научная статья по теме РАСПАД ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА В ТРОЙНОМ СПЛАВЕ MG-ND-Y Физика

Текст научной статьи на тему «РАСПАД ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА В ТРОЙНОМ СПЛАВЕ MG-ND-Y»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2004, том 97, № 1, с. 71-77

_ СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ^^^^^^^^^^

ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 669.721'857'794:621.785.78

РАСПАД ПЕРЕСЫЩЕННОГО ТВЕРДОГО РАСТВОРА В ТРОЙНОМ СПЛАВЕ МО-Ш-У

© 2004 г. Л. Л. Рохлин, Т. В. Добаткина, В. Н. Тимофеев, И. Е. Тарытина

Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, 119991 ГСП-1, Москва, Ленинский пр., 49 Поступила в редакцию 26.03.2003 г.; в окончательном варианте - 11.06.2003 г.

Изучена кинетика и структурные превращения при распаде пересыщенного твердого раствора на основе магния в тройном сплаве М§-3%№-8.5%У. Показано, что по сравнению с двойными сплавами с тем же содержанием неодима и иттрия распад магниевого пересыщенного твердого раствора сопровождается более высоким эффектом упрочнения и большим обеднением магниевого твердого раствора. Исследования структуры тройного сплава М§-Щ-У и тройная диаграмма состояния М§-Щ-У дают основания считать, что особенности кинетики и упрочнения в нем при распаде пересыщенного твердого раствора связаны с возможностью растворения одного из редкоземельных металлов в продуктах распада другого редкоземельного металла при распаде пересыщенного твердого раствора в соответствующих двойных магниевых сплавах.

ВВЕДЕНИЕ

Магниевые сплавы, содержащие в качестве легирующих добавок редкоземельные металлы, характеризуются высокими прочностными свойствами, особенно при повышенных температурах и в связи с этим представляют интерес для использования в промышленности в качестве легких конструкционных материалов [1, 2]. Особенностью редкоземельных металлов как легирующих добавок к магниевым сплавам является существенная разница между ними в их влиянии на свойства сплавов и их поведение при термической обработке. В значительной степени прочностные свойства магниевых сплавов с редкоземельными металлами определяются возможностью протекания в них распада пересыщенного твердого раствора на основе магния, который сопровождается упрочнением. К числу редкоземельных металлов, которые уже нашли практическое применение в качестве легирующих добавок к магниевым сплавам относятся неодим и иттрий.

Процесс распада пересыщенного твердого раствора в двойных сплавах магния с неодимом и иттрием изучался в работах [3-6]. Было установлено, что кинетика распада пересыщенного твердого раствора и сопровождающие его структурные превращения в обоих двойных сплавах различные. Отличительной особенностью распада пересыщенного твердого раствора в двойных сплавах магния с иттрием является существование латентного периода при небольшой продолжительности изотермического старения и образование орторомбической фазы с параметрами а = 4ё100Мё = 1.112 нм, Ь = 2аМё = 0.642 нм, с = сМё = 0.521 нм на

стадии максимума упрочнения и вблизи него [6]. В структуре М§-У сплавов на стадии латентного периода имеет место упорядочение М§3Сё типа. В сплавах магния с неодимом при изотермическом старении латентный период не наблюдается и упрочнение происходит уже при первых небольших выдержках. Распад пересыщенного твердого раствора в М§-Ш сплавах начинается с образования зон ГП. Затем происходит упорядочение М§3Сё типа и выделение фазы в виде пластин по призматическим плоскостям (100) кристаллической решетки магния.

Согласно тройной диаграмме состояния М§-Ш-У [7], в равновесии с магниевым твердым раствором в системе находятся только две фазы, которые представляют собой ближайшие к магнию равновесные соединения в двойных системах и М§-У. В соответствии с этим можно предполагать, что в тройных сплавах М§-Ш-У при распаде пересыщенного твердого раствора на основе магния будут происходить параллельно две последовательности фазовых превращений, присущие распаду пересыщенных твердых растворов на основе магния в каждой из двойных систем. Как следствие, кинетика распада пересыщенного твердого раствора в тройных сплавах М§-Ш-У, в структуре которых могут присутствовать обе равновесные фазы, может отличаться от кинетики распада пересыщенного твердого раствора в двойных сплавах М§-Ш и М§-У и иметь свои особенности. Целью настоящей работы являлось - установить особенности кинетики распада пересыщенного твердого раствора на основе магния в тройных сплавах М§-Ш-У, в которых можно предполагать протекание одновременно фазовых

превращений по типу, характерному для сплавов Mg-Nd, и по типу, характерному для сплавов Mg-Y.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

Исследование проводилось на трех сплавах, два из которых являлись двойными сплавами Mg-3%Nd и Mg-8.5%Y, а третий - тройной сплав Mg-3%Nd-

8.5%Y1 с тем же содержанием неодима и иттрия, как и в двойных сплавах. Содержание неодима и иттрия в сплавах было выбрано таким образом, чтобы в них можно было получить достаточно пересыщенный твердый раствор на основе магния, учитывая, что максимальная растворимость неодима в твердом магнии при эвтектической температуре 552°С составляет 3.6%, а максимальная растворимость иттрия в твердом магнии при эвтектической температуре 565°С составляет 12.0% [8]. При этом соотношение неодима и иттрия было таковым, что согласно равновесной диаграмме состояния [7], в равновесии с магниевым твердым раствором могли одновременно присутствовать обе равновесные фазы, одна - системы Mg-Nd, а другая - системы Mg-Y.

Сплавы выплавлялись в электрической печи сопротивления в стальных тиглях с использованием покровного флюса ВИ2, содержащего 38-46% MgCl2, 32-40% KCl, 3-5% CaF2, 5-8% BaCl2, 1.5% MgO, <8% (NaCl + CaCl2) [9], предохраняющего расплав от возгорания. В качестве исходных материалов при плавке использовали металлы чистотой: 99.96% Mg, неодим 99.85% Nd, иттрий 99.87% Y. В процессе плавки неодим и иттрий вводились в расплав в виде предварительно приготовленных лигатур Mg-33.4% Nd и Mg-35.1% Y, приготовленных из тех же исходных материалов. Сплавы отливались в стальную изложницу в цилиндрические слитки диаметром 15 и высотой 90 мм. Слитки разрезались на образцы, которые гомогенизировались при 510°С в течение 6 ч с последующей закалкой в воду при комнатной температуре с тем, чтобы получить в них пересыщенный твердый раствор на основе магния. Затем следовало изотермическое старение при обычных для магниевых сплавов температурах, 200, 225 и 250°С, продолжительностью до 128 ч.

Процесс распада пересыщенного твердого раствора редкоземельных металлов в магнии контролировался путем измерения твердости и удельного электросопротивления. Твердость измерялась по методу Бринеля на приборе ТШ-2М при нагрузке 250 кг и диаметре стального шарика 5 мм. Значения твердости выражались в кг/мм2. Удельное электросопротивление измерялось компенсационным методом на установке, собранной на базе низкоомного потенциометра Р-348. Рассчитанная

1 Здесь и далее по тексту состав сплавов приводится в масс. %

погрешность измерений составляла ±0.7%. При растворении редкоземельных металлов в магниевом твердом растворе удельное электросопротивление увеличивается, так что его уменьшение при старении должно было указывать, что магниевый твердый раствор обедняется легирующим элементом. Изменение твердости при изотермическом старении происходило по кривым с максимумом, время достижения которого давало возможность оценить кинетику распада пересыщенного твердого раствора на основе магния. Кроме того, на основании изменения твердости можно было судить об эффекте упрочнения в сплавах при распаде пересыщенного твердого раствора. В случае изотермического старения при выбранной температуре все измерения твердости и удельного эле-тросопротивления осуществлялись на одном и том же образце (для измерений твердости и удельного электросопротивления - свой образец). Это делалось для того, чтобы исключить из рассмотрения разброс в получаемых значениях свойств, который мог бы быть обусловлен использованием различных образцов сплавов.

Структура сплавов изучалась методом просвечивающей электронной микроскопии на электронном микроскопе ХЕМ-1000 (ХБОЬ, Япония) при ускоряющем напряжении 500 кВ. Тонкие пленки для исследования готовились путем травления в 20%-ном растворе НКО3 в спирте с промывкой в спирте.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис.1 приведены результаты измерения твердости сплавов при изотермическом старении при выбранных температурах. В соответствии с увеличением содержания легирующих элементов твердость сплавов в закаленном состоянии и при всех режимах старения оказывается наименьшей для сплава Mg-3%Nd, промежуточной для сплава Mg-8.5%Y и наибольшей для тройного сплава Mg-3%Nd-8.5%Y. Сплав Mg-3%Nd при старении упрочняется в соответствии с кривой с максимумом, который при повышении температуры старения смещается в сторону меньших выдержек. Абсолютные значения повышения твердости двойного сплава Mg-3%Nd при старении невелики - до ~25 НВ (кг/мм2). Однако, относительный прирост твердости этого сплава оказывается существенным - до ~60%.

Для двойного сплава Mg-8.5%Y твердость изменяется, как и следовало ожидать, с латентным периодом. Интенсивный прирост твердости у этого сплава имеет место после латентного периода и, соответственно, при больших выдержках, чем у двойного сплава Mg-3%Nd. При этом в случае старения при 200°С максимум твердости, очевидно, не достигается при наибольшей выдержке в 128 час. При 225°С наибольшая выдержка, оче-

видно, близка к максимуму твердости, а при 250°С появление максимума твердости не прослеживается. С повышением температуры старения упрочнение сплава М§-8.5%У в результате распада пересыщенного твердого раствора становится меньшим, так что при 250°С оно практически отсутствует при использованных выдержках. Такой характер изменения упрочнения при старении в сплаве М§-8.5%У с повышением температуры старения согласуется с результатами работы [6]. В работе [6] на двойном сплаве магния с иттрием, но с более высоким его содержанием также наблюдалось уменьшение упрочнения при повышении температуры старения, так что при 250°С упрочнение в результате старение при 250°С практически отсутствовало.

Кинетика и эффект упрочнения при старении тройного сплава М§-3%Ш-8.5%У отличаются от кинетики и эффекта упрочнения при старе

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.

Показать целиком