К.ф-м.н.Билюк А.И., ст.Билюк А.А.
ст.Батуев О.О.,ст.Чеховская Ю.С.
Винницкий
педагогический государственный университет имени М.Коцюбинского, Украина
ЭВОЛЮЦИЯ МЕХАНИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ ХАРАКТЕРИСТИК И ПАРАМЕТРОВ СУБСТРУКТУРЫ БЕРИЛЛИЕВОЙ БРОНЗЫ ПОСЛЕ ТЕРМОЦИКЛИРОВАНИЯ
Термоциклирование (ТЦО) является одним из современных и эффективных методов термообработки
металлических сплавов. ТЦО значительно упрочняет дисперсионно - твердеющие сплавы, к которым относится
бериллиевая бронза (БрБ2), и ускоряет
выделение дисперсной фазы [1]. В результате ТЦО в области дисперсионного
твердения в решетке сплава образуются дисперсные кластеры – зоны Гинье-Престона, γ' и γ -фазы, которые существенно влияют
на движение дислокаций и тем самым определяют физико – механические свойства материалов.
В
данной работе исследовался медный сплав БрБ2. Бериллиевая бронза имеет высокие
прочностные и упругие свойства в широком интервале температур и
применяется на практике в качестве
упругих элементов приборов [2]. С другой стороны этот сплав фактически бинарен
( бериллий 2%, а состав других компонентов менее 0,4% ), потому он хорошо
подходит для исследования и анализа результатов измерений. Термоциклирование проводилось в интервале
температур 315-10 0С со скоростью нагревания и охлаждения 5
°С •с-1 . Параметры механической спектроскопии измеряли на
приборе типа обратного крутильного маятника [6]. Микротвердость измерялась на приборе ПМТ – 3, а характер
изменения теплопроводимости (коэффициент теплопроводимости λ, [Вт/мК]) в зависимости от температуры, измеряли с помощью прибора ИТ-λ-400 [3].
Режим монотонного нагревания позволяет получить температурную зависимость исследуемого параметра. Блок питания
регулирует и обеспечивает нагревание ядра измерительной ячейки со средней
скоростью 0,1 К/с и автоматически регулирует температуру. Для определения
теплопроводимости в процессе непрерывного нагревания на определённых уровнях с
помощью прибора Ф
136 , измеряют перепад
температур на образце
и пластине теплоизмерителя.
Исследования показали, что изменение фона внутреннего трения (ВТ)
при 3150 C
уменшается в течение первых 10 ТЦО в 5 раз от 40·10-4
до 8 ·10-4 и
незначительно уменьшается при комнатной температуре(200С) . Дальнейшее
термоциклирование мало влияет на фон при 3150 C и не влияют на его
значение при комнатной температуре. Уменьшение фона
ВТ при 3150 C свидетельствует об интенсивности выделения дисперсной фазы в
течение первых 10 ТЦО. Рост модуля
сдвига (квадрата частоты) f 2 от 1,1 с-2 до 1,5 с-2
при 3150 C хорошо коррелирует с данными по изменению
фона ВТ, а также свидетельствует, что в процессе термоциклирование проходить
выделение дисперсной фазы, которая увеличивает упрочнение сплава[4,6].
Значение
тангенса угла наклона ВТ tgθ в течении
первых 5
ТЦО при 3150 C увеличивается (Табл.1), а
в течение следующих10
ТЦО этот параметр уменьшается с некоторым замедлением этого процесса в
интервале от 15 до 30 ТЦО с последующим незначительным увеличением.
За результатами исследований амплитудной зависимости ВТ, согласно методик [4,5,6], провели расчеты
основных параметров
дислокационной структуры бронзы (Таблица 1). Анализ структуры параметров показывает, что плотность дислокаций в бронзе
увеличивается с некоторым уменьшением после 15 ТЦО. Плотность дислокаций после 20 ТЦО при
3150 C растет более чем в 20раз.
Подтверждением (см.
табл.1, рис. 1) упрочнения материала после ТЦО является изменение критической
амплитуды деформации gкр.2, тангенса угла наклона фона АЗВТ,
микротвердости Hm, коэффициента nm в уравнении Майера, и прироста ΔHm. Поскольку минимальное значение tgQ и максимальное gкр.2 , Hm и ΔHm отвечает увеличению величины предела
упругости материала, а уменьшение показателя Майера, который является мерой
легкости скольжения дислокаций, свидетельствует о затруднении микропластичной
деформации материала. Измерение
амплитудных зависимостей ВТ и микротвердости на разных этапах субструктурного упрочнения
металлов позволяет обнаружить общие закономерности формирования, стабилизации и
распада сеток полигональных границ, состояние которых непосредственно
определяет уровень и стабильность высокотемпературных свойств материала.
Рис. 1. Амплитудная зависимость внутреннего трения (АЗВТ) БрБ2 после 20 ТЦО:
– АЗВТ возрастания амплитуды, – АЗВТ уменьшения амплитуды.
Коэфициент теплопроводности определяли согласно методики,
которая описана в работе [3]. Результаты исследований (Табл.2) вказывают на то,
что с увеличением температуры
теплопроводность сплава увеличивается, а это говорит о том что материал
жароупрочняется.
Таким образом в результате термоциклической обработки
материала увеличивается плотность дисперсной фазы, которая оказывает
сопротивление движения дислокаций, что и приводит к увеличению сопротивления
малым пластическим деформациям, и степень укрепления соответственно повышается.
Характер изменения коэффициента теплопроводимости в зависимости от температуры
указывает на повышение жаропрочных свойств бериллиевой бронзы. Подтверждением
этого является рост критических амплитуд деформации, модуля сдвига,
микротвердости и теплопроводимости, а также уменьшения тангенса угла наклона
фона АЗВТ и показателя Майера.
Таблица 1
Термообробка
|
Измеренная
величина
|
0
ТЦО |
5
ТЦО |
10
ТЦО |
20
ТЦО |
40
ТЦО |
60
ТЦО |
ТЦО
|
gкр.2×105 tgQ L×10-12, м-2
Ln×106, м |
6.9
0.72 5.22 5.48 |
7.2
0.33 8.59 2.44 |
10.4
0.29 15.7 1.43 |
13.6
0.26 18.6 2.02 |
14.1
0.23 28.0 2.44 |
13.4
0.32 23.6 2.38 |
ТЦО
|
Hm,МПа DHm, МПа n |
185
- 2.04 |
204
21 1.97 |
565
168 1.92 |
761
360 1.84 |
691
292 1.80 |
626
227 1.73 |
Таблица 2
Зависимость
параметров теплопроводимости БрБ2 от температуры
Т, 0С |
25 |
50 |
75 |
100 |
125 |
150 |
175 |
КТ, Вт/К |
0,1611 |
0,1631 |
0,1702 |
0,1707 |
0,1705 |
0,1691 |
0,1636 |
λ, Вт/мК |
15,34 |
15,76 |
16,34 |
16,89 |
7,56 |
18,23 |
18,56 |
Литература :
1.
Федюкин
В.К., Смагоринский М.Е. Термоциклическая обработка деталей и машин.
– Ленинград: Машиностроение, 1989 – 245с.
2.
Пастухова Ж.П., Рахштадт А.Г. Пружинные сплавы цветных
метал лов.
– М.: Металургия, 1984. – 284с.
3.
Теплофизические измерения и приборы / Е.С. Платунов и
др...-М.: Машиностроение, 1986. – 256с.
4.
Білюк А.І. Вплив термоциклювання під навантаженням на
структурні зміни дисперсійно-твердіючих алюмінієвих сплавів//Металофизика и
новейшие технологи.-1997.-Т.19.-№6.-С.78-80.
5.
Granato A.V., Lucke K. // J. Appl. Phys. – 1981. –V.52. -№12. –P.7136-7142.
6. Механическая
спектроскопия металлических материалов
// Блантер М.С., Головин И. С., Головин С. А. и др. – М.: МИА, 1994. – 256 с.