ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 1, с. 93-99
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.715:539.385:539.4.015
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1570, ПОДВЕРГНУТОГО ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ
© 2008 г. М. Ю. Мурашкин, А. Р. Кильмаметов, Р. 3. Валиев
Институт физики перспективных материалов, Уфимский государственный авиационный технический
университет, 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12 Поступила в редакцию 28.05.2007 г.
Исследовано влияние ультрамелкозернистой структуры, сформированной в алюминиевом сплаве 1570 методом интенсивной пластической деформацией кручением (ИПДК) при комнатной температуре и температуре 100 и 200°С, на его механические свойства: прочность и пластичность. Особенности полученных УМЗ-состояний изучены методами просвечивающей электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Установлены закономерности изменения структурных характеристик сплава: среднего размера зерна, областей когерентного рассеяния, микродеформации кристаллической решетки, плотности дислокаций и параметра кристаллической решетки, в зависимости от температуры проведения ИПДК. Механические свойства сплава после ИПДК оценивали по результатам измерений микротвердости и механических испытаний на растяжение. Установлено, что УМЗ сплав демонстрирует рекордно высокий уровень прочности (микротвердость, условный предел текучести и предел прочности достигают 2300, 905 и 950 МПа, соответственно) и значительную пластичность (относительное удлинение до разрушения составило 4.7%) после ИПДК, осуществленной при комнатной температуре. Обработка ИПДК, проведенная при более высоких температурах, незначительно снижает прочностные характеристики УМЗ-материала, однако приводит к существенному падению его пластичности. Данное необычное механическое поведение УМЗ-сплава обсуждается на основании анализа результатов структурных исследований.
PACS: 62.20.Fe, 81.40.Lm
Одной из важных научно-технических задач, решаемых на стыке физики твердого тела и обработки металлов давлением, является разработка новых подходов, использование которых позволило бы существенно улучшить комплекс механических и эксплуатационных характеристик легких сплавов на основе алюминия, широко применяемых в промышленности. В последние годы все больший интерес проявляется к такому подходу, как достижение высокого уровня свойств в алюминиевых сплавах за счет формирования в них ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры [1-4]. На сегодняшний день установлено, что получение УМЗ-структуры в сплавах на основе алюминия возможно при их обработке различными методами интенсивной пластической деформации (ИПД), такими как равноканальное угловое прессование [4], многопроходная прокатка (Accumulative Roll Bonding process) [5], а также прокатка при криогенной температуре [6]. Как правило, обработка с использованием данных методов ИПД обеспечивает формирование в объемных заготовках структуры с размером зерен/субзерен менее одного микрона - в диапазоне от 1000 до 100 нанометров. Такие УМЗ-структурные состояния позволяют повысить прочность большинства алюминиевых сплавов на 30-50% по сравнению с крупнозерни-
стыми аналогами после стандартных методов упрочнения [2-4, 6-12]. В ряде исследований также было установлено улучшение и таких характеристик УМЗ-сплавов, как пластичность [2, 3, 6-9, 11], трещиностойкость [2, 9] и сопротивление усталости [12]. В работах [2, 3, 6-11] показано, что для многокомпонентных систем, к которым относится большинство промышленных алюминиевых сплавов, методы и режимы ИПД должны гарантировать не только формирование УМЗ-строения, но и обеспечивать получение оптимального фазового состава, так как он, наряду с размером зерна, оказывает весьма существенное влияние на механические свойства.
На настоящий момент наиболее эффективным методом, позволяющим формировать в алюминиевых сплавах структуры с наименьшим размером зерен нанометрического диапазона (О < 100 нм), является интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) под высоким давлением [1315]. Недавние исследования некоторых алюминиевых сплавов показали, что в наноструктурном состоянии они демонстрируют необычно высокие удлинения, проявляя сверхпластичность при относительно низких температурах и/или высоких скоростях деформации [16, 17]. Однако до настоящего времени практически отсутствовали данные о ме-
ханическом поведении при комнатной температуре алюминиевых сплавов после ИПДК.
В данной работе представлены результаты исследований влияния температурных условий ИПДК на особенности УМЗ-структурного состояния и механические свойства алюминиевого сплава 1570.
Выбор сплава 1570 обусловлен тем, что из всех деформируемых Л1-М§ сплавов он содержит наибольшее количество магния, присутствие которого усиливает эффект измельчения зеренной структуры материала [18-21] и, соответственно, позволяет достигнуть наиболее значительного упрочнения в результате ИПДК [19, 20]. Сплав также содержит скандий, обеспечивающий измельчение и стабильность структуры как при проведении ИПДК, так и при последующих термических воздействиях [20, 21].
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования использовали горячепрессованный пруток промышленного алюминиевого сплава 1570 (Л1-5.7%М§-0.32%8е-0.4%Мп (вес. %)) с исходной крупнозернистой структурой.
Из исходного прутка были вырезаны заготовки в виде дисков диаметром 20 и толщиной 1 мм. Перед обработкой ИПДК заготовки подвергали отжигу при температуре 380°С в течение 2 ч с целью получения предельной концентрации магния в твердом растворе сплава и достижения в нем максимального эффекта твердорастворного упрочнения, а также обеспечения максимального упрочнения за счет измельчения структуры в процессе деформации.
В работе использовали оригинальную установку, разработанную и изготовленную недавно в ИФПМ УГАТУ [22]. Данная установка позволяет осуществлять обработку ИПДК заготовок диаметром до 25 мм и толщиной до 2 мм в интервале температур 20-500°С.
После предварительного отжига заготовки сплава 1570 подвергали ИПДК при приложенном давлении 6 ГПа, количестве оборотов подвижной наковальни 20, как при комнатной температуре, так и при температуре 100 и 200°С.
Количество оборотов подвижной наковальни п при обработке заготовок сплава выбирали, опираясь на данные работ [23, 24], в которых было продемонстрировано, что структурные характеристики и значения микротвердости материла, подвергаемого ИПДК, выходят на уровень насыщения при определенном количестве п. Экспериментально было установлено, что микротвердость заготовок сплава 1570 с выбранными для исследования размерами увеличивается на участке, расположенном на удалении половины радиуса от центра при достижении п ~ 20.
Все исследования микроструктуры и механических свойств сплава, подвергнутого ИПДК, были выполнены прецизионно непосредственно на участках заготовок, расположенных на расстоянии половины радиуса.
Электронно-микроскопические исследования структуры проводили на микроскопе JEM-100B в светлом и темном поле. Средний размер зерна (D) вычисляли по результатам измерения диаметров не менее 150 зерен. Съемку картин дифракции осуществляли с использованием селекторной диафрагмы диаметром 20 мкм.
Рентгеноструктурный анализ (РСА) осуществляли на дифрактометре Pan Analytical X"Pert с использованием CuAa-излучения при 50 кВ и 40 мА. Размеры областей когерентного рассеяния (DOKP) и значения микронапряжений кристаллической решетки ((е2)1/2) рассчитывали, используя модифицированный метод Вильямсона-Холла [25]. Для определения параметра кристаллической решетки а сплава до и после ИПДК использовали процедуру экстраполяции по Нельсону-Райли [26].
Исходя из экспериментально полученных значений DOKP, (е2)1/2 и а, плотность дислокаций (р) в сплаве после ИПДК рассчитывали по формуле, используемой в [27]:
р = 273 <е2) 1/2/( Db), (1)
где b = aJ2 /2 - вектор Бюргерса для ГЦК металлов [28].
Измерения микротвердости (Hосуществляли на приборе Micromet-5101 при нагрузке 25 г и выдержке 15 с. Распределение значений Hц определяли вдоль радиуса заготовок после ИпДк. Расстояние между отпечатками при проведении измерений составляло 0.5 ± 0.01 мм.
Механические испытания на растяжение при комнатной температуре проводили на установке, оснащенной горизонтальным измерительно-силовым устройством [29], со скоростью деформации 10-4 с-1. Условия испытания контролировались компьютерной программой, регистрирующей показания температуры, скорость растяжения, величину перемещения и усилия. Характеристики прочности (условный предел текучести а02 и предел прочности ав) и пластичности (относительное удлинение до разрушения 5) определяли по результатам испытаний не менее чем трех образцов с размером рабочей части 1.2 х 1.0 х 0.4 мм. Образцы изготовляли методом искровой резки таким образом, чтобы их рабочая часть была расположена на участке ИПДК заготовки, удаленном от ее центра на величину равную половине радиуса.
Рис. 1. Микроструктура сплава 1570 после обработки ИПДК при комнатной температуре (а, б) и при температуре 200°С (в, г).
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Особенности структуры
Электронно-микроскопический анализ показал, что в результате ИПДК исходная крупнозернистая структура сплава 1570 полностью трансформируется в УМЗ (рис. 1). После ИПДК при комнатной температуре и при температуре 100°С формируются практически идентичные структурные состояния со средним размером зерна 130 ± 10 нм (рис. 1а, б). После деформации, проведенной при температуре 200°С, в заготовках сплава была получена структура с несколько большим средним размером зерна (210 ± 7 нм) (рис. 1в, г).
Типичные картины электронной дифракции (рис. 1а, в) представляют собой многочисленные рефлексы, равномерно распределенные по окружностям. Их вид свидетельствует о том, что все сформированные состояния относятся к структурам зеренного типа, имеющим преимущественно большеугловые разориентировки границ зерен [1, 30].
Было отмечено, что внутри зерен, сформировавшихся в процессе ИПДК при комнатной температуре и температуре 100
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.