ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 2, с. 204-214
^ ПРОЧНОСТЬ
И ПЛАСТИЧНОСТЬ
УДК 669.71 '721:532.13
ВКЛАД ФАЗОВЫХ И СТРУКТУРНЫХ ПРЕВРАЩЕНИЙ В МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ Al—Mg СПЛАВАХ В ЛИНЕЙНЫЕ И НЕЛИНЕЙНЫЕ МЕХАНИЗМЫ НЕУПРУГОСТИ
© 2014 г. И. С. Головин*, А. С. Бычков*, А. В. Михайловская*, С. В. Добаткин*, **
*Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС", 119049, Москва, Ленинский просп. 4 **Институт металлургии и материаловедения имени А.А. Байкова, 119991, Москва, Ленинский пр-т., 49
e-mail: i.golovin@misis.ru Поступила в редакцию 23.04.2013 г.; в окончательном варианте — 11.06.2013 г.
Изучено влияние процессов интенсивной пластической деформации (ИПД), рекристаллизации и выделения Р-фазы в многокомпонентных сплавах систем Al—5Mg—Mn—Cr и Al—(4—5%)Mg—Mn— Zr—Sc на механизмы зернограничной релаксации и дислокационной микропластичности. Для стабилизации ультрамелкодисперсной структуры и предотвращения роста зерен использованы дисперсные частицы алюминий—переходный металл типа Al3Zr, Al6Mn, Al7Cr, Al6(Mn,Cr), Al18Cr2Mg3. Особый интерес вызывают сплавы с добавками скандия, который образует соединения типа Al3Sc и способствует выделению высокодисперсных частиц по сравнению с алюминидами других переходных металлов. ^лавы Al—(4—5%)Mg—Mn—Zr—Sc после ИПД отличаются более высокой температурой рекристаллизации. При этом общие закономерности дислокационной и зернограниченой неупругости, установленные для двойных сплавов Al—Mg, сохраняются: 1) уменьшение плотности дислокаций в процессе рекристаллизации холоднодеформированных сплавов приводит к формированию "псевдо пика" на кривых температурных зависимостей внутреннего трения и снижению критической амплитуды деформации начала движения дислокаций в поле напряжений; 2) выделение Р-фазы подавляет механизм зернограничной релаксации; 3) растворение Р-фазы, переход атомов магния в твердый раствор и выделение Р'-фазы при нагреве затрудняют движение дислокаций; 4) укрупнение высокодисперсных частиц, содержащих Zr и Sc, повышает подвижность дислокаций. Сделаны количественные оценки характеристик зернограничной релаксации и дислокационно -примесного взаимодействия и их зависимости от температуры, а также дополнительного легирования двухкомпонентных сплавов Mn, Cr, Zr, Sc.
Ключевые слова: Многокомпонентные сплавы на основе системы Al—Mg, релаксационные и гисте-резисные механизмы неупругости.
DOI: 10.7868/S0015323014020089
ВВЕДЕНИЕ
В работе [1] показано, что выделения Р-фазы (Л13М§2) в двойных Л1-М§-сплавах существенно подавляет зернограничную релаксацию. Растворение в фазы и, как следствие, обогащение твердого раствора атомами магния и выделение мета-стабильной в'-фазы при последующем нагреве способствуют понижению подвижности дислокаций в твердом растворе. Изменение содержания в-фазы за счет изменения состава сплавов и режимов их термообработки (напр., закалки образцов) позволяет регламентировать уровень и интервалы действия этих механизмов неупругости в А1—М§-сплавах. Наиболее перспективным способом повышения комплекса служебных и технологических характеристик конструкционных алюминиевых сплавов является формирование в полуфабрикатах мелкозернистой структуры. Уменьшение размера зерна
приводит не только к росту механических свойств при комнатной температуре, но и к появлению эффекта сверхпластичности в ряде сплавов [2, 3].
Эффективными методами получения ультрамелкозернистой структуры (УМЗ) являются дополнительное легирование двойных сплавов переходными металлами, а также использование интенсивной пластической деформации (ИПД) [4, 5]. Создаваемая в результате ИПД ультрамелкозернистая структура характеризуется высокими прочностными свойствами при удовлетворительной пластичности. Однако УМЗ-структура после ИПД является термически нестабильной из-за значительной накопленной избыточной энергии при пластической деформации, которая сосредоточена, прежде всего, в виде неравновесных границ зерен большой протяженности. Из-за неравновесного состояния границ зерен с повышенной фрактально-
Составы исследованных сплавов
Сплавы Mg Mn Cr Zr Sc
Al-4Mg 4
Al-5Mg 5
Al-5Mg-Mn 5 0.6
Al-5Mg-Mn-Cr 5 0.6 0.25
Al-4Mg-Mn-Zr 4 1.5 0.4
Al—4Mg—Mn—Zr—Sc 4 1.5 0.4 0.4
Al—5Mg—Mn—Zr—Sc 4.6 0.6 0.1 0.2
стью зернограничная релаксация, обусловленная упругой деформацией на плоских участках границ зерен, в ИПД-структурах часто оказывается значительно подавленной или отсутствует вообще [6]. При нагреве алюминиевых сплавов зерна быстро растут, а прочностные свойства снижаются. После отжига, способствующего приобретению границами зерен равновесного состояния, вновь становится возможным процесс упругой релаксации напряжений, регистрируемый в виде термически активируемого релаксационного пика на кривых температурной зависимости внутреннего трения [7].
Для стабилизации УМЗ-структуры и предотвращения роста зерен используют дисперсные частицы алюминий—переходный металл. Это термически стабильные высокодисперсные частицы типа А1^г, А16Мп, А17Сг, А16(Мп,Сг) [8, 9] и А118Сг2М§3 [10, 11], которые имеют высокую плотность в единице объема алюминиевой матрицы. Эффективной с этой точки зрения является добавка скандия, который образует с алюминием соединение А138е, частицы которого выделяются из твердого раствора в наиболее дисперсном виде по сравнению с частицами алюминидов других переходных металлов, таких как Мп, Сг, Zr [12—14]. Однако частицы А138е-фазы не обладают столь высокой стабильностью, как алюминиды циркония, марганца, хрома, и при нагреве они быстро укрупняются. С целью повышения термической стабильности скандий вводят в алюминиевые сплавы вместе с цирконием, который растворяется в фазе А138е. Формирование мелкозеренной структуры необходимо также для обеспечения эффекта сверхпластичности, реализуемого при получении деталей методом сверхпластической формовки, позволяющей производить полые изделия сложной формы за одну технологическую операцию. Для получения сверхпластичных магналиев эффективно использовать и цирконий со скандием [15—17], и легировать хромом и марганцем совместно [18—21], что позво-
ляет формировать стабильную мелкозернистую структуру для последующей сверхпластической деформации.
Целью данной работы явилось изучение влияния легирования Mn, Cr, Zr и Sc двойной системы Al—(4—5%)Mg, а также влияния интенсивной пластической деформации на дислокационную и зернограничную неупругость в многокомпонен-тых сплавах в широком интервале температур, частот и амплитуд колебаний.
1. МЕТОДИКА И МАТЕРИАЛЫ
В работе проанализированы сплавы систем Al—5Mg—Mn—Cr, Al—4Mg—Mn—Zr—Sc и Al-5Mg-Mn—Zr—Sc (таблица). Методика исследования амплитудных и температурных зависимостей внутреннего трения (АЗВТ и ТЗВТ, соответственно) на динамическом механическом анализаторе (DMA Q800 TA Instruments), технологические особенности получения многокомпонентных сплавов и образцов из них, методы анализа структуры описаны в работах [7, 22, 23]. Сплавы с цирконием и скандием были подвергнуты интенсивной пластической деформации методом равноканального углового прессования (РКУП) при температуре 300°С на образцах 10 х 10 х 70 мм3 с углом пересечения каналов 90° c различным числом проходов (N) по маршруту ВС (после шести проходов истинная деформация ~6.8). Методы получения, их структура и свойства описаны в работах [24, 25].
Микроструктуру сплавов изучали в световом микроскопе Axiovert 200MMat (СМ). Микрошлифы готовили методами механического шлифования и полирования, затем применяли электролитическое полирование в течение 7—8 с при напряжении 15—20 В в хлорно-спиртовом электролите. Для выявления зеренной структуры образцов проводили анодное оксидирование в 10%-водном растворе фторбороводородной кислоты. Фольги
Рис. 1. Исходная зеренная структура (а, б, СМ) и частицы дисперсоидов переходных металлов (в, г, ПЭМ) сплавов А1 - Мя-Мп (а, в) и А1-Мя-Мп-Сг (б, г) после отжига при 550°С (30 мин) и сплавов А1-Мя-Мп-2г-8с (д) и А1-Мя-Mn—Zr (е) после отжига 350°С (2 ч) и 500°С (6 ч) соответственно (СМ).
получали электрополировкой дисков в хлорно-спиртовом электролите при помощи Struers Tenupol и изучали в просвечивающем электронном микроскопе Jeol 2000-CX Foils (ПЭМ).
2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ДИСКУССИЯ
Выявленные для двухфазных Al—Mg-сплавов (до 12% Mg) закономерности влияния 0-фазы на зернограничную и дислокационную неупругость позволяют проанализировать по аналогичной схеме зависимости амплитудной и температурной зависимости внутреннего трения в более сложных многокомпонентных сплавах. Дополнительное ле-
гирование переходными металлами было выбрано с целью получения максимального количества вторичных частиц для максимальной стабилизации ультрамелкозернистой структуры, в том числе и получаемой после РКУП.
2.1. Многокомпонентные сплавы системы Al—Mg—Mn—Cr
Дополнительное легирование А1-М§-сплавов марганцем и хромом обеспечивает достаточно мелкую и стабильную зеренную структуру после деформации и последующей рекристаллизации (рис. 1а, б) благодаря формированию нерастворимых дисперсных частиц фазы А16(Мп,Сг), сдержи-
е-1
(а)
-.._30°С -.-.-250 -.-390 --450
10
10-
10-
(в)
а
ад
10
11
12
10 8
е-1
0.4
(б)
Д1-М8-Мп-Сг
эсР
0.3 0.2 -0.1
0
С->|»|>»С»»<>|>>1>1
>>
—*— 30°С
—А— 250
—V— 390
♦ 450
' - —4— 500
525 550
|----
10-
10-
10-
6 -
л
6 Й а 4
Ф ад4
I
4 ^ *
о 2 а2
2 2
0
0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 1/Т
0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030 1/Т
-10-
-11-
-12-1
10 8
3
с п 6а
-е
I
са
4 ^
о'
а
2 2
0
8
6
4
2
Рис. 2. АЗВТ отожженных при 550°С и закаленных сплавов A1—5Mg—0.6Mn (а) и A1-5Mg-0.6Mn-0.25Cr (б). Зависимость 1п^а), 1п(£СГ2), 1п(бСГ2) и зависимость равновесного содержания Р-фазы от обратной температуры измерения АЗВТ 1/Т (К-1) для сплавов Al—5Mg—0.6Mn (в) и A1-5Mg-0.6Mn-0.25Cr (г) при различных температурах в диапазоне от 30 до 550 °С и частоте / = 3 Гц. Штриховой линией для сравнения показаны аналогичные зависимости для двойного сплава A1—5% Mg по данным работы [1]. Вертикальная пунктирная линия - темпе
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.