книги из ГПНТБ / Червякова, В. В. Сложные латуни и бронзы. Свойства, строение и вопросы технологии

которое остается постоянным в интервале 20—200°, затем резко снижается, образуя широкую зону хрупкости со сла­ бо намеченными провалами пластичности вблизи 350—400

и 550—600°.

Из сравнения пластичности бинарной и тройной с эквивалентным содержанием цинка оловянистых бронз (рис. 46, а) следует, что цинк не является эквивалентным в полном смысле этого слова заменителем олова в кристалли­ ческой решетке меди, если даже рассчитывать концентрацию сплава по двойному содержанию этого элемента. Пластич-

Рис. 47. Влияние цинка на пластичность оловянистой бронзы: 1 — 3,2% олова; 2 — 3,3% оло- ®а+2,8% цинка.

ность двойных и тройных сплавов, казалось бы, с близкой электронной концентрацией при всех температурах явля­ ется различной, причем она выше у тройной бронзы с цин­ ком.

Пластичность оловянистой бронзы (3,2% олова) при до­ бавлении цинка (2,8%) не уменьшается, а, напротив, увели­ чивается в низкотемпературной области и в зоне хрупкости (рис. 47). Сужение образцов при комнатной температуре воз­ растает в этом случае с 0,78 до 0,88. Аналогично изменяются свойства более легированных сплавов при добавлении к би­ нарной бронзе с 4,3% олова 3,1% цинка. Иначе говоря, за­ висимость пластичности от концентрации при сложном ле­ гировании не подчиняется закономерностям, установленным для двойных систем, и ее нельзя относить только к чисто количественному изменению состава.

Увеличение количества цинка в бронзах Бр.ОЦ4-3 в пределах 2,8—4,6% не оказывает резкого влияния на вели­ чину сужения и его зависимость от температуры (рис. 48), хотя цинк и в этом случае благоприятно действует на пла­

ні

стичность, несколько повышая ее почти во всем исследуемом интервале. Изменение состава вызывает слабую трансфор­ мацию провалов пластичности в области 500—700°, суже-

Рис. 48. Пластичность бронзы с постоянным содержанием олова (3,5%) и разным количеством цинка, % : 1 — 2,8; 2 — 3,3; 3 — 3,7 ; 4 — 4,6 (ѵр = 4 мм/мин).

ние при этом существенно не меняется и самые высокие значения его, наблюдаемые в сплаве с 4,6% цинка при 550° и в сплаве 3,7% цинка при 750°, не превышают 0,3.

Замечено, что тройные бронзы более чувствительны к малому изменению концентрации олова. Увеличение ее от 3,3 до 3,5% при постоянном содержании цинка (2,8%) за­ метно уменьшает пластичность в зоне хрупкости, напри­ мер, относительное сужение образцов при 500° уменьшается в два раза (рис. 49,о). Снижение пластичности сопровожда­ ется локализацией провалов вблизи 550 и 650°. В промежу­ точной области сужение образцов с составом меняется го­ раздо меньше.

Однако прямой зависимости между изменением пластич­ ности бронз Бр. ОЦ4-3 и содержанием олова не установлено. Так, в сплавах с 3,0—3,1% цинка (рис. 49,6) повышение концентрации второго компонента с 3,4 до 3,7% сильно по­ нижает деформируемость при 500—700°, но дальнейшее

112

уменьшение пластичности в зоне хрупкости наблюдается при содержании в сплавах 3,5 и 3,7 % олова соответственно. При более высокой концентрации действие олова заметно ослабевает.

Прочность двойных оловянистых бронз при 20—200° больше, чем у тройных сплавов, содержащих эквивалентное количество цинка (см. рис. 46). Однако начиная с 250° под влиянием температуры они меняются местами вследствие более сильного разупрочнения простых сплавов по сравне­ нию со сложными. Аналогичные результаты наблюдаются при сравнении прочности бинарного сплава и тройного с та­ ким же количеством олова (4,3%) и 3,1% цинка. Разупроч­ нение оловянистых бронз под влиянием цинка при комнат­ ных температурах и в области до 200° согласуется с увели­ чением их пластичности при этих условиях.

Опыты показали, что применение более продолжитель­ ного ступенчатого отжига при подготовке эксперименталь­ ного материала (один месяц вместо 5 ч при 750°) не приво­ дит к изменению пластичности и ее зависимости от тем­ пературы у тройных бронз Бр.ОЦ4-3, в то же время их прочность заметно снижается во всем интервале темпера­ тур, хотя по-прежнему очень четко выявляется эффект уп­ рочнения при 650°. С увеличением содержания цинка в сплавах с постоянной концентрацией олова (3,5%) прочность понижается, но так же, как и при исследовании пластично­ сти, здесь не прослеживается прямой зависимости. Так, максимальное снижение предела прочности в интервале 20—200° наблюдается при добавлении 3,7% цинка, а при содержании его до 4,6% прочность вновь возрастает и при­ ближается к ее показателям для сплава с 3,3% цинка. До­ бавление олова при постоянном количестве цинка, наоборот, повышает предел прочности сплавов при комнатных темпе­ ратурах и в области до 250°. В то же время процесс разуп­ рочнения сплавов, более богатых оловом, протекает не­ сколько интенсивнее, хотя и здесь не обнаруживается пря­ мой зависимости от состава.

Следует заметить, что температуры, вблизи которых найдено аномальное повышение прочности при разрыве об­ разцов разного состава, меняются в пределах 150—200 и 550—700°, однако закономерной зависимости направления смещения аномалий от концентрации не улавливается. Воз­ можно, этот эффект связан не только с составом, но и с ус­ ловиями эксперимента, в частности со скоростью нагрева сплавов до необходимой температуры ' и, следовательно, со степенью неравновесности бронз к моменту растяжения. В этом случае превращения, вызывающие фазовый наклеп,

114

могут развиваться при более низких или высоких темпера­

турах.

Итак, изменение состава бронз Бр.ОЦ4-3 в допускаемых пределах не вызывает существенного изменения их струк-

Рис. 50. Сужение литой бронзы Бр.ОЦ4-3 при скорости растяжения, лілі/лііік: 1 — 4,0; 2 —

1000; 3 — 2000.

туры и механических свойств. Опыты по исследованию об­ разцов, вырезанных вдоль и поперек направления прокатки, показывают, что фактор анизотропии свойств в этих сплавах также не играет существенной роли. При изменении скоро­ сти растяжения от 4 до 2000 мм/мин не наблюдается резко­ го и однозначного изменения величины сужения и удлине­ ния образцов почти при всех температурах (рис. 50), однако некоторая закономерная зависимость устанавливается для разных интервалов. Так, в области 100—350° увеличение скорости растяжения уменьшает пластичность, при 350— 400°, наоборот, увеличивает, а при 500—750° в разных диа­ пазонах скоростей пластичность меняется неодинаково: сначала возрастает, а затем снижается. Кроме того, с уско­ рением разрыва наблюдается некоторая трансформация зоны хрупкости с образованием провалов при 500 и 600—■ 650° и смещением ее к более высоким температурам.

Влияние скорости деформации может усилиться при из­ менении состояния металла. Например, растяжение образ­ цов со скоростью 5, 1000 и 2000 мм/мин, нагреваемых до температуры опыта по разным режимам (15 мин и 5 ч), по­ казало, что во втором случае ускорение разрыва уменьшает протяженность зоны хрупкости и увеличивает пластичность в области 20—350 и при 750°. Однако ни в одном из этих случаев у промышленных оловянистых бронз, как и у би­

115

нарных сплавов медь — олово, не выявляется таких высо­ ких показателей пластичности, как у меди и латуней. Эти данные говорят о том, что присадка цинка не изменяет ко­ ренным образом скорости диффузионных процессов в оловянистых бронзах.

Механические свойства бронзы Бр.ОЦ4-3 изменяются со степенью деформации немонотонно. Разный темп упроч­ нения при переходе от малых к большим деформациям описывается теорией пластической деформации [220] и свя­ зывается с постепенным насыщением кристаллической ре­ шетки искажениями. Однако, как было показано [219], кроме затухания упрочнения при определенных степенях деформации, зависящих от предыстории образцов, наблюда­ ется их разупрочнение или резкое изменение темпа сниже­ ния удлинения и увеличения временного сопротивления с наклепом.

Известно [220], что роль деформации в упрочнении сплавов сильно зависит от состояния кристаллической ре­ шетки, причем влияние деформации тем меньше, чем боль­ ше искажена решетка за счет каких-то других факторов, в частности легирования или фазового наклепа, вызванного превращением. В том случае, если решетка сильно искаже­ на до деформации, последняя может привести не к упроч­ нению, а, наоборот, вызвать разупрочнение и увеличение пластичности. Такое явление наблюдали авторы работы

[221]и описали его как «рекристаллизацию деформацией».

Всвете этих представлений можно объяснить и аномальное изменение прочности оловянистых бронз, найденное в опы­ тах [219]. К моменту деформации решетка твердого ра­ створа искажена из-за развития распада еще при отжиге (распад возможен, так как сплав перед отжигом был прока­ тан). Деформация со степенью 30% увеличивает концентра­ цию дефектов в кристаллической решетке и вызывает уп­ рочнение. Дальнейшее повышение степени наклепа на­ столько насыщает решетку искажениями, что становится возможным процесс их аннигиляции, приводящий к сни­ жению искаженности и некоторому разупрочнению. После этого сплав может воспринимать новую порцию дефектов от пластической деформации, вызывающих упрочнение.

Процесс снятия и нарастания искажений периодически по­ вторяется, что приводит к немонотонному изменению пла­ стичности в процессе деформации вплоть до 80 %.

Эксперименты по изучению изменения строения и свойств бронзы Бр.ОЦ4-3 при переходе от одной технологи­ ческой операции к другой в процессе изготовления тонких полос показывают, что нефиксируемые отклонения от при­

116

нятых режимов обработки и отжига приводят к существен­ ному изменению структуры и механических свойств. Спла­ вы одного состава, отлитые в одинаковых условиях, на не­ которой стадии обработки приобретают разные структуру и свойства и сохраняют эту разницу до конца технологическо­ го цикла. Одной из основных причин разнозернистости, ча­ сто наблюдаемой в этих сплавах, является неравномерная деформация, приводящая к разной скорости зарождения и роста новых зерен. Кроме того, большое значение в этом случае имеет скорость нагрева перед рекристаллизацией. При медленном нагреве до температуры отжига процессы возврата, снижающие энергию, поглощенную сплавом при деформации, успевают пройти в большей степени. Следст­ вием этого являются снижение интенсивности рекристалли­ зации и уменьшение числа зародышей новых зерен.

Оловянно-фосфористые бронзы. При избыточном коли­ честве кислорода в оловянистых бронзах образуются хруп­ кие включения метаоловянной кислоты, ухудшающие ме­ ханические свойства материала. Для связывания кислорода практикуется присадка в сплав в небольшом количестве (0,02%) фосфора, который и рассматривался вначале только как раскислитель. Однако впоследствии был создан спе­ циальный сплав — фосфористая бронза, в которой фосфор уже играл роль легирующего компонента. С этого времени началось производство оловянно-фосфористых бронз в про­ мышленном масштабе. Оптимальный состав оловянно-фос­ фористых медных сплавов был установлен опытным путем. Бронзы, обрабатываемые давлением, содержат обычно до 0,4% фосфора и 4—5% олова. Фосфор, как и цинк, улуч­ шает литейные свойства сплавов, повышает их коррозион­ ную стойкость, придает хорошие пружинные и антифрик­ ционные свойства.

Несмотря на то что фосфористые бронзы применяются очень давно, их строение изучено мало. Проводимая в сов­ ременной справочной литературе [1 и др.] тройная диаграм­ ма состояния этих сплавов построена по данным, которые относятся к 1910 г. По условиям методики исследования она не может в полной мере характеризовать состояние фосфористых бронз, структурные превращения, протяжен­ ность фазовых полей по температурам и концентрациям.

Растворимость фосфора в меди при комнатной темпера­ туре, по разным сведениям, составляет 0,2—0,5 вес.%. С температурой она увеличивается, достигая при 700° при­ мерно 1% [171]. При добавлении 14,1% фосфора образует­ ся химическое соединение Си3Р (фосфид меди). Взаимодей­ ствие меди с этим соединением описывается диаграммой со­

117

стояния эвтектического типа. Сплав эвтектического состава содержит 8,25% олова и имеет температуру плавления 707°.

Растворимость фосфора в оловянистых бронзах незначи­ тельна, при комнатной температуре предел растворимости составляет не больше 0,3%. При более высоких содержа­ ниях этот элемент выделяется в виде включений тройной фосфидной эвтектики, характеризующейся следующим со­ ставом (вес.%): меди — 80,7, олова — 14,8 и фосфора — 4,5 [197]. Относительно низкая температура плавления фос­ фидной эвтектики (628°) и залегание ее в литых сплавах между осями дендритов, а в термически обработанных об­ разцах по границам зерен дают основание многим исследо­ вателям считать ее единственной причиной растрескивания бронз при обработке давлением [222]. Как уже показано нами [223], эта точка зрения на причину низкой пластич­ ности сплавов, содержащих легкоплавкую составляющую, является правильной лишь в отдельных случаях. По дан­ ным работы [193], фосфор, как и цинк, усиливает диффу­ зионные процессы в оловянистых бронзах.

Структура и механические свойства оло­ вянно-фосфористых бронз в значительной степени зависят от их предыстории. Обычно литая бронза Бр.ОФ8- 0,3 отличается сильно развитой дендритной неоднородно­ стью, которая выражается в образовании густой и тонкой сети дендритных кристаллов с мелкими ячейками межос­ ных пространств и неравномерной травимостью. Таким об­ разом, присадка фосфора к оловянистым бронзам явно из­ мельчает литое зерно. Колонии мелких дендритов с одина­ ковым направлением роста объединяются в крупные поли­ эдрические зерна, границы которых видны невооруженным глазом. Под влиянием деформации и отжига строение и свойства бронзы сильно меняются..

Отжиг образцов в течение 1 ч при 400° после деформа­ ции на 30 и 40% вызывает рекристаллизацию, но она про­ ходит не по всему объему, прослеживаются отдельные обла­ сти с сильно развитыми границами и следами скольжения по телу зерен. Микротвердость за это время резко снижает­ ся. Увеличение времени отжига не изменяет существенно структуры и свойств.

Аналогичная картина наблюдается после отжига при 450°. И только повышение температуры до 500° вызывает интенсивную рекристаллизацию, однако со временем отжи­ га зерно заметно не меняется. После 1-часовой выдержки при 550 и 600° полностью проходит рекристаллизация обра­ ботки и начинается собирательная рекристаллизация, в ре­ зультате которой величина зерен становится близкой к ис-

118

Рис. 51. Влияние температуры и времени отжига на величи ну зерна бронзы Бр.ОФ8-0,3, деформированной на 30%

Рис. 52. Сужение литых сплавов Бр.ОФб,5-0,3:

1— 6% олова+0,4% фосфора; 2 — 6% олова+ + 0,5% фосфора.