и старения. При необходимости использования новых титановых сплавов при температурах, значительно превышающих те, при которых работают современные сплавы на основе титана, нужны сплавы с полностью стабилизированной р-структурой.

   Для ниобия, молибдена, тантала или вольфрама нет этих затруднений,  обусловленных  полиморфными  превращениями; все эти  металлы имеют о. ц. к.  решетку  во всем интервале применяемых температур. Исследования жаропрочности с учетом различного характера деформации и разрушения в усло­виях высокотемпературной или низкотемпературной ползучести показали, что тантал, молибден и ниобий обнаруживают оба вида ползучести, титан и вольфрам — только низкотемпературную   ползучесть,   а   гафний   и   хром — высокотемпературную ползучесть.  Особенностями  этих  металлов  является  то,   что дислокации в них  (учитывая о. ц. к.  решетку)  не являются растянутыми и это облегчает поперечное скольжение и перепол­зание. Однако энергия образования порога выше в металлах с о. ц. к. решеткой, чем в металлах с г. ц. к. решеткой.

   В условиях низкотемпературной ползучести металлы с о.ц.к. решеткой будут обнаруживать незначительное деформационное упрочнение, поскольку сопротивление движению дислокаций на параллельных плоскостях скольжения, веро­ятно, перекрывается аннигиляцией разноименных винтовых дислокаций путем поперечного скольжения. После протекания в определенной мере процесса возврата, приводящего к обра­зованию леса дислокаций, и когда скользящие дислокации бу­дут пересекать этот лес, деформационное упрочнение станет более интенсивным как результат высокой энергии образова­ния порогов.

   При высокотемпературной ползучести переползание дисло­каций является контролирующим деформацию процессом; в ме­таллах с о. ц. к. решеткой удается четко проследить процесс полигонизации, а также образования фрагментированной структуры. Возрастает роль приграничных объемов — через число вакансий, которые определяют интенсивность контроли­руемых диффузией процессов. Относительно более легкое по­перечное скольжение и переползание в металлах с о. ц. к. ре­шеткой по сравнению с металлами с г. ц. к. решеткой может означать, что дисперсные фазы упрочняют первые менее эффек­тивно, чем вторые. Поскольку переползание является опре­деляющим процессом высокотемпературной ползучести и в слу­чае металлов с о. ц. к. решеткой следует учитывать, что поверх­ность раздела частица — матрица можно рассматривать как источник вакансий, облегчающих переползание. Поэтому когерентная стадия распада более желательна, чем некогерентная для повышения сопротивления ползучести в о.ц.к. металлах.

   Термическая обработка жаропрочных аустенитных сплавов основана на процессах старения пересыщенных твердых раст­воров.

   Обычно старение происходит в тех металлических сплавах, которые в результате предшествующих обработок получили метастабильное строение, связанное в первую очередь с иска­жениями кристаллической решетки. Метастабильное строение определяет повышенный уровень свободной энергии сплава и поэтому, согласно положениям термодинамики, возможен переход сплава из метастабильного в стабильное состояние.

   Этот переход, составляющий смысл явления старения, свя­зан с атомными перемещениями и при комнатной температуре происходит с трудом; поэтому естественное старение протекает продолжительное время. При повышении температуры атом­ные перемещения облегчаются — искусственное старение со­вершается быстро, причем тем быстрее, чем выше температура нагрева.

   Способность к старению, связанному с распадом пересыщен­ных твердых растворов, определяется переменной и увеличивающейся с температурой растворимостью второго компоеннта В в твердом растворе γ(рис.1). После нагрева на температуру и быстрого охлаждения до комнатной температуры твердый раствор становится пересыщенным и в связи с этим метастабильным: в его кристаллической решетке будет растворено такое  количество (n) компонента В, которое превышает предел рас­творимости (m) при комнатной температуре. Обычно нагрев под закалку проводят на температуру t_зак, переводя в твердый раствор все присутствующее в сплаве количество компонента В.

   В пересыщенном твердом растворе протекают процессы, связанные с его распадом и с переходом в стабильное состояние, что и приводит к старению. Процесс распада пересыщенных твердых растворов, протекающий в микро- или даже субмикрообъемах, изучать довольно трудно; для его наблюдения необходима тонкая методика рентгено-структурного анализа или электронная микроскопия.

Вероятно механизм этого про­цесса следующий: вначале в ре­шетке пересыщенного твердого раствора происходит диффузия атомов В и скопление их в опреде­ленных участках кристаллической решетки. Вторая стадия процес­са-формирование в обогащенных компонентом В участках новых кристаллических решеток проме­жуточных или стабильных фаз; однако эти решетки на начальном этапе остаются кристалло­графически близкими к исходной матричной решетке твердого раствора. Третья стадия — отрыв решеток друг от друга и образование самостоятельных, весьма дисперсных частиц второй фазы. Четвертая стадия — укрупнение (коагуляция) частиц фазы.

При естественном старении распад пересыщенных твердых растворов заканчивается обычно на первой, реже на второй стадии; чем выше температура нагрева при искусственном старение, тем меньше должна быть выдержка для достижения четвертой, завершающей стадии. Иногда наблюдается наложение отдельных стадий.