ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 98, № 2, с. 116-128
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.7172174:539.89:539.4
ПРОЧНОСТЬ И ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ПРОМЫШЛЕННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ 1560 И 5083 СИСТЕМЫ АМ^-Мп ПОСЛЕ ИНТЕНСИВНОЙ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ УГЛОВЫМ ПРЕССОВАНИЕМ
© 2004 г. М. В. Маркушев, М. Ю. Мурашкин
Институт проблем сверхпластичности металлов РАН, 450001 Уфа, ул. Ст. Халтурина, 39
Поступила в редакцию 29.12.2003 г.
Рассмотрены особенности влияния субмикро- и микрокристаллической (СМК и МК) структуры, полученной в прутке и плитах сплавов 1560 (Al6.5Mg0.6Mn) и 5083 (Al4.4Mg0.7Mn0.15Cr) интенсивной пластической деформацией (ИПД) угловым прессованием и последующим отжигом, на характеристики их статической прочности и трещиностойкости. Установлено, что сплавы с СМК фрагмен-тированной структурой (после ИПД) показывают прочность на 10-15% выше, чем сплав 1560 в нагартованном состоянии, но их трещиностойкость в 2-5 раз ниже, чем с МК-структурой (после прессования и отжига при 350°С). Отжиг ИПД-сплавов при 200°С, приведший к устранению неравновесности фрагментированной структуры и ее трансформации в СМК зеренную, на фоне незначительного снижения прочности, вызвал падение характеристик пластичности и трещиностойкости прутка сплава 1560 и их рост в плитах обоих сплавов. При этом трещиностойкость плит сплава 5083 практически достигла уровня разупрочненного МК-состояния. Проведен анализ причин такого противоположного поведения сплавов. Показано, что превалирующую роль на механические свойства оказывают различия в фазовом составе сплавов после ИПД, в частности, в объемной доле вторичных выделений в-фазы (Al3Mg2).
Актуальной задачей современного материаловедения является разработка новых способов деформационно-термической обработки (ДТО) традиционных металлических материалов, обеспечивающих заметное повышение их конструкционной прочности за счет целенаправленного изменения структуры. Один из подходов ее реализации для промышленных полуфабрикатов заключается в использовании ресурса так называемой интенсивной пластической деформации (ИПД) [1-7]. К наиболее эффективным способам ИПД относятся равноканальное и комплексное угловое прессование (РКУП и КУП) [1, 8], заключающиеся в придании массивным заготовкам многократной (преимущественно сдвиговой) деформации в зоне пересечения каналов и позволяющие измельчать их зеренную структуру до субмикрокристаллических (СМК) размеров (от 1 до 0.1 мкм).
Судя по результатам ряда работ, например [2, 9-14], формирование СМК-структуры угловым прессованием в различных металлах и сплавах, в том числе и на основе алюминия, приводит к значительному повышению характеристик их статической прочности при комнатной температуре. Однако к такому заключению авторы исследова-
ний зачастую приходили, сравнивая свойства интенсивно пластически деформированных (т.е. дефор-мационно-упрочненных) и отожженных (разупроч-ненных), не подвергнутых серийным методам деформационного и/или термического упрочнения материалов. Сопоставление статической прочности серийно обработанных и СМК алюминиевых сплавов, проведенное нами в работе [15], показало, что опробованные на сегодняшний день схемы ДТО и конструкции оснастки для углового прессования в действительности могут быть эффективны лишь для технически чистого алюминия, термически неупрочняемых и низколегированных термически упрочняемых сплавов. Причем эффект от обработки ИПД на параметры прочности и пластичности для перечисленных материалов не однозначен и в значительной степени зависит от схемы ДТО и режимов ее выполнения, и, как результат, определяется особенностями СМК-строения обработанных заготовок. Так, обработка технически чистого алюминия (сплав 1100), включавшая многократное РКУ-прессование при комнатной температуре, привела к формированию в нем СМК фрагментированной структуры и повысила, в сравнении с полной нагартовкой (Н19), условный предел его текучес-
ти со 152 до 190 МПа при одновременном почти двукратном повышении относительного удлинения [16]. А после аналогичной обработки термически неупрочняемых сплавов 5-тысячной серии отмечался выигрыш лишь в их прочности. Наиболее эффективной, с точки зрения улучшения свойств таких сплавов, оказалась обработка, приводящая к формированию СМК зеренного строения [15].
Судить, однако, о повышенных эксплуатационных характеристиках СМК-материалов, основываясь только на оценке статической прочности по результатам одноосного растяжения образцов, не совсем корректно, так как она не дает необходимой и достаточной информации о способности материала обеспечить надежность изделий при эксплуатации. Общеизвестно, что напряжение, вызывающее разрушение образца при таких испытаниях, не характеризует возможное поведение материала в конструкции в случае появления и развития в ней трещины. В реальных условиях эксплуатации трещины возникают и распространяются под действием напряжений, существенно более низких, чем условный предел текучести, определенный при растяжении. При этом параметры сопротивления зарождению трещины и сопротивления ее распространению становятся определяющими для характеристики надежности материала в изделии, соответственно уровня его "безопасного ресурса" и "безопасной повреждаемости".
Исследования влияния структурного состояния на свойства ряда чистых металлов, сталей, алюминиевых сплавов и сплавов на других основах, проведенные в последние десятилетия прошлого века, позволили, в частности, установить, что измельчение их зерен от крупно- до микрокристаллических (МК) (~5-10 мкм) размеров затрудняет образование в них трещин, но одновременно облегчает распространение последних [1721]. Причем эта тенденция оказалась общей и отмечалась при статическом, ударном и переменном нагружении (усталости). Вопрос же о том, как изменятся характеристики трещиностойкос-ти при дальнейшем уменьшении зерен металлических материалов до субмикронных размеров, до настоящего времени остается открытым и малоизученным.
Исходя из сказанного выше, основной задачей настоящего исследования являлась оценка влияния СМК-структуры и особенностей СМК структурных состояний, получаемых с использованием ИПД угловым прессованием, на характеристики статической прочности трещиностойкости термически неупрочняемых алюминиевых сплавов. Для этого уровень свойств СМК-сплавов сопоставляли с достигаемым при измельчении их зерен до МК-размеров и после серийных обработок, а
также анализировали природу обнаруженных эффектов структуры на свойства сплавов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материалов исследования были выбраны промышленные сплавы системы А1-М§-Ми 1560 (A16.5Mg0.6Mn) и 5083 (A14.4Mg0.7Mn0.15Cr), нашедшие широкое применение для изготовления силовых конструкций в судостроении, химической промышленности и транспортном машиностроении [22, 23]. Из горя-чепрессованного прутка 0120 мм сплава 1560 и катаной плиты толщиной 100 мм сплава 5083 механической обработкой изготавливали прутковые заготовки (020 х 120 мм) и плиты (25 х 120 х х 120 мм). Их подвергали интенсивной пластической деформации РКУ- и КУ-прессованием соответственно. Деформационную обработку заготовок осуществляли в штамповых блоках с углом пересечения каналов 90° в изотермических условиях (точность поддержания температуры ±10°С) в температурном интервале 300-170°С. Прутки сплава 1560 прессовали до истинной деформации е ~ 9 за 8 проходов с поворотом вокруг оси на 90° после каждого цикла, а плиты обоих сплавов до е ~ 14 за 12 проходов. Нагрев и постдеформационные отжиги заготовок проводили в воздушной среде в печах типа СНОЛ с точностью поддержания температуры не менее ±5°С.
Аттестацию структурных состояний сплавов проводили на образцах, вырезанных из центральной части отпрессованных заготовок. Тонкую структуру анализировали на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2000EX. Средний размер СМК-зерен (фрагментов) (С) определяли по измерению средних диаметров не менее 150 зерен (размер фрагментов контролировали в темно-польном изображении). Средний размер МК-зерен определяли методом секущих, по измерению не менее 350 зерен, с использованием полуавтоматического оптического анализатора структуры Ерь quant. Абсолютная погрешность измерений не превышала 5%.
Рентгеноструктурный анализ проводили на ди-фрактометре ДРОН-3М. Среднеквадратичную микродеформацию кристаллической решетки ((е2)1/2) сплавов рассчитывали методом гармонического анализа [24] с использованием двух дифракционных линий (111) и (222) первого и второго порядка отражения. Период кристаллической решетки а определяли согласно рекомендациям [25] по прецизионной съемке дифракционных линий (331), (420) и (422). Погрешность измерения а не превышала ±0.0005 А. Фазовый анализ проводили с использованием пакета прикладных компьютерных программ. Съемку осуществляли методом пошагового сканирования с шагом 0.02° и време-
Таблица 1. Характеристики структуры сплавов 1560 и 5083
Сплав Заготовка Состояние Структура й, мкм <е2)1/2, % а, А
1560 Пруток 0 120 мм Исходное Волокнистая - 0.0281 ± 0.0043 4.0812 ± 0.0005
Пруток 0 20 х 120 мм А СМК фрагм. 0.40 ± 0.02 0.1318 ± 0.0087 4.0717 ± 0.0005
Б СМК зерен. 0.45 ± 0.02 0.0311 ± 0.0039 4.0666 ± 0.0005
В МК зерен. 5.0 ± 0.2 0.0249 ± 0.0031 4.0805 ± 0.0005
Плита 25 х 120 х 120 мм А СМК фрагм. 0.40 ± 0.02 0.1520 ± 0.0094 4.0698 ± 0.0005
Б СМК зерен. 0.50 ± 0.03 0.0378 ± 0.0047 4.0664 ± 0.0005
5083 Плита толщ. 100 мм Исходное Волокнистая - 0.0256 ± 0.0033 4.0716 ± 0.0005
Плита 25 х 120 х 120 мм А СМК фрагм. 0.40 ± 0.02 0.1160 ± 0.0079 4.0626 ± 0.0005
Б СМК зерен. 0.50 ± 0.03 0.0618 ± 0.0047 4.0646 ± 0.0005
В МК зерен. 8.1 ± 0.3 0.0273 ± 0.0029 4.0716 ± 0.0005
нем экспозиции 30 с в Си-^а-излучении с использованием графитового монохроматора на дифрагированном пучке.
Твердость по Бринеллю (НВ) определяли по ГОСТ 9012-59 на приборе ТШ-2.
Механические испытания проводили при комнатной температуре на машине 1ш1гоп 1185. Характеристики прочности (условные пределы текучести а02 и прочности ав, истинное сопротивление разрыву 5К) и пластичности (относительные удли
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.