Влияние исходной концентрации бериллия и добавок никеля на магнитопластический эффект и кинетику старения медно-бериллиевых сплавов

УДК 621.785.78:537.636

ВЛИЯНИЕ ИСХОДНОЙ концентрации бериллия и добавок никеля НА МАГНИТОПЛАСТИЧЕСКИЙ эффект И КИНЕТИКУ СТАРЕНИЯ МЕДНО-БЕРИЛЛИЕВЫХ СПЛАВОВ

© Ю.В. Осинская, С.С. Петров, А.В. Покоев

Ключевые слова: старение; магнитное поле; магнитопластический эффект; медно-бериллиевые сплавы. Выполнено экспериментальное исследование влияния исходной концентрации бериллия, никеля и постоянного магнитного поля на микротвердость состаренных медно-бериллиевых сплавов. Установлено, что все три фактора существенным образом влияют на микротвердость сплавов и кинетику их старения.

Упрочнение стареющих сплавов определяется прочностью образующихся частиц выделений, их объемной долей, формой, кристаллической структурой, типом связи с матрицей, уровнем напряжений на границах матрица-выделение и степенью дисперсности. Степень упрочнения и твердения сплавов дисперсными частицами определяется тем взаимодействием, которое возникает между дисперсными частицами и движущимися дислокациями. Кроме того, на процесс упрочнения существенным образом влияют внешние воздействия. Так, известно [1], что при старении бериллиевой бронзы БрБ-2 в постоянном магнитном поле (ПМП) увеличение микротвердости в ряде случаев достигает ~30 %. Установление механизмов влияния постоянного магнитного поля на процесс твердения бериллиевой бронзы осложняется тем, что сплав содержит многочисленные примеси разного характера. В связи с этим отделом прецизионной металлургии Института физики металлов Уральского отделения РАН были изготовлены модельные бинарные и тройные сплавы с контролируемыми добавками бериллия и никеля. Ранее в работе [2] авторами настоящей статьи было установлено, что концентрация бериллия (0,5 и 3,0 вес. %) в сплавах существенным образом влияет на величину магнитопластического эффекта (МПЭ). Целью данной работы является экспериментальное исследование влияния ПМП, исходной концентрации бериллия (1,0 и 2,5 вес. %) и добавок никеля (0,35 и 0,45 вес. %) на микротвердость состаренных медно-бериллиевых сплавов - основной параметр МПЭ и кинетику их старения.

В качестве объекта исследования были выбраны медно-бериллиевые сплавы Cu - 1,0 вес. % Ве, Cu -1,0 вес. % Ве - 0,45 вес. % Ni, Cu - 2,5 вес. % Ве, Cu -2,5 вес. % Ве - 0,5 вес. % Ni (далее «сплав 1», «сплав 2», «сплав 3» и «сплав 4»). Режимы закалки и старения сплава выбирали на основе ранее проведенных исследований процесса старения сплава бериллиевой бронзы БрБ-2 в ПМП [1].

В данной работе представлены результаты измерения микротвердости состаренных медно-бериллиевых сплавов. Старение закаленных образцов проводилось при температуре 350 °С, времени от 0,17 до 2 ч, в ПМП напряженностью 7 кЭ и без него. Микротвердость измеряли с помощью микротвердомера HAUSER. Отно-

сительная ошибка среднего значения микротвердости изменялась от 1 до 9 %. Результаты измерений влияния ПМП и примесей бериллия и никеля на микротвердость сплавов представлены на рис. 1 и 2. Среднее значение микротвердости закаленных образцов сплавов 1, 2, 3 и 4 составляет 105, 112, 146 и 169 кГ/мм2 соответственно. Данные результаты показывают, что уже в закаленном состоянии микротвердость сплавов зависит от концентрации бериллия и добавок никеля.

а)

б)

Рис. 1. Зависимость микротвердости медно-бериллиевых сплавов от времени старения при температуре 350 °С: а) Од -1,0 вес. % Ве; б) Си - 1,0 вес. % Ве - 0,45 вес. % N1

1701

В процессе старения сплава 1 (рис. 1а) микротвердость образцов практически не изменяется и приблизительно равна микротвердости закаленного образца. Это объясняется малым содержанием бериллия в изучаемом сплаве (1,0 вес. %) и, как следствие, малым количеством фазовых выделений. Они не могут существенно повлиять на скорость движения дислокаций и, таким образом, микротвердость сплава в течение старения практически не изменяется. Наложение ПМП на те же режимы термической обработки не приводит к существенному изменению микротвердости сплава 1. Добавка никеля в количестве 0,45 вес. % в сплаве 2 (рис. 1б) приводит к увеличению уровня микротвердости до 55 %. Кроме того, изменяется кинетика процесса старения, наблюдается «классическое» изменение и увеличение микротвердости при времени 0,5 ч, свойственное стареющим медным сплавам. Наложение ПМП на процесс старения сплава 2 приводит к увеличению микротвердости до 14 %: наблюдается «отрицательный» МПЭ.

а)

б)

Рис. 2. Зависимость микротвердости медно-бериллиевых сплавов от времени старения при температуре 350 °С: а) Си -2,5 вес. % Ве; б) Си - 2,5 вес. % Ве - 0,35 вес. % N1

Из рис. 2а видно, что максимальное значение микротвердости состаренного сплава 3 достигается при времени старения 1 ч и составляет 218 кГ/мм2. Дальнейшее увеличение длительности старения до 2 ч не ведет к увеличению микротвердости, а приводит лишь к стабилизации структуры сплава 3 за счет совершенствования его тонкой структуры. Наложение ПМП на те же режимы термической обработки всегда приводит к возрастанию микротвердости образцов до 14 % по сравнению с состаренными без ПМП, при этом характер зависимостей не изменяется. В этом случае максимальное значение микротвердости также достигается при времени 1 ч и составляет 236 кГ/мм2.

Из рис. 2б видно, что после старения 0,17 ч микротвердость сплава 4 резко увеличивается от 169 до 290 кГ/мм2. Дальнейшее увеличение отжига от 0,17 до 0,5 ч приводит к спаду микротвердости до 251 кГ/мм2. Такое изменение микротвердости после старения позволяет сделать вывод, что основная доля процесса старения завершается после первых 10-15 мин. отжига и что процесс старения имеет несколько стадий. Дальнейшее увеличение времени старения не приводит к существенным изменениям микротвердости. Наложение ПМП на те же режимы термической обработки сплава 4 всегда приводит к возрастанию микротвердости образцов по сравнению с состаренными без ПМП. Наблюдается «отрицательный» магнитопластический эффект, величина которого достигает 34 %.

Анализ полученных экспериментальных данных показал, что наложение ПМП всегда приводит к увеличению микротвердости от 14 до 34 %, т. е. наблюдается «отрицательный» МПЭ. Причем величина МПЭ увеличивается с увеличением исходной концентрации Be. Добавки никеля в сплавах приводит к увеличению микротвердости от 43 до 55 % по сравнению со сплавом без никеля, кроме того, присутствие никеля изменяет кинетику процесса старения. Полученные эффекты в исследуемых сплавах, возможно, связаны с тем, что никель, согласно [3], замедляет фазовые превращения в медно-бериллиевых сплавах, задерживает рекри-сталлизационные процессы в сплавах и способствует получению более мелкого рекристаллизационного зерна. Для выяснения механизмов формирования МПЭ в данной работе перспективно получение информации о магнитных корреляциях [4] в рассматриваемых сплавах, связанных с комплексо- и фазообразованием в области их магниточувствительности, получаемой методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов, магнитных измерений и моделирования молекулярной динамики.

ЛИТЕРАТУРА

1. Осинская Ю.В., Покоев А.В. Упрочнение бериллиевой бронзы БрБ-2 при старении в постоянном магнитном поле // ФХОМ. 2003. № 3. С. 18-25.

2. Осинская Ю.В., Петров С.С., Покоев А.В. Влияние состава и времени старения на микроструктуру и свойства медно-бериллиевых сплавов // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2010. Т. 15. Вып. 3. С. 1242-1243.

3. Колачев Б.А., Габидуллин Р.М., Пигузов Ю.В. Технология термической обработки цветных металлов и сплавов. М. : Металлургия, 1980. 279 с.

4. Рунов В.В., Ильин Д.С., Рунова М.К, Раджабов А.К. Изучение ферромагнитных корреляций, обусловленных примесями в немагнитных материалах, методом малоуглового рассеяния поляризованных нейтронов // Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 95. Вып. 9. С. 530-533.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Osinskaya Y.V., Petrov S.S., Pokoyev A.V. INFLUENCE OF INITIAL BERYLLIUM CONCENTRATION AND NICKEL ADDITIVES ON MAGNETO-PLASTIC EFFECT AND AGEING KINETICS OF COOPER-BERYLLIUM ALLOYS

The experimental research of influence of initial beryllium concentration, nickel and the constant magnetic field on microhardness аged cooper-beryllium alloys is executed. It is established, that all three factors significantly influence on alloys microhardness and kinetics ageing.

Key words: ageing; magnetic field; magneto-plastic effect; cooper-beryllium alloys.

1702