Новиков И.И.✦★ Горячеломкость ЦВЕТНЫХ МЕТАЛЛОВ и сплавов Изд. 2

Оглавление

Введение

Горячеломкость — склонность металлов и сплавов к хрупкому межкристаллитному разрушению при наличии жидкой фазы по границам зерен. Такое разрушение широко распространено при литье и сварке; оно встречается также при горячей обработке давлением, термической обработке и эксплуатации изделий при повышенных температурах.

Все металлы и сплавы в той или иной степени горячеломки. Хорошо известная красноломкость сталей и никелевых сплавов, обусловленная оплавлением сульфидной эвтектики, является частным случаем горяче-ломкости при горячей обработке давлением. При термической обработке сплавов горячеломкость проявляется в образовании закалочных трещин из-за оплавления границ зерен при пережоге. Незначительные примеси металлов, образующие легкоплавкие эвтектики по границам зерен, снижают жаропрочность и термостойкость легированных сталей, никелевых и других сплавов и могут привести к хрупкому межкристаллитному разрушению изделий во время эксплуатации при повышенных температурах.

При литье и сварке горячеломкость сплава проявляется в образовании так называемых «горячих» трещин в слитках, фасонных отливках и сварных швах. Горячие трещины — один из наиболее распространенных и трудноустранимых видов брака. Если оплавление границ зерен при горячей обработке давлением, термообработке и эксплуатации изделий можно более или менее легко предотвратить,— очищая металл от легкоплавких примесей, вводя в него малые добавки для связывания этих примесей в тугоплавкие соединения или, наконец, просто ограничивая температуру нагрева точкой солидуса границ зерен,— то при литье и сварке плавлением переход через интервал кристаллизации всегда неизбежен. Поэтому горячеломкость чаще всего проявляется в двух последних процессах.

Проблема горячих трещин приобрела особенно большую остроту в связи с развитием производства новых высокопрочных и жаропрочных сплавов, так как области составов на диаграммах состояния, соответствующие максимальной прочности и жаропрочности, часто совпадают с областью составов наиболее горячеломких сплавов. Причем брак по горячим трещинам чаще возникает при наиболее прогрессивных видах литья: непрерывном литье слитков и отливке деталей в постоянные формы.

Резко выраженная горячеломкость сплавов при литье и сварке сильно осложняет, а часто делает и практически невозможным внедрение в серийное производство новых сплавов с ценными эксплуатационными свойствами. В связи с этим необходим такой научно-обоснованный подход к разработке новых и улучшению существующих сплавов, при котором наряду с получением высокой прочности, жаропрочности и других эксплуатационных свойств обеспечивалась бы высокая сопротивляемость сплавов образованию горячих трещин.

Проблемой горячеломкости металловеды занимаются с давних пор. В 20-е годы появились первые металловедческие исследования, направленные на выяснение природы горячих трещин при литье цветных металлов и сплавов. Несмотря на то, что работы в этой области ведутся уже в течение сорока лет, до сих пор имеется много неясного в толковании основных опытных фактов, и даже вплоть до самого последнего времени высказываются прямо противоположные точки зрения по принципиальным вопросам, в частности, о температурах зарождения горячих трещин.

Как будет показано ниже, горячие трещины при литье большинства промышленных цветных сплавов являются кристаллизационными — они зарождаются и развиваются в «эффективном» интервале кристаллизации, понятие о котором было введено А. А. Бочваром [1—3]. В этом интервале кристаллиты образуют каркас с распределенной внутри него жидкой фазой, и сплав обладает основным свойством твердого тела сохранять ранее приданную ему форму. Такое состояние сплава было нами условно названо твердо-жидким [4]. Выше некоторой температуры в интервале кристаллизации жидкая фаза полностью отделяет друг от друга кристаллиты, и сплав обладает основным свойством жидкого тела — повышенной текучестью. Это состояние сплава, в отличие от предыдущего, было условно названо жидко-твердым [4].

Противоречивость представлений по многим вопросам проблемы горячих трещин обусловлена главным образом тем, что горячеломкость — свойство технологическое и, как всякое технологическое свойство, оно является комплексным, сложносоставным, зависящим от протекания в металле одновременно нескольких «элементарных» процессов. Любая технологическая проба на горячеломкость, как бы хорошо она ни была приспособлена к условиям конкретной производственной задачи, не может в чистом виде выявить те элементарные процессы и соответственно те «составные» свойства сплава, комплекс которых определяет его горяче-ломкость. Для определения свойств сплава, находящегося в твердо-жидком состоянии, обычно непригодны методики и установки, используемые для изучения сплавов в твердом или жидком состоянии. Необходимо применять методики и приборы, специально предназначенные для изучения тех свойств сплава в твердо-жидком состоянии, совокупность которых определяет его горячеломкость.

На склонность сплава к образованию кристаллизационных трещин, как и склонность к любому другому разрушению, решающее влияние должны оказывать механические свойства в температурном интервале образования этих трещин. Поэтому при анализе горячеломкости основное внимание необходимо обратить на изучение механических свойств и закономерностей пластической деформации и разрушения сплавов в твердо-жидком состоянии. Но анализ горячеломкости, в общем случае, нельзя свести к изучению только механических свойств: горячеломкость, проявляющаяся при литье и сварке, зависит также от термического сжатия, линейной усадки в интервале кристаллизации.

Монография посвящена главным образом горячеломкости при литье, однако большая часть из рассмотренных в ней закономерностей и справочные данные представляют также интерес для анализа горячеломкости при сварке.

Автор надеется, что эта книга будет способствовать правильному выбору состава сплавов с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин и поможет анализировать разные случаи горячеломкости, встречающиеся в производстве металлических изделий.

Основу книги составляют материалы исследований, начатых автором в 1947 г. по инициативе академика А. А. Бочвара и проводившихся на протяжении многих лет в Московском институте цветных металлов и золота, Физико-техническом институте АН КазССР и в последние годы — в Московском институте стали и сплавов. Автор выражает искреннюю благодарность своим сотрудникам Г. А. Королькову, В. С. Золоторевскому, Ф. С. Новику, Г. В. Инденбаум, В. К. Портному, К. Т. Черноусовой, Л. И. Даутовой и Е. И. Рытвину, без активного участия которых в проведении и обсуждении экспериментов эти исследования не были бы выполнены.

Об авторе

Новиков Илья Изриэлович

Крупный советский ученый-металловед, специалист в области сверхпластичности. Доктор технических наук, профессор кафедры металловедения цветных металлов Московского института стали и сплавов (МИСиС). Окончил Московский институт цветных металлов и золота. После окончания аспирантуры в 1951 г. защитил кандидатскую диссертацию. В 1951–1955 гг. работал в Казахском горно-металлургическом институте (Алма-Ата). Был одним из организаторов лаборатории физики металлов в Физико-техническом институте АН Казахской ССР, которой заведовал по совместительству. С 1955 г. — доцент Московского института цветных металлов и золота. В 1964 г. защитил докторскую диссертацию. В 1965–1991 гг. заведовал кафедрой металловедения цветных металлов МИСиС. Заслуженный деятель науки и техники РСФСР. Лауреат Государственной премии СССР (1982).

И. И. Новиков — ученик и последователь выдающегося ученого-металловеда, академика АН СССР А. А. Бочвара, сменивший его в качестве заведующего кафедрой металловедения цветных металлов. Первые его научные работы связаны с переходом сплавов из жидкого состояния в твердое, механическим поведением сплавов в этих условиях, особенностями неравновесной кристаллизации. Подробно изучив природу горячеломкости, он сформулировал выводы, позволяющие разрабатывать сплавы с высокой сопротивляемостью образованию горячих трещин при литье и сварке плавлением. Его работа по изучению закономерности влияния состава на жаропрочность многокомпонентных сплавов с использованием платины для стеклоплавильных аппаратов позволила сэкономить большое количество этого драгоценного металла и в 1982 г. была удостоена Государственной премии СССР. Продолжая работы А. А. Бочвара, он занимался исследованием природы сверхпластичности, созданием сплавов цветных металлов разнообразного назначения. Он также вел активную педагогическую деятельность: его учебники выдержали несколько изданий и были переведены на многие языки мира. Автор пяти монографий и более 250 научных статей.