ЖУРНАЛ НЕОРГАНИЧЕСКОЙ ХИМИИ, 2010, том 55, № 11, с. 1816-1824
УДК 544.344.015.3:669.715+669.721.5
УЧЕНИЕ Н.С. КУРНАКОВА О ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОМ АНАЛИЗЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ И МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ В ИНСТИТУТЕ МЕТАЛЛУРГИИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
ИМ. А.А. БАЙКОВА РАН © 2010 г. Л. Л. Рохлин
Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, Москва
Представлен краткий обзор исследований по диаграммам состояния и диаграммам "состав-свойство" алюминиевых и магниевых сплавов, выполненных в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН в соответствии с учением академика Н.С. Курнакова. Отмечаются общая направленность исследований и установленные закономерности.
Развивая учение о физико-химическом анализе, академик Н.С. Курнаков указывал на важность построения диаграмм состояния и диаграмм "состав-свойство" для решения проблем, имеющих практическое значение при изучении различных гетерогенных систем, в том числе систем, образованных с участием металлов [1]. Такого рода подход был реализован при исследованиях легких сплавов на основе алюминия и магния, которые проводились и проводятся в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН. Интерес к алюминиевым и магниевым сплавам с самого начала их промышленного использования (начало XX века) был вызван существенно более низкой плотностью этих материалов по сравнению со сталями при сравнительно высоких прочностных свойствах. Это делало алюминиевые и магниевые сплавы ценным конструкционным материалом для использования в бурно развивающейся в то время авиации. Начиная с начала 50-х годов прошлого столетия значительно повысился интерес к новым алюминиевым и магниевым сплавам в связи с возросшими к ним требованиями, обусловленными увеличением скорости полетов и мощности двигателей авиационной техники, а также развитием ракетной техники и созданием космических аппаратов. Потребовались алюминиевые и магниевые сплавы с более высокими прочностными свойствами и сплавы, способные работать при повышенных температурах в условиях аэродинамических нагревов. Для этих целей необходимо было разработать сплавы, содержащие ранее не использованные легирующие элементы, и первым шагом в этом направлении стали исследования соответствующих диаграмм состояния и диаграмм "состав-свойство".
Исследования диаграмм состояния и диаграмм "состав-свойство" в Институте металлургии и ма-
териаловедения им. А.А. Байкова проводились под руководством А.А. Бочвара, Д.А. Петрова, А.М. Ко-ролькова. Начиная со второй половины 1950-х годов основные работы по алюминиевым и магниевым сплавам выполнялись под руководством М.Е. Дрица и его учеников.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Среди новых легирующих элементов для алюминиевых и магниевых сплавов, которые можно было рассматривать как перспективные для разработки материалов с лучшими рабочими характеристиками, выделялись литий и отдельные редкоземельные металлы (РЗМ). Литий представлял интерес как металл, имеющий очень низкую плотность (0.536 г/см3; для сравнения: алюминий — 2.698 г/см3, магний — 1.74 г/см3 [2]), вследствие чего при его добавках можно было ожидать снижения плотности как алюминиевых, так и магниевых сплавов. В отношении РЗМ, включая иттрий и скандий, было известно, что хотя они близки по химическим свойствам, однако их характеристики в зависимости от атомного номера существенно различаются. Поэтому в случае введения определенных РЗМ можно было ожидать наиболее благоприятных изменений свойств алюминия и магния. Многолетние исследования алюминиевых и магниевых сплавов, осуществленные до 50-х годов прошлого столетия, показали, что наилучшее сочетание прочности, пластичности, коррозионной стойкости и других технологических характеристик наблюдается для этих сплавов в областях концентраций, приблизительно соответствующих протяженности областей твердых растворов на основе алюминия и магния в соответствующих системах. Учитывая это, исследо-
1816
вания диаграмм состояния и диаграмм "состав-свойство" ограничили концентрациями, охватывающими в основном области указанный твердый растворов. Современные промышленные сплавы, как правило, содержат несколько легирующих элементов, а также примеси, попадающие в них с исходными шихтовыми материалами и в результате использования при плавке различных по составу сплавов одних и тех же плавильнык агрегатов. Поэтому наряду с двойными системами алюминиевых и магни-евык сплавов в проведенный работах изучали тройные и более сложные системы с их участием.
Для случая алюминиевык систем, содержащих литий, были изучены диаграммы состояния двойных (А1-И [3]), тройных (А1-И^е [4], [5, 6], А-И-М [7], А1-И-Мп [8], А1-Ь1-8е [9]) и четверныгх (A1-Li-Si-Mg [10, 11], А1-П-М§-Мп [12], A1-Li-Mg-Zn [13], А-И-Мп-Си [14, 15], A1—Li—Mg—Sc) систем [16]. При исследовании диаграммы состояния системы А1-И быта уточнена растворимость лития в твердом растворе на основе алюминия при высоких и низких температурах: 3.5 мас. % (12 ат. %) при 590°С и 1.0 мас. % (3.7 ат. %) при 200°С, знание которой имеет большое значение для выбора составов промышленный сплавов. Выбор для исследования диаграмм состояния тройнык и четверныгх систем быт обусловлен стремлением определить, как может сказаться на поведении алю-миниево-литиевых сплавов присутствие одного или двух других металлов, которые обыгано используются для легирования алюминиевых сплавов или могут попасть в них в виде примесей.
Анализ диаграмм состояния тройнык и четверных алюминиево-литиевых систем, изученных в Институте металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН, совместно с диаграммами состояния того же типа, изученными другими авторами, позволил выявить в их свойствах некоторые общие черты [17, 18], состоящие в следующем. В системах, в который в качестве третьих или четвертый компонентов (кроме алюминия и лития) присутствуют основные легирующие элементы алюминиевык сплавов (Си, Mg, Zn, Si), в равновесии с алюминиевым твердым раствором оказываются тройные соединения или соединения, не содержащие алюминий: А17.5Си4И (Гв), А12СиИ (Т1), А16СиИ13 (Т2), MgLiA12, И^п3, A12Li3Si2, A1LiSi. Присутствие этих соединений в структуре должно оказывать существенное влияние на процессы упрочнения и разупрочнения алюминиево-литиевык сплавов. В отличие от перечисленнык выше легирующих элементов присутствие переходнык металлов Мп, Zr, Sc, Fe не приводит к образованию в структуре алюминиево-литиевык сплавов каких-либо фаз помимо присущих соответствующим двойным системам и поэто-
му должно в меньшей степени сказываться на характере процессов упрочнения и разупрочнения этих сплавов. Ни в одной из изученнык четвернык систем алюминиево-литиевык сплавов каких-либо четвернык соединений в равновесии с алюминиевым твердым раствором не образуется, что позволяет сделать вывод, что это общее свойство этих систем.
На рис. 1, 2 в качестве примера приведены фрагменты диаграмм состояния алюминиево-литиевык сплавов, в которык наблюдаются сложные фазовые равновесия в богатык алюминием сплавах. Знание этих фазовык равновесий учшывалось при разработке промышленнык алюминиевык сплавов, содержащих литий.
При исследовании диаграмм состояния сплавов алюминия с РЗМ быта установлена их незначительная растворимость в твердом алюминии, за исключением скандия [19-21]. В соответствии с этим трудно бышо ожидать существенного упрочняющего эффекта от введения РЗМ (кроме скандия) в алюминиевые сплавы. В то же время введение скандия в алюминиевые сплавы оказалось в высшей степени полезным. Изучение влияния этого элемента на свойства алюминиевых сплавов продолжается и в настоящее время. Разработан ряд промышленнык сплавов с участием скандия, которые нашли важное практическое применение в качестве легких кон-струкционнык материалов [22-24]. В немалой степени этому способствовали исследования диаграмм состояния и зависимостей "состав—свойство" для алюминиевык сплавов с участием скандия.
Наряду с диаграммой состояния двойной системы А1—Sc [21] быти исследованы диаграммы состояния более сложных систем, в которых в качестве компонентов помимо алюминия и скандия присутствовали обычные для алюминиевых сплавов легирующие элементы. Это диаграммы состояния A1-Mg-Sc [25], А1^п^с [26], [27], А1-Си^ [28, 29], А-И^ [9], А1-Мп^ [30], А1^—гг [31], А1—Mg—Sc—Zr [32], А^п-Mg—Cu—Zr—Sc [33] и др.
Изучение поведения при термической обработке сплавов двойнык систем A1—Sc и их свойств показало, что небольшая растворимость скандия в твердом алюминии, уменьшающаяся с понижением температуры, является определяющим фактором в упрочняющем действии этого легирующего элемента. Наличие растворимости скандия в твердом алюминии предопределяет возможность образования и распада алюминиевого пересыщенного твердого раствора, что приводит к повышению прочностнык характеристик сплавов.
1818
РОХЛИН
Рис. 1. Изотермическое сечение тетраэдра системы Al—Li—Mg—Si при 430°С и постоянном содержании лития 2.5 мас. % [11].
Анализ изученных диаграмм состояния тройных и более сложных систем показал, что, за исключением сплавов с кремнием и медью, в равновесии с алюминиевым твердым раствором не находятся какие-либо соединения между скандием и вторыми легирующими элементами, так что следовало ожидать, что эти вторые легирующие элементы (Mg, И, Zn, Мп) практически не изменяют растворимость скандия в твердом алюминии и его поведение при термической обработке. В сплавах алюминия, со-
А1-0.6% Мп
О, мас. %
Рис. 2. Изотермическое сечение тетраэдра диаграммы состояния системы A1—Mg—Li—Mn при 430°С и постоянном содержании марганца 0.6 мас. % [12].
держащих медь и кремнии, между ними и скандием образуются соединения, находящиеся в равновесии с алюминиевым твердым раствором, так что часть скандия при введении его в сплавы может оказаться связанной в эти соединения. Это следует учитывать при использовании скандия как легирующей добавки в алюминиевых сплавах.
На рис. 3 приведены диаграммы "состав-свойство" для микротвердости и удельного электросопротивления сплавов двойных систем А1—Sc. Эти диаграммы были использованы
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.