ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 64-70
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.715:539.385:539.25
ИЗУЧЕНИЕ СТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ АЛЮМИНИЕВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2004 г. А. В. Еланцев, А. А. Попов, С. Л. Демаков, Е. В. Еланцева
Уральский государственный технический университет - УПИ, 620002 Екатеринбург, ул. Мира, 19
Поступила в редакцию 14.03.2003 г.; в окончательном варианте - 16.04.2003 г.
В работе изучали влияние интенсивной пластической деформации кручением на структуру и свойства высокопрочных сплавов на основе алюминия. Для исследования были выбраны промышленные сплавы системы Л1-7п-М§-Си, такие как В96Ц1, 7050, а также сплав 01979, полученный путем скоростной кристаллизации расплава. Методом просвечивающей электронной микроскопии показано, что проведение интенсивной пластической деформации (ИПД) сплавов данной системы приводит к значительному измельчению структуры. В зависимости от условий деформации размер зерен на сплаве В96Ц1 был зафиксирован в пределах от 400 до 150 нм. Обнаружено образование после ИПД неравновесной фазы, которая не выделяется при обычных условиях обработки. Установлено, что предварительная ИПД обеспечивает достаточно равномерный распад пересыщенного твердого раствора по телу зерна без образования приграничных зон, свободных от выделений.
ВВЕДЕНИЕ
Современное развитие авиакосмической техники, автомобильной промышленности и других отраслей народного хозяйства требует использования в конструкциях качественно новых легких и высокопрочных материалов. Именно поэтому в последние десятилетия повысился интерес к высокопрочным алюминиевым сплавам, полученным в том числе и по гранульной технологии.
Имеющиеся в литературе [1-4] сведения о возможностях создания высокопрочного состояния в материалах на основе алюминиевой матрицы позволяют заключить, что в настоящее время за счет методов термической обработки реально достижение уровня прочности до 650 МПа в промышленных сплавах типа В96Ц1 и =800 МПа в сплавах, полученных по гранульной технологии. В этой связи одним из способов дальнейшего повышения уровня прочностных свойств может служить сочетание режимов термической обработки и интенсивной пластической деформации. Для достижения подобного эффекта, необходимо иметь систему со значительной растворимостью элемента в твердом растворе алюминия для возможности последующего дисперсионного упрочнения и максимальную разницу в атомных размерах элементов, образующих твердый раствор, для создания максимума твердорастворного упрочнения.
Исходя из вышеотмеченного в качестве основных, базовых систем для исследования следует
выбрать: A1-Zn-Mg-Cu, Л1-Li-Mg-Cu. При этом возможны различные комбинации с другими элементами, к которым в первую очередь следует отнести переходные металлы, которые активно образуют интерметаллические соединения с алюминием, например Л1^г, Л138е, Л1ХУ и др. Кроме того, переходные металлы способствуют повышению температуры рекристаллизации сплавов, т.е. обусловливают термическую стабильность при последующем нагреве.
Дальнейший прогресс в области создания новых композиционных алюминиевых материалов на основе системы A1-Zn-Mg-Cu может быть достигнут путем получения заготовки из мелких частиц-гранул, получаемых с высокими скоростями охлаждения при кристаллизации порядка 103-104 К/с. Этот метод позволяет значительно увеличить растворимость переходных металлов в твердом растворе и диспергировать все структурные составляющие сплава, в том числе первичные ин-терметаллиды и эвтектики; образовывать новые метастабильные упрочняющие фазы и реализовать дополнительные механизмы упрочнения сплавов в литом состоянии.
В этой связи основной задачей настоящего исследования было изучение влияния интенсивной пластической деформации кручением на структуру и механические свойства высокопрочных сплавов на основе алюминия.
Таблица 1. Химический состав
Сплав Си Mg Мп 7п Прочие
В96Ц-1 2.0-2.6 2.3-3.0 0.3-0.8 8.0-9.0 <0.3 0.1-0.27г
7050 2.4 2.3 - 5.1-6.1 - 0.12Сг
01979 1.5 3.0 0.5 9.0 - 0.57г, 0.5Сг
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.
ВЫБОР МАТЕРИАЛА
Исходя из приведенных выше критериев, в качестве основного материала исследования был выбран алюминиевый сплав В96Ц1. Для сравнения использовали другие сплавы системы Al-Zn-Mg-Cu: 7050 и 01979 последний с отношением основных легирующих элементов 9-3-1.5 и дополнительно легированный цирконием, железом, марганцем и хромом, был получен по гранульной технологии. В процессе производства данного сплава проводили горячее компактирование гранул (гидроэкструзия) при температуре дегазации - 400^ в течение 10 ч. В результате были получены прутки диаметром 12 мм. Как показали наши исследования, структура по сечению прутка достаточна однородна, так как значения твердости по сечению меняются незначительно и HV составляет 2000 МПа.
Химический состав сплавов представлен в табл. 1.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Все изучаемые сплавы подвергали закалке от температур нагрева 470-460^ в холодной воде. В целях предотвражения процессов естественного старения перед последующей операцией обработки: деформацией и/или старением образцы выдерживались при 0^ в холодильнике, причем время между обработками старались иметь минимальное. Деформацию кручением всех сплавов осуществляли при комнатной температуре на наковальнях Бриджмена. Для того, чтобы достичь высокой степени деформации, нужно выполнить несколько оборотов плунжера. При этом важно устранить относительное скольжение по плоскости прикосновения образца с наковальней и плунжером, что достигается за счет приложения высокого давления (5-7 ГПа). Такое давление создается гидравлическим прессом мощностью 100-200 т. Однако данный метод имеет ограничения по толщине образцов, на которых может быть получена нанокристаллическая структура.
Интенсивную пластическую деформацию осуществляли на образцах диаметром 10-12 мм и толщиной 0.2 мм до достижения значения истинной логарифмической деформации, равной А 5-7. Некоторые образцы сплава В96Ц1 перед закалкой для сравнения подвергали РКУ-прессованию
и только после этого их готовили под ИПД. Принципиальная схема РКУ-прессования достаточно полно представлена в работе [5].
Металлографическое исследование структуры проводили на микроскопе "Neophot-21" при увеличении 200-500 крат. Шлифы травили в растворе, состоящем из одной части 40% плавиковой кислоты и двадцати частей воды. Готовые шлифы промывали проточной водой и сушили фильтровальной бумагой. Электронно-микроскопические исследования выполняли на просвечивающем электронном микроскопе JEM-200CX при ускоряющем напряжении 160 кВ. Фольги подвергали электрополировке в растворе:
23% HaO4 + 77% CH3COOH.
Из-за сложной схемы деформации и размеров образцов (высота Ь = 1 мм, ширина Н = 2 мм, длина I = 1.5 мм), механические свойства сплавов измеряли методом статических испытаний на изгиб. Подобная схема нагружения является более мягкой по сравнению с растяжением. Испытания на изгиб проводили на универсальной испытательной машине "ИР-5067". Нагрузку регистрировали при помощи тензодатчиков. Скорость деформации (перемещения захвата) фиксировали на уровне 10-4-10-3 Кривые нагрузка-перемещение захвата записывали на двухкоординатном самопишущем ПДА-1001 с максимальной чувствительностью 0.05 мВ/см. Образцы для испытания были выбраны из средней части деформированного металла, так как по краям после кручения образуется множество микротрещин.
Микродюрометрические испытания осуществляли на приборе "Neophot-21" путем вдавливания стандартной 136-градусной алмазной пирамиды под нагрузкой 100 г в течение 15 с. При этом проводили не менее десяти измерений на точку эксперимента для обеспечения абсолютной ошибки не более 1.5% с доверительной вероятностью 0.95.
Термический анализ выполняли на термоанализаторе "DuPont-990". С помощью модуля DSC-910 проводили анализ по методу дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), основанный на определении изменения величины теплового потока при протекании фазовых и структурных превращений в материале.
Рис. 1. Микроструктура сплава В96Ц1:
а - после закалки с 470°С, х30000; б - расшифровка электронограммы с фазы МпА1б; в - после старения при 130°С в течение 6 ч, х75000; г - после старения при 130°С в течение 6 ч, х30000.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Изучение структуры сплавов позволило установить, что в исходном закаленном состоянии сплав В96Ц1 имеет зерна размером 10-15 мкм, в которых наблюдаются вытянутые иглоподобные частицы, расположенные в основном параллельно друг другу в пределах одного зерна (рис. 1а). Размер этих частиц в длину достигает до 1 мкм. Характерной особенностью электронограмм, полученных с таких частиц, является раздвоение рефлексов как матрицы, так и выделений. В литературе не встречается данных о таком типе выделений в сплавах данной системы за исключением данных работ Спиридонова [Алюминиевые сплавы. 1968. Вып. 5. С. 46-61], в которой считают, что такие частицы отвечают п-фазе. Однако расчет электронограмм, снятых с таких частиц, показал, что в нашем случае подобным образом выделяется фаза МпА16 (рис. 16).
Проведение старения при 130°С в течение 6 ч показало, что, кроме имеющихся иглоподобных
частиц, появляется несколько типов выделений: матричные - в виде равномерно расположенных дисперсных частиц (рис. 1в), и зернограничные -которые располагаются вдоль границы зерна, внешне напоминая шлейф (рис. 1г). Электронограммы от матричных выделений имеют характерные тяжи, а для зернограничных видна обычная сетка рефлексов. Расчет таких электронограмм показал, что во всех случаях формируется П'-фаза с гексогональной решеткой (а = 0.497 нм; с = 1.407 нм).
Изучение превращений, протекающих при нагреве сплава (V = 20 К/мин), показало, что распад идет в несколько стадий (рис. 2). Первый максимум на кривой ДСК соответствует 90°С и обусловлен образованием п'-фазы, а второй - при 200°С - выделением п-фазы.
Анализ микроструктуры сплава 01979 в закаленном состоянии показал, что размер зерен не превышает 1 мкм (рис. 3а)
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.