ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2009, том 108, № 4, с. 439-447
^^^^^^^^^^^^^^ ПРОЧНОСТЬ ^^^^^^^^^^^^^^
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.715:539.4.015
ОСОБЕННОСТИ СТРУКТУРЫ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 6061, ПОДВЕРГНУТОГО ОБРАБОТКЕ РАВНОКАНАЛЬНЫМ УГЛОВЫМ ПРЕССОВАНИЕМ В ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ КАНАЛАХ
© 2009 г. М. Ю. Мурашкин, Е. В. Бобрук, А. Р. Кильмаметов, Р. 3. Валиев
Институт физики перспективных материалов УГАТУ, 450000 Уфа, ул. К. Маркса, 12 Поступила в редакцию 11.03.2009 г.
Показано, что однородная ультрамелкозернистая структура в сплаве 6061 формируется после 4 циклов обработки равноканальным угловым прессованием в параллельных каналах (РКУП-ПК). Наряду с измельчением зерен, в процессе обработки РКУП-ПК, в сплаве проходит динамическое деформационное старение, в результате которого в структуре формируются наноразмерные частицы упрочняющей фазы Mg2Si. Установлено, что сплав в УМЗ-состоянии демонстрирует значительно более высокий уровень прочности и хорошую пластичность в сравнении с материалом после стандартной упрочняющей обработки.
PACS 62.20.-x, 81.40.Lm
Результаты многочисленных исследований свидетельствуют о том, что такой метод обработки интенсивной пластической деформаций (ИПД) как равноканальное угловое прессование (РКУП) позволяет существенно улучшать механические свойства промышленных алюминиевых сплавов, за счет формирования в них ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры и оптимального фазового состава [1-9].
Однако РКУП является, прежде всего, лабораторным методом ИПД, так как имеет ряд ограничений, сдерживающих его применение в условиях промышленного производства для получения УМЗ-алюминиевых полуфабрикатов, например, в виде прутков. Ограничения, главным образом, обусловлены невысокой производительностью данного метода, вследствие необходимости проведения большого числа циклов обработки (>8) заготовок материалов для формирования в них УМЗ структуры [3, 4, 6, 10].
Недавно в ГОУ ВПО УГАТУ был разработан метод равноканального углового прессования в параллельных каналах (РКУП-ПК), являющийся перспективным развитием метода традиционного РКУП, ориентированным на повышение производительности процесса получения УМЗ-материалов в 2-3 раза [10-13].
Исследования [12, 13] показали, что главной особенностью РКУП-ПК является реализация простого сдвига последовательно в двух очагах деформации, соответствующих двум расположенным последовательно зонам пересечения каналов в инструменте. При этом величина истинной де-
формации е заготовки после одного цикла обработки составляет ~2. В работах [11-13] были определены оптимальные параметры оснастки, обеспечивающие эффективность метода РКУП-ПК. Исследования, проведенные на модельных материалах: меди и титане, показали, что для формирования в них УМЗ-структуры необходимо осуществить обработку РКУП-ПК с количеством циклов не более 4.
В данной работе рассмотрены особенности формирования УМЗ-структуры и закономерности изменения механических свойств промышленного алюминиевого сплава 6061, подвергнутого обработке РКУП-ПК.
Выбор для исследования сплава 6061, обусловлен тем, что он относится к дешевым и технологичным алюминиевым сплавам 6000 серии, имеющим хорошие перспективы для применения в качестве конструкционных материалов в автомобильной, строительной и авиационной технике [14, 15]. Однако, основным фактором, сдерживающим расширение области применения данных сплавов до настоящего времени, является их недостаточная прочность.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования использовали промышленный алюминиевый сплав 6061 (0.80Mg-0.41 Si-0.12Cu-0.03Mn-0.22Fe-0.02Ti ост. А1 вес. %) в литом гомогенизированном состоянии. Из исходного слитка были вырезаны заготовки диаметром 16 мм и длиной 120 мм.
Рис. 1. Схема РКУП-ПК:
a: 1 - диаметр канала; К - расстояние между осями параллельных каналов; ф - угол пересечения между параллельными каналами и каналом их соединяющим; б - маршрут обработки заготовок сплава 6061 методом РКУП-ПК.
Перед обработкой РКУП-ПК заготовки были подвергнуты отжигу при температуре 535°С и последующей закалке в воду. Именно после закалки исходное состояние в термически упрочняемых алюминиевых сплавах, к которым относится и 6061, является оптимальным для проведения их последующей обработки ИПД с целью формирования УМЗ-строения и достижения наилучшего сочетания характеристик прочности и пластичности [3-5, 7-10].
В работе использовали оригинальную установку для проведения РКУП-ПК, разработанную и изготовленную в ГОУ ВПО УГАтУ. Схема оснастки и маршрут обработки заготовок сплава РКУП-ПК приведены на рис. 1.
Как было установлено ранее [11-13], основными параметрами, обеспечивающими высокую эффективность метода РКУП-ПК, являются: расстояние между осями параллельных каналов (К) и угол пересечения каналов (Ф) (рис. 1а). Обработку заготовок сплава 6061 осуществляли при температуре 100°С в оснастке, имеющей оптимальную геометрию (Ф = 100° и К = 1, где 1 - диаметр канала). Количество циклов РКУП-ПК заготовок составляло 1, 2 и 4, что соответствовало ~2, 4 и 8 циклам обработки традиционным РКУП.
Анализ тонкой структуры сплава проводили на просвечивающем электронном микроскопе ШМ-2000 EX в светлом и темном поле. Средний размер зерна вычисляли по результатам измерения диаметров не менее 200 зерен.
Исследования изломов проводили на растровом электронном микроскопе JSM 6390.
Рентгеноструктурный анализ (РСА) осуществляли на дифрактометре ДРОН-4М с использованием CuÄtt-излучения при 50 кВ и 40 мА. Размеры областей когерентного рассеяния (0ОКР) и значения среднеквадратичной микродеформации кристаллической решетки сплава ((е2)1/2) рассчитывали, используя модифицированный метод Вильямсона-Холла [16]. Для определения параметра кристаллической решетки а сплава использовали процедуру экстраполяции по Нельсону-Райли [17].
Исходя из экспериментально полученных значений 0ОКР, <е2)1/2 и а, плотность дислокаций (р) в материале после РКУП-ПК рассчитывали по формуле, используемой в [18]:
р = 273 <е2)1/2/(D х b), (1)
где b = а 72 /2 - вектор Бюргерса для ГЦК-метал-лов [19].
Твердость материала по Виккерсу (HV) определяли на приборе Micromet-5101, при нагрузке 2 H и выдержке 15 с. Для получения достоверных результатов измерение твердости осуществляли не менее десяти раз на каждом образце.
Механические испытания проводили при комнатной температуре на установке Instron 1185 со скоростью деформации 5 х 10-4 с-1. Характеристики прочности (условные пределы текучести а02 и предел прочности аВ) и пластичности (относительные удлинение 5 и сужение у до разрушения) определяли в соответствии с ГОСТ 1497-84 по результатам растяжения образцов с размерами рабочей части 0 3 х 15 мм. Испытывали на каждую экспериментальную точку не менее трех образцов.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Особенности структуры
Электронно-микроскопические исследования показали, что после 1 цикла обработки РКУП-ПК в заготовках сплава, исходная литая структура трансформируется в субзеренную структуру (рис. 2а), имеющую четко выраженную ориентацию относительно плоскости сдвига. Поперечный размер сформированных субзерен составляет 400 ± 10 нм, а продольный 1200 ± 17 нм, соответственно. О формировании структуры субзеренного типа с преимущественно малоугловой разориентацией границ, свидетельствуют картины электронной дифракции, одна из которых приведена на рис. 26. Она представляет собой одиночные рефлексы, которые имеют сильно выраженное азимутальное размытие.
Полученное структурное состояние характеризуется высокой плотностью решеточных дислокаций р, которая, по данным РСА, составляет ~1.9 х 1014 м-2 (табл. 1). Высокой плотностью дислокаций обусловлен малый размер областей когерентного рассеяния (0ОКР), а также большое значение среднеквадратичной микродеформации кристаллической решетки сплава ((е2)1/2) (табл. 1).
В результате второго цикла обработки РКУП-ПК, структура заготовок сплава претерпевает более существенные изменения (рис. 3). В субзернах, сформировавшихся после первого цикла обработки, отмечается развитие фрагментации, за счет образования в них поперечных (суб)границ (рис. 3а, 36).
Наряду с фрагментацией, в сплаве было отмечено формирование отдельных участков (объемная доля которых в структуре составляет ~30%) равноосных зерен размером ~500 нм (рис. 3в, 3г). Картина электронной дифракции (рис. 3е), полученная с одного из таких участков, свидетельствует о формировании в них структуры зеренного типа.
Увеличение количества циклов обработки РКУП-ПК до 4 привело к формированию в заготовках сплава однородной УМЗ-структуры (рис. 4) со средним размером зерна 360 ± 15 нм. В продольном сечении заготовки зерна имеют несколько вытянутую форму вдоль направления сдвиговой деформации (рис. 4а, 46). В поперечном же сечении
Рис. 2. Микроструктура сплава 6061 после 1 цикла обработки РКУП-ПК:
а - темное поле; б - типичная картина электронной дифракции.
заготовки преобладают зерна равноосной формы (рис. 4в). Анализ картин электронной дифракции, типичное изображение которой представлено на рис. 4г, также свидетельствует о том, что в результате 4 циклов обработки в сплаве сформировалась УМЗ-структура, содержащая преимущественно большеугловые разориентировки границ зерен [20].
Судя по данным РСА, формирование в сплаве УМЗ-структуры после 4 цикла обработки РКУП-ПК, сопровождается снижением р ~1.8 раза, а также значительным уменьшением величины (е2)1/2 и ростом ЙОКР, по сравнению с соответствующими характеристиками материала после первого цикла обработки (см. табл. 1).
Электронно-микроскопические исследования также позволили установить, что после 4 циклов РКУП-ПК, в УМЗ-сплаве образуются дисперсные выделения вторичной упрочняющей фазы размером 10-20 нм (рис. 4, области А и В). Судя по морфологическим признакам и результатам работ [4, 7], посвященных исследованию особенностей структуры сплава 6061 после обработки традиционным РКУП, осуществленной при схожих температурных условиях, это - частицы фазы Mg2Si. Наличие
Таблица 1. Характеристики микроструктуры сплава 6061, определенные методом
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.