ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2008, том 106, № 4, с. 439-448
= ПРОЧНОСТЬ И ПЛАСТИЧНОСТЬ =
УДК 669.715:539.89:539.24'25
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА 1421 ПОСЛЕ РКУ-ПРЕССОВАНИЯ И ИЗОТЕРМИЧЕСКОЙ ПРОКАТКИ
© 2008 г. A. А. Могучева, Р. О. Кайбышев
Белгородский государственный университет, 308015 Белгород, ул. Победы, 85 Поступила в редакцию 09.10.2007 г.; в окончательном варианте - 15.01.2008 г.
Листы из алюминиевого сплава 1421 с ультрамелкозернистой (УМЗ) структурой и слабой кристаллографической текстурой были изготовлены методом равноканального углового (РКУ) прессования в штампе с прямоугольным сечением каналов и последующей изотермической прокаткой. Обе операции были проведены при температуре 325°С. Показано, что интенсивная пластическая деформация (ИПД) приводит к формированию в сплаве полностью рекристаллизованной однородной микроструктуры со средним размером зерна 1.6 мкм. При комнатной температуре сплав 1421 демонстрирует высокие показатели статической прочности (ов = 545 МПа, о02 = 370 МПа) при отсутствии существенной анизотропии. При температурах горячей деформации сплав показал сверхвысокие удлинения в режиме сверхпластичности (СП). При температуре 450°C и начальной скорости деформации 1.4 х 10-2 с-1 максимальное значение удлинения до разрушения составило ~2700%. При статическом отжиге при температуре СП-деформации УМЗ-структура, образовавшаяся в процессе ИПД, остается стабильной. СП-деформация сопровождается незначительным ростом зерен и порообразованием.
PACS: 62.20.Fe, 81.40.Lm
ВВЕДЕНИЕ
Свариваемые Л1-Ы-М§ сплавы являются перспективными для самолетных конструкций, так как обладают малой плотностью, приемлемой прочностью и высоким сопротивлением распространению трещины [1, 2]. Однако в крупнозернистом состоянии Л1-Ы-М§ сплавы демонстрируют ограниченную технологическую пластичность и низкие служебные свойства, связанные с локализацией деформации. Кроме того, имеет место ярко выраженная анизотропия механических свойств, которая делает невозможным получение целого ряда самолетных деталей требуемого качества. Формирование в этих сплавах рекристаллизованной УМЗ-структуры позволяет получить высокие прочностные и пластические характеристики, и, самое главное - изотропию механических свойств [1]. Другим следствием формирования УМЗ-структуры в полуфабрикатах Л1-Ы-М§ сплавов является экстраординарное повышение технологической пластичности, что позволяет прокатывать тонкие листы из этих материалов и производить из них различные детали методом пневмоформовки в состоянии СП [1, 3, 4]. По этим причинам разработка промышленной технологии производство тонких листов из Л1-Ы-М§ с УМЗ-структурой представляет большой практический интерес. Однако работы, выполненные в последние 30 лет, наглядно показали, что данная задача не имеет удовлетворительного решения в рамках существующих технологических
процессов. Традиционная термомеханическая обработка (ТМО), состоящая из холодной или горячей прокатки и рекристаллизационного отжига, не применима к Л1-Ы-М§ сплавам из-за низкой технологической пластичности и склонности к образованию трещин при низких температурах. Следовательно, создание технологии получения листов Л1-Ы-М§ сплавов с полностью рекристаллизованной УМЗ-структурой возможно только на базе нетрадиционных технологических процессов.
В недавно опубликованных работах было показано, что УМЗ-структура в Л1-Ы-М§ сплавах формируется в процессе РКУ-прессования при повышенных температурах [3-5]. Это открывает возможность для создания технологии получения тонких листов из данных сплавов, состоящей из двух операций. Первой операцией является РКУ-прессование, цель которой - формирование УМЗ-структуры. Вторая операция - это листовая прокатка, которая обеспечивает получение формы листа. При подборе оптимальных значений температуры, степени и скорости прокатки ее использование возможно для повышения однородности микроструктуры и даже для уменьшения анизотропии. Однако до настоящего времени технология РКУ-прессования позволяла получать только образцы в форме прутков с квадратным или круглым поперечным сечением [6, 7], прокатать которые в тонкий и широкий лист можно, лишь применяя специальные методы прокатки. Хорошо
известно, что классическая листовая прокатка позволяет изготавливать тонкие листы из плит, имеющих прямоугольное поперечное сечение, причем ширина плит и листов должна быть почти одинаковой. Поэтому для того, чтобы создать промышленную технологию изготовления листов из А1-Ы-М§ сплавов с УМЗ-структурой необходимо разработать такую схему РКУ-прессо-вания, которая позволяла бы получать заготовку в виде плит. Такие заготовки могут быть изготовлены с использованием РКУ-оснастки с прямоугольной формой каналов [6, 8, 9].
Для получения изотропной и однородной структуры в высоколегированных алюминиевых сплавах необходимо, чтобы РКУ-прессование и последующая прокатка выполнялись в изотермических условиях при близких температурах [3-5, 9]. Такая ТМО позволяет изготавливать тонкие листы из алюминиевых сплавов с УМЗ-структурой [12]. Стоит также отметить, что прокатка, называемая в дальнейшем изотермической прокаткой, проводится с использованием валков, нагретых до температуры заготовки. В литературе отсутствуют сведения о применимости такой двухстадийной ТМО для получения тонких листов из А1-Ы-М§ сплавов. Поэтому целью данного исследования было проверить эту возможность.
В настоящей работе показано, что тонкие листы из сплава 1421 (А1-Ы-М§-8е) с УМЗ-структурой могут быть изготовлены методом РКУ-прессования с прямоугольной формой каналов и последующей изотермической прокаткой. Кроме того, приводятся данные о влиянии ТМО на структуру и механические свойства листов сплава 1421 при различных температурах. Особое внимание уделено исследованию характеристик сверхпластичности этих листов, так как они имеют большое значение для изготовления деталей сложной формы методом пневмоформовки.
МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
Используемый в работе алюминиевый сплав 1421, следующего химического состава: А1-5.1%М§-2.1%П-0.17%8е-0.08%2г был получен методом полунепрерывного литья и гомогенизирован при 425°С в течение 12 ч. После этого сплав подвергали обратному прессованию в интервале температур 360-390°С со степенью обжатия 60%.
Заготовка прямоугольной формы размером 125 х 125 х 25 мм была вырезана вдоль оси предыдущего прессования и деформировалась в изотермических условиях в оснастке с ¿-образной конфигурацией каналов, угол между которыми составлял 90°, а внешний угол пересечения каналов Т = 0° [8, 9]. Данная конфигурация обеспечивает
величину истинной степени деформации, близкой к 1 за один проход заготовки через канал [8]. Суммарная степень деформации определялась, как произведение количества проходов и степени деформации за один проход. Заготовка подвергалась РКУ-прессованию при температуре 325°С до истинной степени деформации ~8; после каждого прохода заготовка поворачивалась вокруг оси X на угол 180°, т.е. использовался маршрут Сх [8], при котором картина сдвига эквивалентна маршруту С в традиционном РКУ-прессовании [10]. Скорость прессования приблизительно составляла 3 мм/с.
Для прокатки в изотермических условиях использовали образцы прямоугольной формы, вырезанные из заготовки, подвергнутой РКУ-прес-сованию. Их размеры составили 115 х 115 х 15 мм. Перед прокаткой эти заготовки нагревались в печи до температуры 325°С. Прокатка осуществлялась в изотермических условиях, с нагревом валков до 325°С, до толщины 1.8 мм, что позволило получить за 8 проходов прокатки полную степень обжатия, равную примерно 88%. Изотермическую прокатку осуществляли с использованием шестивалкового стана, с внутренними валками, диаметром 65 мм и длиной 250 мм, нагреваемыми до температуры 325°С.
Образцы для механических испытаний вырезали таким образом, чтобы направление растяжения совпадало с направлением прокатки. Испытания проводили на плоских образцах с длиной рабочей части, равной 6 мм и 10 мм, и площадью поперечного сечения 1.4 х 3 мм2. Эти образцы деформировали по схеме равноосного растяжения в интервале температур (250-450°С) и скоростей (10-4-10-1 с-1) деформации. При комнатной температуре образцы деформировали со скоростью деформации 5.6 х 10-3 с-1. Механические испытания при комнатной и повышенных температурах проводили на универсальном динамометре 'ТОЗтеОК-1185". Дополнительно для испытаний на растяжение при комнатной температуре вырезали образцы, рабочая часть которых располагалась под углом 45 и 90° к направлению прокатки. Перед испытаниями на растяжение при комнатной температуре образцы подвергали стандартной термической обработке, состоящей от закалки с температуры 460°С в масле и последующего старения при 120°С 6 ч. Другие подробности механических испытаний описаны в работах [3, 4, 9].
Исследования микроструктуры и порообразования проводили в плоскости, параллельной плоскости Ъ (рис. 1) на образцах, деформированных растяжением до разрушения. Поле измерений при исследовании порообразования в деформированных образцах располагали на расстоянии 5 мм от места разрушения образца. Методики оптической металлографии (ОМ), просвечивающей
электронной микроскопии (ПЭМ), изучение порообразования и использованный метод дифракции отраженных электронов (EBSD-анализ) описаны подробно в предыдущих работах [4, 5, 9]. Разориентировку (суб)зеренных границ определяли в растровом электронном микроскопе JEOL JSM-840 SEM, оснащенном EBSD-приставкой INCA Crystal. Толстые и тонкие линии на EBSD-картах указывают большеугловые границы БУГ (>15°) и малоугловые границы МУГ (3-15°) соответственно. Электронно-микроскопические исследования структуры проводили на просвечивающем микроскопе JEOL-2000EX при ускоряющем напряжении 160 кВ.
РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Микроструктура перед РКУ-прессованием.
Металлографические исследования показали, что исходная микроструктура деформированного прутка алюминиевого сплава 1421 характеризуется сильной неоднородностью. Структура состоит из крупных, вытянутых вдоль направления прессования зерен, в приграничных областях
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.