ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2013, том 114, № 11, с. 1019-1025
СТРУКТУРА, ФАЗОВЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ И ДИФФУЗИЯ
УДК 669.7174721:539.89:536.425
ВЛИЯНИЕ ИМПУЛЬСНОГО ТОКА НА СТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА СИСТЕМЫ Al-Mg-Si ПРИ ХОЛОДНОЙ ДЕФОРМАЦИИ
© 2013 г. И. Г. Бродова*, И. Г. Ширинкина*, В. В. Астафьев*, Т. И. Яблонских*,
А. А. Потапова**, В. В. Столяров**
*Институт физики металлов УрО РАН, 620990 Екатеринбург, ул. С. Ковалевской, 18, **Институт машиноведения им. А.А. Благонравова РАН, Москва e-mail: brodova@ imp.uran.ru Поступила в редакцию 20.03.2013 г.
Изучено влияние плотности тока на формирование структуры в процессе прокатки сплава системы Al—Mg—Si АД33. Установлено, что электропластическая прокатка при плотности тока 30 А/мм2 повышает деформацию до разрушения в сплаве АД33. Снижение деформационной способности материала при увеличении плотности тока до и более 100 А/мм2 обусловлено оплавлением легкоплавкой эвтектики, приводящим к возникновению микротрещин по границам зерен и субзерен.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, электропластическая прокатка, холодная деформация, плотность тока.
DOI: 10.7868/S0015323013110028
ВВЕДЕНИЕ
Технологии машиностроения и металлургии, основанные на обработке металлических материалов токами высокой плотности при деформировании и нагреве, в настоящее время получают широкое распространение. Несмотря на различный характер электрофизических эффектов, реализуемых в каждом конкретном способе воздействия, общим для них является снижение напряжений течения и повышение пластичности в процессе деформации с током. Основные исследования, выполненные на чистых и пластичных материалах (медь, алюминий, титан, сталях), были сфокусированы на феноменологии явления электропластического эффекта [1—4, 6]. При этом роль структурных факторов в проявлении эффекта была изучена недостаточно. Относительно недавно было показано, что в ряде титановых сплавов с фазовым превращением деформация с током может способствовать измельчению структуры до наноразмеров [5, 6]. Особо большое значение электропластическая деформация (ЭПД) приобретает сейчас, при разработке инновационных технологий создания наноструктурных материалов методами интенсивной пластической деформации. Использование электропластического эффекта при деформации материалов позволяет заметно снизить температуру деформирования и повысить технологическую пластичность. Кроме того, положительный эффект был также получен при обработке ряда
сплавов электроимпульсными полями с целью залечивания пор и трещин [7].
Единичные работы были посвящены исследованию влияния вида тока в процессе прокатки [8] или растяжения [9] на структуру и свойства цветных сплавов. В частности, установлено, что структурные изменения в Al—Li сплаве 1463 в случае прокатки с пропусканием постоянного тока существенно не отличаются от обработки без тока [8]. Однако при действии импульсного тока наблюдается повышение пластичности, которое авторы связывают с растворением упрочняющей фазы вследствие теплового эффекта, возникающего при такой обработке.
Структурно-неоднородные алюминиевые сплавы с присутствием эвтектики по границам зерен также являются интересным объектом для исследования возможности применения ЭПД с целью улучшения свойств этих материалов. Одним из таких материалов является сплав системы Al—Si— Mg — АД33, обладающий высокой пластичностью только при горячей деформации. Целью работы являлось исследование структурно--фазовых превращений и деформационной способности сплава АД33 при прокатке с импульсным током.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА
В качестве материала исследования использовали сплав системы Al—Si—Mg следующего химиче-
Деформационная способность сплава системы А1—Бь М§ при прокатке с током и без тока
Вид обработки Степень деформации, е
Прокатка без тока 1.3
Прокатка с током ( = 30 А/мм2) 1.6
Прокатка с током ( = 100 А/мм2) 0.3
Прокатка с током ( = 400 А/мм2) 0.5
ского состава (мас. %): — 0.92; М§ — 0.69; Си — 0.30; Fe - 0.31; 2г - 0.01; Т - 0.07; А1 - остальное.
Образцы в форме полосы с размерами 2 х 5 х х 150 мм3 были подвергнуты электропластической прокатке (ЭПП) - совместному влиянию деформации и импульсного электрического тока. Прокатка проводилась на двухвалковом стане, оборудованном генератором импульсного тока. Деформация осуществлялась при комнатной температуре со скоростью 5 см/с в пошаговом режиме при регулируемом разовом обжатии по толщине не более чем 50 мкм. Для подведения и съема тока использовали скользящий контакт (отрицательный полюс) до зоны деформации и один из валков (положительный полюс). После каждого шага прокатки образцы охлаждали в воде, чтобы избежать влияния возможного нагрева. Перед повторным проходом во избежание неравномерности распределения деформации образцы поворачивали на 180°С вокруг продольной оси и меняли направление прокатки на противоположное. Прокатка велась до разрушения образцов. Истинную деформацию е при прокатке вычисляли по изменению площади поперечного сечения полосы: е = 1п^0/^к, где ¿0, - площадь поперечного сечения полосы до и после прокатки.
В экспериментах варьировали плотность тока от 30 до 400 А/мм2 с частотой и длительностью импульса, соответственно, 1000 Гц и 120 мкс. В пределах каждого опыта плотность тока сохраняли постоянной величиной.
Металлографические исследования макроструктуры образцов до и после деформации были проведены с помощью оптических микроскопов МБС-9 и "№орИо1-32". Размер структурных компонентов сплава определяли с использованием стандартных методик. Микротвердость Нц измеряли на приборе ПМТ-3 при нагрузке 0.2 Н (погрешность не превышала 10%). Электронно-микроскопические исследования проводили на электронном просвечивающем микроскопе JEM-200CX. Для определения химического состава и морфологии структурных составляющих использовали сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) '^иап-1а-200" с приставкой EDAX.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ
До деформации литой сплав после старения имел микротвердость Нц = 760 МПа. Макроструктура полос состояла из крупных зерен размером 500 мкм, имеющих дендритное строение (размер дендритной ячейки ~50 мкм). По границам дендритов выявлялись ликвационные фазы эвтектического происхождения (рис. 1а). Как свидетельствуют результаты энергодисперсионного анализа, выполненного СЭМ, в состав фаз, образующих легкоплавкую многофазную эвтектику, входят А1, Fe, и Си. Внутри дендритов равномерно расположены интерметаллиды, обогащенные М§ и являющиеся упрочняющей фазой М§2Б1 (рис. 1б).
Для определения влияния импульсного тока на деформационную способность сплава, полосы деформировали с током и без тока до появления в образцах видимых трещин. Результаты данных экспериментов показали, что при холодной прокатке деформация до появлении трещин составила е = 1.3, при ЭПП с плотностью тока] = = 30 А/мм2 е = 1.6, а при ] = 100-400 А/мм2 е = = 0.3-0.5 (см. таблицу). Видно, что импульсный ток малой плотности незначительно повышает деформационную способность сплава, а рост плотности тока до 100 А/мм2 и выше приводит к трещинообразованию и снижению накопленной деформации. Логично было предположить, что данные факты связаны с природой сплава и эволюцией структуры в процессе ЭПП.
Как показали наши исследования, наиболее существенные изменения в процессе деформирования как в режиме ЭПП, так и при прокатке без тока, претерпевает алюминиевая матрица сплава. В частности, меняются форма и размер зерен, микротвердость твердого раствора, уровень напряженного состояния. По данным рентгено-структурного анализа, фазовый состав сплава в процессе ЭПП сохраняется неизменным, т.е. ин-терметаллиды, образующие эвтектику, и выделения упрочняющей фазы остаются в матрице, а постоянное значение параметра решетки алюминиевого твердого раствора свидетельствует об отсутствии деформационного растворения фаз в процессе ЭПП.
При холодной деформации наблюдается закономерное вытягивание исходных равноосных зерен вдоль направления прокатки, появление сначала при е = 1.3 (рис. 2а) анизотропных по форме
1
зерен (коэффициент формы 2), а затем при е = = 1.9 формирование неоднородной полосовой структуры с шириной волокон от 90 до 140 мкм (рис. 2б). Эволюция формы макрозерен повторя-
1 Коэффициент формы зерен рассчитывается как отноше-
ние продольного размера зерен в направлении прокатки к
поперечному размеру.
Рис. 1. Микроструктура сплава до деформации: а — световая оптика; б — упрочняющая фаза (СЭМ).
ется на микроуровне, т.е. ячейки вытягиваются вдоль направления прокатки, при этом сохраняется распределение эвтектики по границам субзерен, а их средний размер составляет порядка 30— 50 мкм (рис. 2в).
Характерные признаки деформированной структуры наиболее четко проявляются при электронно-микроскопическом анализе (рис. 3). Внутри фрагментов выявляется ячеистая субструктура с широкой сеткой малоугловых границ, образованных дислокациями (рис. 3а), с ростом е наблюдается повышение плотности дислокаций и соответствующее увеличение внутренних напряжений (рис. 3б). За счет наклепа микротвердость материала с ростом степени деформации возрастает, достигая 950 МПа.
ЭПП с малой плотностью тока ] = 30 А/мм2 в том же диапазоне деформаций меняет картину структурообразования. Так, при е = 1.6 наблюда-
ются анизотропные (коэффициент формы — 3), вытянутые вдоль направления прокатки зерна, разделенные малоугловыми границами на ячейки. При сравнении рис. 3 и 4 видно, что при наложении импульсного тока образуется более дисперсная ячеистая субструктура. В приграничных областях ячеек сохраняется высокая плотность дислокаций, неравномерный дифракционный контраст свидетельствует о напряженном состоянии материала (рис. 4а, б). На стыке субзерен в области локализации сдвиговой деформации создаются благоприятные условия для зарождения и роста рекристаллизованных зерен (рис. 4в). Появление областей с рекристаллизованной структурой снижает общую микротвердость материала с 930 до 820 МПа. Возможно, релаксация напряжений за счет частичной рекристаллизации, а также уменьшение размеров элементов субструктуры ответственны за увеличение деформац
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.