Определение и обоснование видов и режимов структурной обработки сплава Cu+2,3%Be
Определен ряд возможных структурных обработок сплава, сделан сравнительный анализ определенных обработок с обработками, которые используют для этого сплава в нынешнее время.
Результаты работы могут стать основанием для дальнейших разработок больше сложных обработок сплава Cu + 2,3 % Be.
МЕДЬ,БЕРИЛЛИЙ, ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ДЕФОРМАЦИОННОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА, ХИМИКОТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА,НАГРЕВ, ВЫДЕРЖКА, ОХЛАЖДЕНИЕ, ТВЕРДОСТЬ, ПЛАСТИЧНОСТЬ.
Содержание:
Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов -
1 Введение -
2. Аналитическая часть
2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be и ее характеристика -
2.2 Определение основных исходных данных -
2.3 Определение возможных видов структурной обработки -
2.4 Определение параметров режимов назначенных видов структурной обработки -
2.5 Построение схем-графиков режимов назначенных видов структурной обработки -
2.6 Фазовые и структурные превращения при нагреве и охлаждении в процессе назначенных видов и режимов структурной обработки -
3 Выводы -
Перечень ссылок -
Перечень условных обозначений, символов, сокращений и терминов.
СОСтруктурная обработка
ТОТермическая обработка
ДТОДеформационно-термическая обработка
ХТОХимико-термическая обработка
ФПФазовое превращение
СПСтруктурное превращение
ВТМОВысокотемпературная термомеханическая обработка
НТМОНизкотемпературная термомеханическая обработка
1 Введение.
В данной работе производится выбор видов и режимов структурной обработки. Ее сущность заключается в том, что в результате направленного энергоинформационного воздействия на металл или сплав в структуре и фазовом составе его (или только в структуре) происходят необратимые изменения. Указанные изменения приводят к соответствующему изменению свойств (механических, физических, химических). Энергетическая составляющая указанного выше воздействия это общая затрата энергии в процессе структурной обработки. Информационная составляющая представляет собой определенное распределение компонентов энергетического воздействия во времени и в пространстве. Носителем воздействия при структурной обработке может быть:
a) тепловая энергия, такая обработка называется термической (ТО);
b) тепловая и механическая, такая обработка — деформационно-термическая (ДТО);
c) тепловая и химическая, такая обработка — химико-термическая (ХТО).
Изменения структурного состояния объекта в результате воздействия на него системы воздействий происходят вследствие протекания в объекте фазовых (ФП) и структурных превращений (СП). Характерным признаком ФП является изменение фазового состава сплава (в одних случаях тип фазы, в других количественные изменения) в процессе обработки. Характерным признаком СП является изменение морфологии структуры (причем фазовый состав при этом обычно остается неизменным). Таким образом, структурная обработка, путем энергоинформационного воздействия, оказывает влияние на металлический сплав (который характеризуется начальным структурным состоянием), вызывая в нем ФП и СП. Указанные ФП и СП формируют конечное структурное состояние сплава, а следовательно, и новый комплекс свойств.
Назначение структурной обработки главным образом зависит от комплекса конечных свойств изделия и частично от начального структурного состояния сплава. Возможны следующие виды структурной обработки:
1) термическая обработка:
a) отжиги 1 рода;
b) отжиги 2 рода;
c) закалки;
d) стабилизирующие обработки;
2) деформационно-термическая обработка:
a) термомеханическая обработка (высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО);
b) механико-термическая обработка;
3) химико-термическая обработка:
a) насыщающая обработка;
b) рафинирующая обработка.
При различных типах структурных обработок используются все известные ФП и СП. Все виды структурных обработок для которых обязательно использование ФП называются структурными обработками с ФП и в своем цикле они обязательно предполагают фазовую перекристаллизацию. Если в основе структурной обработки лежит СП, то для их осуществления ФП не нужны и фазовой перекристаллизации не происходит.
Значение структурной обработки состоит в следующем:
1) температура нагрева обеспечивает необходимую диффузионную подвижность атомов, т.е. влияет на скорость процесса;
2) обеспечивает необходимый фазовый состав, а следовательно, структуру сплава;
3) обеспечивает необходимые физические и механические свойства сплава.
Рассмотрим подробнее как влияет структурная обработка на морфологию структуры металлического сплава. Под морфологией структуры понимают геометрическую форму, размеры и распределение в сплаве структурных составляющих расположенных одновременно во всех трех пространствах, причем принадлежащих одному структурному уровню.
Структурный уровень характеризуется:
> типичными элементами структуры для данного уровня;
> размерами структурных элементов;
> глубиной проникновения в строение вещества.
Структурные уровни:
1) макроструктура;
2) микроструктура;
3) атомно-кристаллическая;
4) тонкая структура;
5) электронная;
6) ядерная.
От уровня №1 до №6 увеличивается глубина проникновения и уменьшается размер структурных элементов. Структурные уровни связаны между собой по принципу матрешки.
Структурное состояние с описанной точки зрения в первом приближении характеризуется как функция от фазового состава, морфологии структуры и механического напряженного состояния. Во втором приближении описывается тремя системами, в которых одновременно располагаются элементы структуры различных структурных уровней.
Структурной обработкой (СО) можно влиять на 2, 3, 4 и 5 структурные уровни. На макроструктуру СО не влияет, т.к. она формируется при более высоких температурах, чем температура СО. На ядерную структуру также не влияет, т.к. СО не имеет необходимый уровень энергии для взаимодействия ядерной реакции.
Данная курсовая работа посвящена медно-бериллиевому сплаву (содержание Ве 2,3%). Особенностью медно-бериллиевых сплавов является широкий диапазон изменений механических и физических свойств при термообработке. Этот факт обуславливает широкое применение бериллиевых бронз: фасонное литье из медно-бериллиевых сплавов в земельные формы и кокиль, а также по выплавленным моделям и под давлением. В ряде случаев вместо литых деталей более целесообразно изготавливать детали из заготовок медно-бериллиевых сплавов, подвергнутых обработке давлением. В любом случае медно-бериллиевые сплавы обладают достаточно интересным комплексом свойств, но также имеют и недостатки, например, высокая стоимость сплавов из-за дорогостоящего процесса переработки руд [1].
Далее в работе будут рассмотрены все возможные виды структурных обработок медно-бериллиевого сплава (Сu + 2,3 % Ве).
2. Аналитическая часть.
2.1 Диаграмма состояния сплава Cu-Be и ее характеристика.
Как видно из диаграммы, температура плавления чистой меди 1083?С (т. С на рис.1). При увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов понижается, достигая минимума. На диаграмме он соответствует 860?С и концентрации 5,25% Be (т. К на рис.1) и лежит над однородной областью ?-фазы. При дальнейшем увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов повышается.
В системе Cu – Be (с содержанием Be до 12%) имеются фазы ?, ?, ?. По Н.Х. Абрикосову, фазы ? и ?(?') являются единым бертоллидом (химическим соединением переменного состава), а сплав, отвечающий химическому соединению CuBe, лежит за пределами области однородного твердого раствора ? (?') [2].
Фаза ? представляет собой твердый раствор Be в Cu, с максимальной растворимостью Be составляющей 2,7% при температуре 866?С (т. В на рис.1). При этих условиях она имеет гранецентрированную кубическую кристаллическую решетку с периодом 3,566?. Растворимость Be с понижением температуры снижается, его значение изменяется по кривым ВА и AL (см. рис.1), и при температуре эвтектоидного распада ? фазы она равна 1,55% , при 350?С — менее 0,4%.
При 866?С в интервале концентраций бериллия 2,75 - 4,2% по перитектоидной реакции между ?-фазой и жидкостью образуется фаза ? (). Сплавы, содержащие от 2,75 до 4,2% (по массе) бериллия, имеют одинаковую температуру конца затвердевания около 866?С (1139К) — линия BD соответственно. Микроструктура этих сплавов после закалки с 840?С состоит из ?+?фазы. При увеличении содержания бериллия температура начала и конца затвердевания сплавов понижается. Минимальное значение (т. К на рис.1), как указывалось ранее, достигается при температуре 860?С и концентрации 5,25% Be и лежит на диаграмме состояния над однородной областью ?-фазы. При этой концентрации температура начала и конца превращениясовпадают и оно идет не в интервале температур, а при постоянной температуре. Если дальше увеличивать содержание бериллия, то превращение снова идет в интервале температур и температура начала и конца затвердевания сплавов повышается. Микроструктура сплавов, содержащих от 4,3 до 8,4% (по массе) Be, после закалки с температуры 840?С состоит из одних кристаллов ?. Фаза ? выше линии AFG ? 605?С (условно принятая средняя температура распада этой фазы) — неупорядоченный твердый раствор бериллия в меди. Период его неупорядоченной объемно-центрированной кубической решетки при содержании 7,2% Be и температуре 750?С равен 2,79?.
При закалке с температуры 840?С сплавов с содержанием бериллия больше 8,4% , вплоть до 11% микроструктура состоит из кристаллов ? и ? фазы. В гомогенной области ?-фаза (в некоторых источниках ?'-фаза) содержит от 11,3 до 12,3% Be. Она представляет собой упорядоченную фазу на основе интерметаллида CuBe с упорядоченной объемно-центрированной кубической решеткой типа CsCl и периодом 2,69-2,7?. Эта фаза получается при реакциях: выделение из ?-фазы () в интервале температур 605 - 870?С и концентраций 6 - 11%Ве — по линии FH; эвтектоидное превращение ?-фазы () при температуре 605?С и концентрациях 1,5-11,5%Ве — AFG соответственно.
Ниже линии эвтектоидного равновесия (линия AFG на рис.1), в интервале концентраций бериллия 0,2-11,5% (интервал L-N на рис.1 соответственно) идет реакция выделения: , при которой из пересыщенной бериллием фазы ? выделяется ?-фаза с большим его содержанием.
В системе имеются перитектическое (2,75 – 4,2% Be) и эвтектоидное (1,5 – 11,5% Be) равновесия, при 866 и 605?С соответственно, имеются фазовые превращения типа растворение-выделение, ввиду ограниченной растворимости Be в различных модификациях меди.
Теперь рассмотрим превращения, происходящие конкретно в сплаве Cu + 2,3%Be (сплав №1 на рис.1).
В сплаве 1 со снижением температуры с 1000 до 980?С (т. S) не происходит никаких превращений (область существования только жидкой фазы), дальше в интервале S-Q (980-875?С) идет кристаллизация из жидкости кристаллов ?-фазы, при этом состав жидкости меняется по линии ликвидус, а кристаллов по солидус. Как видно из диаграммы, при этом и жидкость и кристаллическая фаза обогащаются Ве, судя из характера расположения этих линий, соответственно количество бериллия в центре кристалла и на его поверхности различное, т.е. существует ликвация Ве как в объеме сплава, так и по самой дендритной ячейке. В интервале температур Q-R (875-740?С) существует одна ?-фаза, а после, при охлаждении примерно до 605?С (т. Y на рис.1), идет обеднение ?-фазы бериллием по линии ВA и выделение ?-фазы. При охлаждении ниже 605?С в выделявшемся доселе неупорядоченном твердом растворе замещения ? при эвтектоидном превращении идет упорядочение — образование фазы ? (?'): атомы меди располагаются преимущественно в узлах решетки, а атомы бериллия — в центре [1]. Хотя в реальном кристалле этот порядок точно не соблюдается: атомы меди могут занять места бериллия и наоборот. Рентгенограммы ? (?') в системе Cu-Be выявляют линии сверхструктуры, которые отсутствуют у ?-фазы. После прохождения эвтектоидной реакции () в сплаве находится три вида фаз: ?-фаза, которая образовалась при кристаллизации, ?-фаза, которая образовалась при эвтектоидной реакции из ?-фазы, и ? (?')-фаза, которая также образовалась при эвтектоидном превращении. При дальнейшем охлаждении в интервале 605-20?С идет также обеднение ?-фазы бериллием по линии AL и выделение, дополнительно, ?(?')-фазы.
2.2 Определение основных исходных данных.
Как видно из диаграммы состояния, в сплаве 1 (Cu+2,3%Be) в твердом состоянии происходит 2-а фазовых превращения. Это растворение-выделение и эвтектоидное. Рассмотрим их:
* при температурах, ниже 740?С (интервал R- U на рис.1) идут реакции выделения из ?-фазы ? и ?-фазы:
;
* при температуре 605?С (т. Y на рис.1) идет эвтектоидная реакция упорядочения ?-фазы:
;
Из жидкости, в интервале температур 980-875?С (интервал S-Q на рис.1) идет реакция выделения кристаллов ?-фазы:
.
И при температуре солидуса (т. Q) равной 875?С сплав полностью состоит из кристаллов ?-фазы.
Полученные в разделе данные сводим в таблицу:
Табл.1Основные исходные данные по сплав