Способ механико-термической обработки конструкционных сплавов

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) (11) Ис ЕНИЯ значений, равных пр ходом на каждой ступ вившегося течени разгрузкой и отогрев пературы,Наиболее сущес ми способа являютс тельность цикла (до достигает 2-3, а из повышается только и Наиб нием ки шения д при высо в пласти упрочняе 4,2-120 К гревом д нее пром кой при ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕВЕДОМСТВО СССР(56) Авторское свидетельство СССРМ 424911, кл. С 21 О 8/00, 1975.(57) Изобретение относится к металлургии иможет использоваться.в качестве отделочной технологии в машиностроении. Способпозволяет одновременно повысить предел Изобретение относится к металловедению для придания изделиям и полуфабрикатам высоких физико-механических свойств и может быть использовано в машиностроении в качестве отделочной технологии, позволяющей резко повысить эксплуатационные свойства изделий, работающих в интервале температур, не превышающих их температуру полиморфного превращения используемого металлического сплава.В машиностроении, в целью повышения комплекса механических свойств, широкое применение, находят различные способы термической обработки, субструктурного упрочнения и их сочетание,Известен способ механико-термической обработки металлов и сплавов, включающий закалку, многоступенчатое ниэкотемпературное при 4,2-300 К деформирование под действием нарастающего нагружения от значений близких к нулю, до(5)5 С 21 О 8/ОО, С 22 Р 1/00 прочности материала, его предел текучести, сопротивление ползучести, циклическую прочность, трещиностойкость материала сплава. Благодаря закалке сплава иэ области устойчивого состояния высокотемпературной фазы для фиксации ее метастабильного состояния, а затем низко- температурного пластического деформиро-вания при температурах 4,2-77 К на 0,4-1 и, последующего старения при температурах, на 100-200 К превышающих температуру эксплуатации и на 100-120 К ниже температуры полиморфного превращения материала сплава, Фиксируется упрочняющий эффект. 6 табл,еделу текучести, с выени на стадию устаноя, с последующей ом до комнатной темтвенными недостаткая высокая продолжи-30 ч), деформация механических свойств редел текучести,олее близким техническим решезобретению является способ повы-олговечности металлов и сплавов. ких температурах, заключающийся ческом деформировании на 0,3-70/, мого материала при температурах с последующими разгрузкой и отоо комнатной или несколько ниже ежуточной температуры и выдержэтой температуре в течение не 1786132при температурах 4;2-77 К на 0,4-10 ь и по-. 40следувщему старению при температурах,на 100-200 К превышающих температуру: 50 скольких часов, а для тугоплавких металлических сплавов в течение нескольких суток,Однако известный способ имеет недостатки. Используемый в способе эффект субструктурного упрочнения не закрепляется полигонизационным отжигом из-за чего в металле в эксплуатационных условиях развиваются процессы возврата, снижающие эффект упрочнения. Многочасовые или до нескольких суток выдержки материала при комнатной или промежуточной температуре делают способ малопроизводительным, а достижимый эффект упрочнения не превышает 10; при повышении долговечности не выше чем в 2-3 раза.Целью изобретения является обеспечение одновременного повышения предела прочности материала, его предела текучести, сопротивления ползучести, циклической прочности, трещиностойкости,Поставленная цель достигается тем, что в способе повышения долговечности металлов и сплавов в условиях ползучести при высоких температурах, материал пластичности деформируется на 0,3-70 при температурах 4,2-123 К, затем разгружают и отогревают до комнатной температуры и выдерживают при комнатной или промежуточной температуре в течение нескольких часов; а материал с высокой температурой плавления -в.течение нескольких суток.Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что сплав закаливают из области устойчивого состояния высокотемпературной фазы для фиксации ее метастабильного состояния, а затем подвергают низкотемпературному пластическому деформированию эксплуатации и на 100-120 К ниже температуры полиморфного превращения материала сплава для фиксации упрочняющего эффекта. Таким образом, заявляемый способ соответствует критерию изобретения "новизна". Известно техническое решение,включающее закалку; многоступенчатое низкотемпературное деформирование под действием нарастающего нагружения от значений близких к нулю, до значений, равных пределу текучести, с выходом на каждой ступени на стадию усталостного течения с последующейразгрузкой и отогревом до комнатной температуры. Однако указанным способом достигается только повышение предела текучести без существенного улучшения других свойств, которое достигается в заявленном техническом ре 10 15 20 25 30 35 шении. Это позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "существенные отличия", Метод заключается в сочетании закалки, фиксирующей высокотемпературную фазу в метастабильном состоянии, деформационного упрочнения, обеспечивающего получение высокой плотности дислокаций в деформированных объемах материала, и отжиг при температурах, обеспечивающих формирование полигонизованной структуры,Практическая реализация способа заключается в нагреве материала до температуры, находящейся в области устойчивого существования высокотемпературной фазы (например, у - в сталях, р - в титановых и циркониевых сплавах), закалке с этой температуры после получасовой - часовой выдержки, пластическом деформировании на 0,4-10 в условиях растяжения, сжатия, кручения или раздача при температуре кипения, например, жидкого гелия или азота, последующем старении при температуре, на 100-200 К выше температуры эксплуатации и на 100-120 К ниже температуры пол-, иморфного превращения материала сплава для фиксации упрочняющего эффекта. Предлагаемый способ механико-термической обработки металлических сплавов (КМО) реализован следующим образом.В табл,1 приведены сравнительные результаты испытаний. стандартных механических свойств образцов из стали 20 диаметром 0,003 м и длиной рабочей части образца 0,016 и обработанной по предлагаемому способу (КМО), после штатной (используемой обычно в производстве) обработки (после нормализации), образцов из материала в состоянии поставки и по КМО после нормализации (исключена стадия закалки). По и редлагаемому способу образцы нагревали до температуры 123 К, выдерживали при этой температуры в течение 1 ч и закаливания в воду с этой температуры, затем образцы пластически деформировали растяжением не более чем на 1 при температуре 77 К и отпускали в течение 1 ч при температуре 473 К, Другую партию образцов нагревали до температуры 1193 К, выдерживали при этой температуре в течение 1 ч и охлаждали с печью (штатйая обработка).Из приведенных в табл.1 данных видно, что наиболее высокими прочностными характеристиками обладает сталь 20 после обработки из закаленного состояния (КМО) - предложенный метод, которая сохраняет при этом достаточно высокий уровень пластичности.Для окончательных выводов о целесообразности КМО обработки малоуглеродистых сталей для повышения ихэксплуатационных свойств была проведенаоценка характеристик трещиностойкости, 5Испытания материалов на вязкость разрушения в условиях плоской деформации проводились по методике, удовлетворяющей восновном требованиям британского стандарта. 10В табл. 2 приведены значения деформации при КМО для исследованных образцовиз сталей 3, 17 Г 1 С и 17 Г 1 С-У (обе стали длямагистральных трубоп роводов).Образцы с маркировкой 3 (сталь 3), 12, 1515 (стЛ 7 Г 1 С-У); 23 и 31 (ст.17 Г 1 С) были подвергнуты термообработке по режиму нагревпри Т=1030 К с выдержкой в течение 4 ч иохлаждение на воздухе с печью,Предварительно в режиме циклического нагружения в образцах рождалась трещина у вершины надреза, После этогообразец испытывался в режиме статического нагружения или циклического нагружения и доводился до разрушения. Результаты 25испытаний представлены в табл.З,Представленные в табл.З результатысвидетельствуют о том, что наиболее высокими характеристиками трещиностойкостипри статическом режиме нагружения обладают образцы, обработанные по способуКМО,Таким образом, из табл,1 и 3 следует,что способ КМО обработки позволяет существенно повысить прочностные и эксплуатационные характеристики материалов с ОЦКрешеткой и может быть рекомендован дляпрактического использования.Возможности способа КМО прйменительно к материализм с другим типом решетки были проверены на титановых ициркониевых сплавах с ГПУ решеткой.Например, промышленный титановыйсплав ВТС. В табл.4 приведены сравнительные результаты испытаний стандартных механических свойств образцовобработанных по предлагаемому способуКМО и штатной технологии. По предлагаемому способу образцы нагревали до температуры 1250 К, выдерживали прй этой 50температуре в течение 30 мин и закаливалив воду с этой температуры, затем образцыпластически деформировали растяжениемне более чем на 1 при температуре 77 К иотпускали на воздухе при комнатной температуре.Штатная технология не включает стадию пластического деформирования,В табл. 5 приведены сравнительные результаты по механическим свойствам сплава циркония с 2,5 ниобия при температуре 623 К в исходном литом состоянии (образец 1), подвергшегося термомеханической обработке (штатная, принятая в настоящее время в промышленности) по известному способу с деформацией на 20 волочением при комнатной температуре с последующим отжигом при 573-773 К(образец 2) и по предлагаемому способу (образец 3). Образец 3 нагревали до температуры 1173 К, выдерживали при ней в течение 3-5 ч и закаливали с этой температуры в воду, затем пластически деформировали при температуре ГГК на 0,4- 1. Образцы 2 и 3 подвергали старению при температуре 773 К в течение 24 ч.Из табл.5 видно, что КМО обработка образца 3 позволяет почти в два раза увеличить прочность сплава даже при умеренно повышенной температуре.На образцах 2 и 3 (табл,5) провели сравнительные исследования на ползучесть под напряжением, величину которого изменяли в процессе эксперимента. Образцы нагружали при температуре 623 К напряжением 10 кг/мм, выдерживали при этом напряжегнии 50 ч, после чегр образцы нагружали до напряжения 15 кг/мм и вновь испытывалигих при этой нагрузке 50 ч, затем вновь напряжение увеличивали с шагом 5 кг/мм и на каждом уровне нагрузки образцы выдерживали по 50 ч.При нагрузках выше 20 кг/мм ползу- честь образца 2 резко возрастает и достигает критического значения при 30 кг/ммг. Для образца 3, обработанного по предлагаемому способу КМО; даже при 50 кг/мм ползучесть низка, Образец 3 разрушился при перегрузке на напряжение, равное 55 кг/мм, т.е. разрушение образца произошлогпри напряжении, равном пределу прочности упрочненного сплава. В табл,6 приведены значения скорости ползучести образца 2, 3 при некоторых величинах нагрузки.В результате проведенных исследований показано, что предлагаемый способ механико-термической обработки металлических сплавов обеспечивает одновременное повышение на 50-1000 пределов прочности и текучести, сохраняя при этом довольно высокий уровень пластичности; сопротивление ползучести, циклической прочности, трещиностойкости как при комнатной температуре, так и при умеренно повышенных температурах более чем в 15 раз и может быть использован для металлическйх сплавов, имеющих другой тип решетки, по сравнению с исследованиями здесь, при повышенных температурах.1786132 7 Таблица 1 Таблиц р и м е ч а н и е: Закалка с 1230 К, деформация при 77 К и старение при 470 К втечение Использование способа в промышленном или опытном производстве позволит заменить дорогостоящие легированные сплавы более дешевыми или же значительно улучшить их свойства. Формула изобретенияСпособ механико-термической обра.- ботки конструкционных сплавов, преимущественно титановых, циркониевых, алюминиевых, и сталей, включающий закалку и низкотемпературную деформацию, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью повышения предела прочности, предела текучести, сопротивления ползучести, циклической 5 прочности и трещиностойкости, закалкупроводят из области устойчивого состояния высокотемпературной фазы, деформацию ведут при 4,2-77 К со степенью 0,4-1, после чего дополнительно проводят старение 10 при температуре на 100-120 К ниже температуры полиморфного превращения,10 1186132 Таблица 3 Таблица Таблиц Та а виков Составитель И.Н Техред М,Морге Корректор Л.Пилипе едактор аказ 230 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СС 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5 роизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, улХэгарина, 10