Исследование возможности повышения прочности сплава ЗлСрМ 583-80 методом пластической деформации

Проблема экономии драгоценных металлов частично может быть решена за счет повышения их прочностных характеристик. Этого можно достичь не только за счет создания новых композиций [1], но и за счет освоения процессов обработки их давлением, учитывающих конкретные физико-химические особенности деформируемых сплавов. Повышение прочности путем рационализации процессов термомеханической обработки возможно либо за счет создания условий, обеспечивающих наиболее эффективное взаимодействие легирующих элементов с дислокациями в твердом растворе (различные виды деформационного старения [2], упрочнение при упорядочении [3]), либо путем получения структур, препятствующих свободному перемещению дислокаций (структурными дисперсными частицами [4]).

Анализ диаграммы состояния золото — серебро — медь [5, 6] показывает, что в сплавах, основанных на этой системе, может быть реализован любой из указанных механизмов упрочнения.

В настоящей работе выясняли возможность упрочнения сплава ЗлСрМ 583-80 путем деформации в метастабильном (закаленном) состоянии и исследовали влияние стабилизирующей термической обработки на его механические свойства. Исследование проведено на образцах диаметром 3 мм, полученных литьем по выплавляемым моделям.

Метастабильная структура создавалась закалкой образцов от температуры 650°С, значительно превышающей температуру упорядочения и несколько превышающей температуру распада гомогенного раствора.

Для выявления наилучшего режима стабилизации были построены кривые изменения твердости закаленного сплава после отпуска при различных температурах (рис. 1).

Как видно по данным рис. 1, твердость сплава повышается по мере роста температуры и длительности старения, достигает максимума при 300°С и затем резко снижается, возвращаясь к значениям, характерным для закаленного состояния. Аналогичные результаты приведены в [6] для более широкого интервала температур и продолжительностей старения. Состояние наивысшей твердости стабильно лишь с точки зрения возможности распада при пластической деформации; это позволяет оценить роль последней для получения максимальной прочности путем использования эффекта деформа¬ционного старения, и поэтому в качестве режима стабилизации принят отжиг закаленного металла при 300°С в течение 10 час.

Испытания на одноосное растяжение проведены на машине марки 1231 У-10 конструкции НИКИМП при температурах 20, 100 и 200°С и скоростях деформации 10^-3—10^-5 сек^-1. После определения стандартных механических характеристик с помощью уравнения Холломона [7] выполнен анализ характера упрочнения исследованных сплавов.

где S_i и ε_i — истинные напряжение и деформация соответственно; А — коэффициент прочности, n — экспонента упрочнения.

Результаты измерения механических свойств (см. табл.) показывают, что вне зависимости от температуры и скорости деформирования состаренный при 300°С сплав остается прочнее закаленного, практически не уступая последнему по пластичности. Обращает на себя внимание аномальная зависимость характеристик прочности от температуры, особенно заметная для предела текучести закаленного металла, деформированного с низкими скоростями. Это обстоятельство, наряду с эффектом Портевена — Ле Шателье, особенно отчетливого при температуре 200°С, свидетельствует о высокой подвижности легирующих элементов и возможности их динамического взаимодействия с дислокациями.

Исследуя (1), можно показать [8], что процесс деформационного упрочнения удовлетворительно описывается параметрами S₀(ε_0,2), n н А. Так как A = const, то параметр n зависит от S₀ и понижается с увеличением последнего [9], т. е. с ростом степени предварительной деформации.

Постоянства параметра n можно добиться, если учесть предварительную деформацию, приводящую к возрастанию S₀. Тогда (1) перепишется в виде

где ε_x — предварительная деформация, определяемая по уравнению [10]

С другой стороны, условие А = const выполняется только, если отсутствуют физико-химические превращения при деформировании. Поэтому в общем виде возможность протекания упрочняющих процессов определяется условием A = const или n = const. Если S’₀ ≠ S’’₀, n = const, А ≠ const, сплавы с различной структурой перед пластической деформацией упрочняются адекватно, причем процессы дисперсионного твердения пренебрежимо малы по сравнению с процессами деформационного упрочнения. Если S’₀ ≠ S’’₀, n₁ ≠ n₂, A = const, деформируется металл, подвергнутый различной предварительной деформации εx (изменение S₀ в одном из состояний за счет предварительной термической обработки при отсутствии распада в процессе деформации может быть уподоблено этому случаю. Наконец, если S’₀ ≠ S’’₀, n₁ > n₂, A₁ > A₂, то деформационное упрочнение протекает одновременно с дисперсионным твердением [8] .

Рассмотрим характер изменения упомянутых трех составляющих деформационного упрочнения применительно к исследуемому сплаву (рис. 2,3).

При низких скоростях деформирования (см. рис. 2) предел текучести метастабильного сплава с повышением температуры испытания от 100 до 200°С резко растет. Одновременно существенно возрастает экспонента упрочнения и, как результат, коэффициент прочности (см. в на рис. 2). Из (1) видно, что коэффициент прочности равен напряжению течения при ε = 1. Поэтому, деформируя сплав ЗлСрМ 583-80 при малых скоростях и повышенных температурах, можно добиться более высоких прочностных характеристик, чем при обычной деформации. Повышение скорости деформирования снижает этот эффект, так как при 200°С параметр n закаленного сплава в большой степени зависит от скорости и при ε^o > 10^-5 сек^-1 оказывается ниже, чем для состаренного, хотя предел текучести первого, по-прежнему, достаточно велик. В итоге при этой температуре и скорости: параметр А оказывается нечувствительным к структуре деформируемого сплава.

Аномальное изменение предела текучести закаленного сплава при повышении температуры более 100°С может быть связано либо с деформационным старением [2], либо с упорядочением [3]. Феноменологические особенности режима деформации в этих случаях качественно подобны, ибо и для стареющего и для упорядоченного сплава характерны как высокие значения предела текучести, так и повышение скорости упрочнения, связанные с динамическим взаимодействием скользящих дислокаций и примесей или с сильным торможением парных дислокаций в сверхрешетке.

Характерная особенность частично упорядоченных сплавов рассматриваемой группы — их низкая пластичность [6, 11] в отличие как от полностью упорядоченных, так и от полностью разупорядоченных сплавов, пластичность которых существенно возрастает. По данным таблицы видно, что пластичность закаленных сплавов снижается с ростом температуры, тогда как пластичность состаренного сплава остается достаточно высокой. Это подтверждают данные [6], согласно которым нагрев выше 290°С оставляет сплав пластичным при любых температурах. Однако, если при нагреве до низких температур 20-градусная пластичность падает только для интервала старения 270-290°С, а длительный (4 часа) нагрев при 200°С не приводит к ее изменению, то 100- и особенно 200-градусная пластичность зависят от температуры старения более существенно.

Отсутствие достаточных данных не позволяет обоснованно определить механизм охрупчивания закаленного сплава при этих температурах. Эксперименты показывают, что закаленный сплав ЗлСрМ 583-80 является хрупким и при весьма высоких (порядка 600-650° С) температурах, хотя и не ясно, какова его пластичность в интервале 300-600° С. Уточнение температурных диапазонов хрупкости, наряду с более широкими экспериментами по влиянию термической обработки на 200-градусную пластичность, может позволить полнее представить физическую природу охрупчивания сплавов этой группы.

Таким образом, можно сделать вывод, что повышенной прочности сплава ЗлСрМ 583-80 путем совмещения закалки со старением удается достичь при малых скоростях деформирования. При этом резко падают характеристики пластичности металла.

Применение режима старения закаленного металла (300°С) приводит к росту прочностных и пластических характеристик при повышенных температурах и реальных скоростях испытания.