научная статья по теме ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА НА ПОКАЗАТЕЛИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL–ZN–MG–CU–NI–ZR Физика

Текст научной статьи на тему «ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА НА ПОКАЗАТЕЛИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ AL–ZN–MG–CU–NI–ZR»

ФИЗИКА МЕТАЛЛОВ И МЕТАЛЛОВЕДЕНИЕ, 2014, том 115, № 7, с. 778-784

^ ПРОЧНОСТЬ

И ПЛАСТИЧНОСТЬ

УДК 669.71'721'5'3'24'296:539.214

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА НА ПОКАЗАТЕЛИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ Al-Zn-Mg-Cu-Ni-Zr

© 2014 г. А. Д. Котов, А. В. Михайловская, В. К. Портной

НИТУ "МИСиС", 119049 Москва, Ленинский проспект, д. 4 e-mail: kotov@misis.ru Поступила в редакцию 27.11.2013 г.; в окончательном варианте — 24.12.2013 г.

Исследована структура и показатели сверхпластичности сплавов системы Al—Zn—Mg—Cu—Ni—Zr с разным содержанием Zn и Mg. Показано, что для формирования микрозеренной структуры и проявления сверхпластичности необходимо бимодальное распределение частиц по размерам: наличие крупных эвтектических частиц (Al3Ni) и дисперсоидов (Al3Zr), а также обязательно наличие сильнолегированного твердого раствора. В случае малолегированного твердого раствора в сплавах исследуемой системы затруднена рекристаллизация во время нагрева и начальной стадии деформации. Увеличение содержания Zn и Mg в алюминиевом твердом растворе способствует формированию более мелкого зерна, снижению напряжения течения, увеличению показателя скоростной чувствительности m и росту значений относительного удлинения.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, микрозеренная структура, показатели сверхпластичности, напряжение течения, относительное удлинение.

DOI: 10.7868/S0015323014070043

ВВЕДЕНИЕ

Сверхпластическая формовка представляет большой интерес для производства деталей сложной формы в авиационной, автомобильной и других отраслях промышленности [1]. Основным преимуществом сверхпластической формовки является возможность получения сложных по форме деталей с помощью большой пластической деформации за одну технологическую операцию. Основным условием проявления сверхпластичности является малый (<10 мкм) размер зерна при температуре >0.5 7пл [2, 3]. Промышленный интерес представляют сплавы, обладающие улучшенным комплексом механических и технологических свойств [4, 5]. Самые высокопрочные алюминиевые сплавы 7000 серии (США) проявляют сверхпластичность при малых скоростях — порядка 10-4 с-1, требуют при производстве листов дополнительных отжигов, значительных степеней холодной деформации и высокоскоростных нагревов в селитре [6, 7].

В настоящее время в работах по сверхпластичности термически упрочняемых алюминиевых сплавов в основном реализованы способы получения микрозеренной структуры, основанные на легировании сплавов элементами, образующими в структуре дисперсные частицы (8е, Zr, Мп, Сг), сдерживающие рост зерен [8-10], или измельчении зерна путем применения интенсивной де-

формации [11—13]. По составу исследуемые сплавы (по Zn, Mg, Cu) в основном соответствуют применяемым в промышленности сплавам, имеющим высокие прочностные характеристики. При этом влияние легированности твердого раствора указанными элементами на размер зерна и показатели сверхпластичности освещено слабо. Например, Sotoudeh и Bate в работе [14], сравнивая сплавы, легированные магнием и медью в разных концентрациях, делают предположение, что лучшие показатели сверхпластичности в более легированных сплавах обеспечиваются благодаря ускорению самодиффузии алюминия, диффузии магния или меди.

Цель данной работы — исследование влияния растворимых в алюминиевом твердом растворе элементов (Zn и Mg), обеспечивающих высокую прочность при комнатной температуре, на зерен-ную структуру и показатели сверхпластичности сплавов системы Al—Zn—Mg—Cu—Ni—Zr.

1. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Объектами исследования выбраны сплавы системы Al—Zn—Mg—Cu—Ni—Zr с одинаковой объемной долей эвтектической фазы Al3Ni. В сплавах исследуемой системы варьировали содержание Zn и Mg при постоянном содержании остальных компонентов — Ni, Zr и Cu (см. таблицу), при

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА

Химический состав исследованных сплавов, мас. %*

779

Сплав № Zn Mg Cu Ni Zr (Fe + Si) Al

1 - - - 3 0.3 <0.01 Осн.

2 - 4 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

3 2 4 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

4 4 4 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

5 4 - 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

6 4 1 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

7 4 2 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

8 4 3 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

9 4 4 0.8 3 0.3 <0.01 Осн.

Примечание. * Далее при указании содержания компонентов используются мас. %.

этом Zn и Mg находятся в твердом растворе при температуре сверхпластической деформации во всех исследованных сплавах.

Плавку осуществляли в лабораторной электрической печи сопротивления в графитошамот-ных тиглях. Слитки размерами 100 х 40 х 20 мм получали литьем в медную водоохлаждаемую изложницу. Прокатку проводили при комнатной температуре и при 420 ± 20°С на лабораторном двухвалковом прокатном стане ДУ0250 с диаметром валков 240 мм. Степень обжатия при горячей прокатке составляла 83%, при холодной — 70%. Термическую обработку сплавов проводили в муфельной электрической печи Nabertherm с точностью поддержания температуры ±2°С. Рекристал-лизационный отжиг холоднокатаных листов, имитирующий нагрев до температуры сверхпластической деформации (СПД), проводили при температуре 0.97Тпл (480—610°С в зависимости от состава сплава) в течение 20 мин в воздушной атмосфере.

Микрошлифы готовили методами механической шлифовки и полировки с использованием шлифовально-полировального станка Struers LaboPol-5. При необходимости применяли электролитическую полировку в хлорно-спиртовом электролите, травление или анодное оксидирование. Исследование микроструктуры сплавов проводили при помощи светового микроскопа (СМ) 200ММАТ фирмы "Carl Zeiss" и электронного сканирующего микроскопа (СЭМ) "TESCAN Vega 3 LMH" с энерго-дисперсионным детектором X-Max 80. При получении изображений в СЭМ использовали режимы отраженных и просвечивающих электронов. Количественный анализ параметров микроструктуры проводили методом случайных секущих с использованием прикладной программы "Sizer" и при помощи специального программного модуля "Axio Vision" фирмы "Carl Zeiss".

Показатели сверхпластичности определяли на универсальной испытательной машине 1231-У10 с компьютерным управлением перемещением траверсы. Испытания проводили на образцах с размерами рабочей части 14 х 6 х 1 мм. Проводили испытания с постоянными скоростями деформации и со ступенчатым увеличением скорости деформации для определения показателя скоростной чувствительности т.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЯ

Типичная структура сплавов в литом состоянии представлена на рис. 1а. Все сплавы помимо алюминиевого твердого раствора содержат частицы фазы эвтектического происхождения А13№. Сплавы с Zn, М§ и Си также содержат неравновесную эвтектическую составляющую по границам дендритных ячеек. В сплаве А1—3№— 0.3Zr нет М§, Zn и Си и соответственно он имеет слаболегированный твердый раствор при температуре СПД (0.97Тпл), так как растворимость Zr и N1 при этих температурах не превышает 0.06%№ и 0.02%Zr [15].

После двухступенчатого гомогенизационного отжига (450°С, 3 ч + 500°С, 3 ч) происходит растворение неравновесной фазы и фрагментация, а также сфероидизация фазы А13№ эвтектического происхождения (рис. 1б). После горячей и холодной прокатки во всех сплавах формируется структура с равномерно распределенными в матрице алюминиевого твердого раствора частицами фазы А13№ со средним размером 1.6 ± 0.1 мкм и объемной долей 5.8 ± 0.5% (рис. 1в). После отжига холоднокатаных листов в течение 20 мин при 0.97Тпл структура рекристаллизуется только частично (рис. 2) благодаря содержанию в сплавах циркония, который, как известно, образует дисперсные частицы А1^г, сдерживающие рекристаллизацию при отжиге [16, 17].

Рис. 1. Микроструктура сплава Al—4Zn—4Mg—0.8Cu—3Ni—0.3Zr в литом состоянии (а) (СМ), после двухступенчатого гомогенизационного отжига (б) (СМ), после 70% холодной прокатки (в) (СЭМ).

Рис. 2. Микроструктура холоднокатаных листов сплавов Al—3Ni—0.3Zr (а), Al—4Zn—0.8Cu—3Ni—0.3Zr с 1%Mg (б), с 2%Mg (в) и с 4%Mg (г) после отжига при 0.977пл в течение 20 мин (СМ, поляризованный свет).

20

15

10

□ А1- -3№-0^г- 0.8Си- -4Mg- -Zn(var)

АА1- -3№-0^г- 0.8Си- -4Zn- -Mg(var)

- ч

4 х А

1 1 | | | |

12 3 4 Zn(Mg), мас. %

Рис. 3. Зависимость размера рекристаллизованных зерен (¿ср) после отжига при 0.97Тпл (20 мин) от содержания Zn и Mg.

С увеличением концентрации цинка от 0 до 4% происходит уменьшение среднего размера зерна в рекристаллизованном объеме с 16.2 ± 1.5 мкм до 3.4 ± 0.2 мкм (рис. 3). При увеличении содержания в сплавах Mg наблюдается аналогичная зависимость: средний размер зерна уменьшается с 10.8 ± 0.8 мкм до 3.4 ± 0.2 мкм при увеличении концентрации Mg с 0 до 4%. В сплаве А1—3№— 0.3Zr после отжига признаков рекристаллизации не наблюдается, а размер вытянутых волокон значительно больше в сравнении со сплавами, легированными Zn и Mg (рис. 2).

Во время испытаний листов со ступенчатым увеличением скорости деформации при одной гомологической температуре (0.97Тпл) было обнаружено, что напряжение течения во всем исследуемом интервале скоростей уменьшается при увеличении содержания Zn и Mg (рис. 4а, 4в). При

5

0

0

ВЛИЯНИЕ СОСТАВА ТВЕРДОГО РАСТВОРА (а) (б)

-А1-3№-0^г-0.8Си-4М8^п

10-

10-2 £,о-1

(в)

10 г

A1—3Ni—0.3Zr—0.8Cu—4Zn—Mg

0.6 0.4 0.2

т 0.6

0.4

0.2

„о

"О A1-3Ni-0.3Zr-0.8Cu-4Mg-Zn - 0Zn

- * - 2Zn

- о - 4Zn

_I_I_■ ■ ■ ■'_I_I_I_I_■ ■ ■ ■'

10-

10-2 Б, с

(г)

A1-3Ni-0.3Zr-0.8Cu-4Zn-Mg

—т-

V V

■ 0Mg "^ Ь

■*■ 1Mg ■ г- 3Mg О 4Mg

_|_I_■ ■ ■ ■'_

10

10 Б, С^

10-

10-

Б, С

-1

Рис. 4. Зависимость напряжения течения ст (а, в) и показателя скоростной чувствительности т (б, г) от скорости деформации сплавов A1-4Mg-(0-4)Zn-0.8Cu-3Ni-0.3Zr (а, б) и A1-4Zn-(0-4)Mg-0.8Cu-3Ni-0.3Zr (в, г).

т

1

0

1

этом положение максимума показателя скоростной чувствительности (т = 0.60-0.65) у сплавов, содержащих и Zn и Mg, составляет (2-3) х 10—3 с-1 (рис. 4б, 4г). Стоит отметить, что существенный рост значений оптимальной скорости деформации и увеличение показателя т происходит уже при добавлении 1% Mg (рис. 4г), а дальнейшее повышение содержания Mg до 4% приводит к росту показателя т с 0.40 до 0.65, при сохранении оптимальной скорости на уровне

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