научная статья по теме СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАРЕЮЩЕГО СПЛАВА AL–LI–CU–ZR–SC–AG ПОСЛЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ Физика

Текст научной статьи на тему «СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАРЕЮЩЕГО СПЛАВА AL–LI–CU–ZR–SC–AG ПОСЛЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ ПОД ДАВЛЕНИЕМ»

СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ

УДК 66971884'3 '296:539.214

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА СТАРЕЮЩЕГО СПЛАВА Al-Li-Cu-Zr-Sc-Ag ПОСЛЕ МЕГАПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ КРУЧЕНИЕМ

ПОД ДАВЛЕНИЕМ

© 2015 г. Л. И. Кайгородова*, Д. Ю. Распосиенко*, В. Г. Пушин*, В. П. Пилюгин*, С. В. Смирнов**

*Институт физики металлов УрО РАН, 620137Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18 **Институт машиноведения УрО РАН, 620049 Екатеринбург, ул. Комсомольская, 34

e-mail: dmitrijrasp@gmail.com Поступила в редакцию 18.06.2013 г.; в окончательном варианте — 15.09.2014 г.

Изучены структурные и фазовые превращения в промышленном стареющем алюминий-литиевом сплаве Al — 1.2 Li — 3.2 Cu — 0.09 Zr — 0.11 Sc — 0.4 Ag — 0.3 Mg в состоянии поставки, а также после мегапластической деформации кручением под высоким давлением 4 ГПа на 1, 5 и 10 оборотов. Обнаружено, что в сплаве реализуется деформационно-индуцированная нанофрагментация и динамическая рекристаллизация, степень развития рекристаллизации повышается с возрастанием величины деформации. Процессы нанофрагментации и рекристаллизации сопровождаются деформа-ционно-индуцированным распадом твердого раствора, изменением как механизма зарождения выделений, так и фазового состава сплава. Обсуждается влияние наноструктурного нанофазного состояния сплава на уровень его механических свойств (микротвердость, пластичность, модуль упругости, жесткость).

Ключевые слова: мегапластическая деформация, кручение под высоким давлением, старение, рекристаллизация, распад пересыщенного твердого раствора, нанокристаллическая структура, границы, фаза, дислокации, вакансии, микротвердость.

DOI: 10.7868/S0015323015040087

ВВЕДЕНИЕ

Настоящая работа посвящена исследованию влияния мегапластической деформации (МПД) на структуру и свойства промышленного стареющего алюминий-литиевого сплава нового поколения марки 1469, дополнительно содержащего 0.4% Л§. Известно, что легирование серебром оказывает влияние на структуру и свойства алюминиевых сплавов с обычной микрокристаллической (МК) структурой. Так, в [1] было показано, что легирование магнием и серебром широко используемых в аэрокосмической отрасли сплавов на основе системы алюминий—медь улучшает их механические свойства, поскольку малые добавки этих элементов препятствуют огрублению выделяющихся при распаде пересыщенного твердого раствора фаз 9' и 9 (Л12Си) и способствуют образованию новых фаз: 8' (Л12СиМ§) и ^ (^-фаза содержит Л§, но ее химический состав и структурный тип пока точно не установлены). Согласно литературным данным, выделение ^-фазы в сплавах системы Л1—Си—М§ с добавкой Л§ благоприятно влияет на их свойства при повышенных температурах [2].

Легирование серебром изменило структуру и свойства применяющихся в аэрокосмической технике сплавов системы алюминий — магний с высоким содержанием магния. Так, было обнаружено, что после длительного естественного старения сплав Л1—с 0.2% Л§ приобрел более высокие прочностные и пластические свойства благодаря подавлению гетерогенного зарождения выделений Р-фазы (Л12М§3) в виде непрерывной пленки по границам зерен и стабилизации образовавшихся при кристаллизации малоугловых границ [3].

Ранее нами было показано [4], что в алюминий-литиевом сплаве 1450, легированном добавками 8с и М§, в результате МПД происходит образование наномасштабной зеренно-субзеренной структуры. При МПД в сплаве формируются равноосные нанофрагменты диаметром 40—150 нм, величина и размерная однородность которых определяются режимом деформации. Последующий низкотемпературный отжиг, при котором одновременно реализовались процессы рекристаллизации и распада пересыщенного твердого раствора, привел к формированию ультрамелкозернистой структуры и выделению фаз нанораз-

мерного масштаба. Следует особо отметить, что изменение зеренной структуры сплавов от обычной микрокристаллической к субмикро- (СМК) или нанокристаллической (НК) обычно эффективно влияет на его фазовый состав, морфологию и механизмы зарождения выделившихся нанофаз [4].

В соответствии с вышеизложенным, представляло интерес исследование особенностей структурных и фазовых превращений при формировании НК-структуры в сплаве 1469 (табл. 1), подвергнутом МПД, а также установление их взаимосвязи с механическими свойствами. Кроме того, была изучена МК-структура сплава в состоянии поставки и после термообработки на максимальную прочность, с которой в дальнейшем сопоставляли структуру, формирующуюся при МПД.

Для установления действия добавки Л§ на процессы нанофрагментации и рекристаллизации, сопоставляли структуры сплавов 1469 и 1450 (составы сплавов приведены в табл. 1, 2) после идентичных режимов МПД. Это сравнение достаточно обосновано, так как химические составы сплавов отличаются содержанием Ы (на сегодняшний день нет данных, указывающих на зависимость характера зеренной структуры от содержания Ы в подобных сплавах) и добавкой Л§.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА

Исследовали промышленный сплав 1469 с МК-структурой в состоянии поставки и после термообработки на максимальную прочность, а также с НК-структурой, формирующейся после МПД. Химический состав сплава в мас. % приведен в табл. 1. При изучении структуры сплава в исходном состоянии использовали образцы, вырезанные из листов толщиной 2 мм. Для получения максимальной прочности образцы сплава закаливали от 530°С, 15 мин в воде и далее подвергали искусственному старению при 160°С, 30 ч. МПД сплава в закаленном состоянии при давлении 4 ГПа осуществляли в наковальнях Бриджме-на при комнатной температуре. Образцы для деформации представляли собой диски диаметром 15 мм и толщиной 2 мм. Используемые режимы МПД приведены в табл. 3. Расчет истинной деформации проводили для точек, лежащих на 1А радиуса образца.

Механические свойства сплава с МК-структу-рой после термообработки на максимальную прочность и с НК-структурой после МПД (микротвердость, модуль упругости, жесткость и пластичность) измеряли методом инструментального индентирования на инструментированном микротвердомере FISHERSCOPE 2000 с алмазным индентором Виккерса. Образцы для испытаний готовили шлифовкой на наждачной бумаге с последующей механической полировкой для по-

Таблица 1. Химический состав сплава 1469 (в мас. %)

Си Li Zr Sc Ag Mg Al

3.2 1.2 0.09 0.11 0.4 0.3 Ост.

Таблица 2. Химический состав сплава 1450 (в мас. %)

Си Li Zr Sc Mg Al

3.1 2.0 0.1 0.8 0.96 Ост.

Таблица 3. Режимы мегапластической деформации

Давление Р, ГПа 4 4 4

Число оборотов п 1 5 10

Угол поворота ф, п рад 2 10 20

Истинная степень деформации 7.0 8.6 9.3

на 1А радиуса диска е

лучения плоскопараллельных поверхностей без неровностей и шероховатостей. Испытания образцов проводили на 1А их радиуса при нагрузках 150 и 500 мН. При каждой нагрузке на образец наносили по 5 отпечатков на расстоянии 50 мкм друг от друга. Для нахождения твердости и модуля упругости E применяли методику Оливера и Фар-ра [5]. Твердость образца по Майеру (HM), по Вик-керсу (H) и инструментальную (HIT) рассчитывали по глубине вдавливания индентора в соответствии с ISO 14577, приведенный модуль упругости — по кривой разгрузки. По кривым "нагружение/раз-грузка" рассчитывали характеристику пластичности как отношение работы пластической деформации к полной работе при внедрении индентора [6], показатель жесткости — как отношение H/E.

Особенности МК-структуры и распада пересыщенного твердого раствора сплава в исходном состоянии и после термообработки изучали в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) Quanta 200-Pegasus (при ускоряющем напряжении 30 кВ), использовав в том числе метод дифракции обратно рассеянных электронов (ДОРЭ), и в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ) JEM-200 СХ методом тонких фольг. Исследование структурных и фазовых превращений в сплаве после МПД осуществляли электронно-микроскопически на просвет в микроскопе JEM-200 СХ. При определении размеров образующихся при МПД нанофрагмен-тов, нано- и субмикрокристаллических зерен применяли геометрический метод случайных секущих. Все структурные исследования проводили в центре коллективного пользования ИФМ УрО РАН.

(а)

(б)

ь, _ чип«

I С

& ' 'Г? «I

У '

л»

ЛГ Г-л 3 «л-

у.

И .>»

. *

а. *

* А <>

У ■

20 мкм

я-

А

г V

*

V . 5"

*

а в ■

у

* 1

л г

.1 ^

*

-Л. ' I

20 мкм

2

(в)

50

ад

р 40

«

и

я

а

н о

я

и р

о т

а Р

(Г)

30

20

10

0 123456789 10 11 1213 14 1516 1718 Расстояние, мкм

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Расстояние, мкм

Рис. 1. Типичная микроструктура сплава 1469 в состоянии поставки:

а, б — изображения зеренно-субзеренной структуры, полученные на сканирующем электронном микроскопе методом ДОРЭ; в, г — графики разориентации от точки к точке между зернами-субзернами по линиям сканирования 1 и 2, соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Сплав в исходном микрокристаллическом состоянии

Структура сплава в состоянии поставки. Проведенный структурно-текстурный анализ методом ДОРЭ выявил, что в состоянии поставки структура сплава характеризовалась разнозерни-стостью (рис. 1а, 1б). Преимущественный размер

зерен составлял 5—10 мкм, хотя в отдельных участках образцов встречались зерна размером до 50 мкм (рис. 1б). Границы зерен имели, как правило, большеугловую разориентацию (см. рис. 1в). Все зерна, особенно более крупные (диаметром 10—50 мкм), содержали субзерна с малоугловыми границами при углах разориентации не более 2°, размеры субзерен, как правило, не превышали 1 мкм (рис. 1в, 1г).

(а)

(в)

9 *А ' К /.' -А*

$ 4 Л

V '

* ш *

(г) 150 нм ■ ! 1

Рис. 2. Микроструктура сплава 1469 после отжига при 160°С, 30 ч:

а — светлопольное изображение; б — темнопольное изображение в рефлексе (102)т1 в — микроэлектронограмма с осью зоны [110]д!; г — темнопольное изображение в сверхструктурном рефлексе (110 )А1 2г.

Структура сплава после старения при 160° С, 30 ч. После закалки от 530°С и последующего искусственного старения преимущественный размер зерен в исследуемом сплаве сохранился в пределах 5—10 мкм. Кроме того, как и в состоянии поставки, присутствовали субзерна, изображение од

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