CC BY
32
Наука и Образование
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Наука и Образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2017. № 07. С. 102-111.
1Э5М 1994-040В
Б01: 10.7463/0717.0001222
Представлена в редакцию: Исправлена:
© МГТУ им. Н.Э. Баумана
10.06.2017 24.06.2017
УДК 669.715:621.78
Исследование распада переохлажденного твердого раствора алюминиевого сплава В-1341
Пучков Ю.А.1*, Табачкова Н.Ю.2, Седова Л.А.1, Ларкин В.А.1
РШ:сЫСОУ ЬгпЕШ^таДли
:МГТУ им. Н.Э. Баумана, Москва, Россия Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», Москва, Россия
Для термически упрочняемого сплава В-1341 системы А1-М£-81 рассчитана диаграмма изотермического распада пересыщенного твердого раствора. Исследовано влияние выдержки при изотермической закалке на состав и морфологию продуктов распада твердого раствора сплава после искусственного старения. Методом электронной просвечивающей микроскопии показано, что при небольшой продолжительности (5 с) изотермической выдержки на поверхности дисперсоида образуются игольчатые выделения. При длительной выдержке -игольчатые выделения образуются не только на поверхности дисперсоида, но в твердом растворе. Морфология этих выделений и отношение в них атомных процентов Mg/Si=1,8 свидетельствует о том, что они являются в'-фазой. Увеличение продолжительности выдержки при изотермической закалке приводит к снижению пересыщения твердого раствора легирующими элементами и вакансиями, что приводит к уменьшению после старения доли когерентной мелкодисперсной упрочняющей Р"-фазы, а также увеличению ширины зоны свободной от выделений.
Ключевые слова: алюминиевый сплав системы A1-Mg-Si, термическая обработка, изотермическая закалка, старение, тонкая структура, просвечивающая электронная микроскопия
Введение
Деформируемые сплавы системы Al-Mg-Si широко применяются в авиационной промышленности, ракетостроении, судостроении, а также железнодорожном и автомобильном транспорте. Для этих сплавов характерна высокая штампуемость, свариваемость, обрабатываемость резанием при сравнительно высокой прочности и коррозионной стойкости в термически упрочненном состоянии. Перспективным сплавом системы Al-Mg-Si с
повышенной конструкционной прочностью и технологичностью, не уступающим по свойствам иностранным аналогам, является сплав В-1341 [1, 2].
Свою эффективность доказали системы автоматического проектирования для выбора режимов литья, сварки, обработки давлением. Однако выбор режимов термической обработки с применением компьютерных технологий применяется еще недостаточно, главным образом из-за недостаточности сведений о математической связи структуры и свойств с режимами термической обработки.
Свойства термически упрочняемых алюминиевых сплавов сильно зависят от скорости охлаждения изделия при закалке [3-12], определяющей структуру и уровень остаточных напряжений. Снижение конструкционной прочности, склонности к питтинговой и межкристаллитной коррозии при замедленном охлаждении от температуры закалки связано с образованием грубых неравноосных выделений, зон свободных от выделений, а также снижением доли включений упрочняющей фазы [3-12].
Теоретической базой для прогнозирования механических и коррозионных свойств изделий из термически упрочняемых алюминиевых сплавов является метод закалочного фактора, разработанный Эванчо и Стейли [7]. Для реализации этого метода на практике необходимо определить изменение температур в точках изделия и используя С-кривую достижения свойства данного сплава рассчитать закалочный фактор и данное свойство в точках изделия. Как показано в ряде исследований для увеличения точности прогнозирования необходимо внести изменения в метод закалочного фактора с учетом особенностей структурообразования при термической обработке.
Таким образом, актуальной задачей является исследование влияния режимов изотермической закалки на структуру деформируемого термически упрочняемого алюминиевого сплава В-1341.
Основная часть
Целью работы является исследование структуры сплава В-1341, формирующейся в результате распада пересыщенного твердого раствора в условиях изотермической закалки и последующего искусственного старения.
Объектом исследований являлись листы толщиной 1,6 мм из сплава В-1341, изготовленные на ОАО «КУМЗ». Химический состав сплава определен на атомно-эмиссионном спектрометре с лазерным возбуждением «ЛАЭС» (табл. 1).
Изотермическую закалку проводили в камерной печи СНОЛ-1,6.2.5.1/11-М1-У4.2 и шахтной печи СШОЛ-1,2 с соляными ваннами состава: 55 % NaNO3 + 45 % КаК02. При закалке образцы помещали в соляную ванну первой печи с температурой 530 оС и выдерживали в течение 10 мин, после чего быстро (за 1 - 2 с) переносили образцы в соляную
ванну второй печи. Температуру в соляной ванне второй печи поддерживали равной одной из температур: 250, 300, 350, 400 оС, а продолжительность выдержки в соляной ванне второй печи выбирали равной 5, 20, 80, 320, 1280 с; после выдержки образцы охлаждали в воде с температурой 20 оС. Старение при 170 оС в течении 14 ч проводили для всех образцов в камерной печи BINDER ED-23 в воздушной атмосфере. Старение при 170 оС в течении 14 ч проводили для всех образцов в камерной печи BINDER ED-23 в воздушной атмосфере.
Таблица 1. Химический состав образцов из исследованного сплава В-1341
Сплав Содержание элементов, % (мас.)
Mg Si Cu Mn Cr Ca Zn Fe Ti
В-1341 0,64 0,81 0,30 0,26 0,16 - 0,06 0,19 0,07
Структурные исследования проводили с помощью светового микроскопа Olympus GX51, электронного сканирующего микроскопа TESCAN VEGA 2 LMH и электронного просвечивающего микроскопа JEM-2000 EX.
Результаты исследования и их обсуждение
Расчетным методом установлено, что при распаде пересыщенного твердого раствора сплава В-1341 во время изотермической выдержки при закалке образуются: зоны Г-П, ме-тастабильная когерентная ß''-фаза (Al2Mg5Si4), метастабильная полукогерентная ß'-фаза (Mgi,8Si), медьсодержающая ß-фаза (Al5Cu2Mg8Si6), а также стабильная некогерентная ß-фаза (Mg2Si) (рис. 1, табл. 2).
Световая микроскопия показала, что после изотермической закалки и старения в сплаве присутствуют включения дисперсоида с кристаллизационного происхождения диаметром от 5 до 15 мкм и многочисленные включения дисперсоида с диаметром менее 0,5 мкм, образовавшиеся при термической обработке и прокатке. МРСА показал, что включения дисперсоида содержат, % мас.: (75-85) Al, (5-10) Si, (6 - 11) Fe, (2-5) Mn, т.е. соответствует фазе a-Al(MnCrFe)Si с кубической решеткой (а=1,26 нм).
Методом электронной просвечивающей микроскопии показано, что при небольшой продолжительности (5 с) изотермической выдержки на поверхности дисперсоида образуются игольчатые выделения (рис. 2).
При длительной выдержке - игольчатые выделения образуются не только на поверхности дисперсоида, но в твердом растворе. Морфология этих выделений и отношение в них атомных процентов Mg/Si=1,8 свидетельствует о том, что они являются ß'-фазой. Отсутствие контраста в области изображения, примыкающей к рейкам свидетельствует о слабом искажении кристаллической решетки матрицы вокруг иголок.
500 450 400 350 300 250 200
1 10 100 1000 10000
т, с
1 - ЗГП, 2 - Р"-фаза , 3 - в'-фаза; 4 - 0-фаза; 5 - в-фаза (Mg2Si) Рис. 1. Диаграмма изотермического распада сплава В-1341
Таблица 2. Последовательность образования выделений при распаде пересыщенного твердого раствора
сплава В-1341 в процессе охлаждения при закалке
Выделения Состав, вид Тип КР, параметры, нм
1 - ГП зоны Игольчатые С2/т о а=1,48; Ь=0,405; с=0,648; в=105
2 - в''-фаза Al2Mg5Si4 (Mg5Si6), игольчатые (когерентные) С2/т о а=1,516; Ь=0,405; с=0,674; в=105
3 - в'-фаза Mg Si, 1,8 ' игольчатые (полукогерентные) Р6 3 о а=Ь=0,715; с=0,405; у=120
4 - 0-фаза А1 Си Mg Si 5 2 8 6, сферические Р6 /т 3 о а=Ь=1,032; с=0,405; у=120
5 - в-фаза М^ Si, пластинчатые (некогерентные) Бт3т а=0,6354
С увеличением продолжительности выдержки при изотермической закалке длина иголок увеличивается от 100...200 до 500...1000 нм, вокруг границ зерен и реек увеличивается ширина зоны свободной от выделений в''-фазы; в отдельных местах наблюдается срастание реек, ведущее к появлению пластин (рис. 2б).
Увеличение продолжительности изотермической выдержки приводит к уменьшению плотности выделений когерентной в''-фазы, искажающей кристаллическую решетку мат-
рицы, о чем можно судить по изменению контраста областей вокруг иголок из Р''-фазы (рис. 2г).
Продолжительности выдержки в соляной ванне с t=350 ^ при изотермической закалке: а - 5 с;
б - 1280 с; в, г - 80 с
Рис. 2. Изображение участков сплава В-1341 после изотермической закалки и старения
Увеличение продолжительности изотермической выдержки изменяет структуру поверхности излома, образовавшегося в результате испытания на разрыв. На поверхности образцов с продолжительностью изотермической выдержки 1280 секунд, наблюдаются глубокие поры и острые гребни, что свидетельствует о высокой пластичности сплава в этом состоянии (рис. 3), увеличивается доля сравнительно крупных вытянутых ямок, сви-
детельствующая об уменьшении участия в процессе разрушения сплава мелкодисперсных упрочняющих игольчатых когерентных включений Р''-фазы.
а б
Продолжительность выдержки при изотермической закалке 5 с (а) и 1280 с.
Рис. 3. Фрактограмма поверхности разрушения в результате испытания на разрыв сплава В-1341, подвергнутого закалке с изотермической выдержкой при 350 С и последующему искусственному старению,
первоначальное увеличение х9000, при печати х1250)
Заключение
Исследовано влияние продолжительности выдержки при изотермической закалке на состав и морфологию продуктов распада твердого раствора сплава В-1341. Показано, что при изотермической выдержке при распаде твердого раствора сначала на поверхности дисперсоида, а затем в твердом растворе, образуются и растут крупные игольчатые кристаллы Р'-фазы, являющиеся структурными концентраторами напряжений. Увеличение продолжительности изотермической выдержки приводит к снижению пересыщения твердого раствора легирующими элементами и вакансиями, что приводит к уменьшению доли когерентной мелкодисперсной упрочняющей Р''-фазы, а также увеличению ширины зоны свободной от выделений.
Список литературы
1. Колобнев Н.И., Бер Л.Б., Хохлатова Л.Б., Рябов Д.К. Структура, свойства и применение сплавов системы Л1-М§-Б1-(Си) // Металловедение и термическая обработка металлов. 2011. № 9. С. 40-45.
2. Овчинников В.В., Грушко О.Е. Высокотехнологичный свариваемый алюминиевый сплав системы Al-Mg-Si // Машиностроение и инженерное образование. 2005. № 3. С. 2-11.
3. Пучков Ю.А., Фам Хонг Фу. Построение диаграмм достижения свойств термически упрочняемых алюминиевых сплавов методом торцевой закалки // Заготовительные производства в машиностроении. 2015. № 3. С. 33-38.
4. Пучков Ю.А., Фам Хонг Фу. Исследование влияния режимов изотермической закалки на коррозионные свойства термически упрочненных алюминиевых сплавов // Наука и образование. МГТУ им. Н.Э. Баумана. Электрон. журн. 2015. № 10. С. 1-11.
DOI: 10.7463/1015.0820293
5. Пучков Ю.А., Фам Хонг Фу. Влияние режимов охлаждения при закалке на структуру и свойства сплавов системы Al-Mg-Si // Заготовительные производства в машиностроении. 2016. № 4. С. 37-42.
6. Пучков Ю. А., Фам Хонг Фу. Влияние режимов термической обработки на коррозионные свойства алюминиевого сплава В-1341 // Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер.: Машиностроение. 2016. № 2. С. 125-133. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-2-125133
7. Evancho J.W., Staley J.T. Kinetics of precipitation in aluminum alloys during continuous cooling // Metallurgical and Materials Transactions B. 1974. Vol. 5. No. 1. Pp. 43-47. DOI: 10.1007/BF02642924
8. Pedersen L., Arnberg L. The effect of solution heat treatment and quenching rates on mechanical properties and microstructures in AlSiMg foundry alloys // Metallurgical and Materials Transactions A. 2001. Vol. 32. Iss. 3. Pp. 525-532. DOI: 10.1007/s11661-001-0069-y
9. Eivani A.R., Karimi Taheri A. Modeling age hardening kinetics of an Al-Mg-Si-Cu aluminum alloy // J. of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 205. Iss. 1-3. Pp. 388-393. DOI: 10.1006/j .jmatprotec.2007.11.195
10. Tiryakioglu M. The effect of solution treatment and artificial aging on the work hardening characteristics of a cast Al-7%Si-0.6%Mg alloy // Materials Science and Engineering A. 2006. Vol. 427. Iss. 1-2. Pp. 154-159. DOI: 10.1016/j.msea.2006.04.011
11. Пучков Ю.А., Ван Яньлун, Герасимов С.А., Мухин Г.Г., Щербаков С.П., Ларкин В.А. Прогнозирование свойств деталей из сплава В91Т3 системы Al-Zn-Mg-Cu // Заготовительные производства в машиностроении. 2010. № 8. С. 37-42.
12. Пучков Ю.А., Березина С.Л. Применение теории закалочного фактора для прогнозирования свойств изделий из термически упрочняемого алюминиевого сплава В91 // Металловедение и термическая обработка металллов. 2014. № 3. С. 20-25.
Science ¿Education
of the Baumail MSTU
Science and Education of the Bauman MSTU, 2017, no. 07, pp. 102-111.
DOI: 10.7463/0717.0001222
Received: 10.06.2017
Revised: 24.06.2017
© Bauman Moscow State Technical Unversity
Putchkov bniitu ^maJju
Studying the Super-cooled Solid Solution Breakdown of V-1341 Aluminum Alloy
Yu.A. Puchkov1'*, N.Yu. Tabachkova2, L.A-Sedova1, V.A. Larkin1
bauman Moscow State Technical University, Moscow, Russia 2Mining Institute of National University of Science & Technology "MISiS", Moscow, Russia
Keywords: aluminum alloy of the Al-Mg-Si system, heat treatment, isothermal quenching, aging, fine
structure, transmission electron microscopy
Deformable alloys of the Al-Mg-Si system are widely used in aviation industry, rocket engineering, shipbuilding, as well as on railway and highway transport. These alloys are characterized by high stamping ability, weld-ability, and machinability with a comparatively high strength and corrosion resistance in a heat-strengthened state. A promising alloy of the Al-Mg-Si system with increased structural strength and manufacturability is on par with foreign analogues in properties is the V-1341 alloy [1, 2].
The properties of heat-treatable aluminum alloys strongly depend on the cooling rate of the product during quenching [3-12], which determines the structure and level of residual stresses. Decrease in structural strength, tendency to pitting and inter-crystalline corrosion with slow cooling from the quenching temperature is caused by formation of coarse unequiaxed precipitate, precipitates-free zones, and also by decreasing proportion of inclusions of the strengthening phase [3-12].
Thus, the relevant task is to study the effect of isothermal quenching modes on the structure of deformable V-1341 aluminum alloy thermally hardened.
The paper studies the impact of isothermal time in quenching on the composition and morphology of breakdown products of the V-1341 alloy solid solution. It is shown that at isothermal time under the solid solution breakdown, at first on the dispersoid surface and then in the solid solution are formed and grow large needle-like crystals of the P'-phase which are structural concentrators of stresses. An increasing isothermal time leads to decreasing solid solution supersaturation by doping elements and vacancies. This leads to a decrease in the fraction of the coherent finely dispersed hardening P '' phase, and also to an increase in the width of the precipitates-free zone.
References
1. Kolobnev N.I., Ber L.B., Khokhlatova L.B., Riabov D.K. Structure, properties and application of alloys of the Al-Mg-Si-(Cu) system. Metal Science and Heat Treatment, 2012, vol. 53, no. 9-10, pp. 440-444. DOI: 10.1007/S11041-012-9412-8
2. Ovchinnikov V.V., Grushko O.E. High-tech weldable aluminium alloy of Al-Mg-Si system. Mashinostroenie i inzhenernoe obrazovanie [Mechanical Engineering and Engineering Education], 2005, no. 3, pp. 2-11 (in Russian).
3. Puchkov Yu.A., Pham Hong Phu. Development of heat treatable aluminium alloys TTP diagrams using Jominy end quench test. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii [Blanking Productions in Mechanical Engineering], 2015, no. 3, p. 33-38 (in Russian).
4. Puchkov Yu.A., Pham Hong Phu. Influence of isothermal quench schedules on corrosion rate in heat treatable Al-Si-Mg alloys. Nauka i obrazovanie MGTU im. N.E. Baumana [Science and Education of the Bauman MSTU], 2015, no. 10, pp. 1-11.
DOI: 10.7463/1015.0820293 (in Russian)
5. Puchkov Yu.A., Pham Hong Phu. Effect of cooling regimes on structure and properties of heat treatable Al-Mg-Si alloys. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii [Blanking Productions in Mechanical Engineering], 2016, no. 4, pp. 37-42 (in Russian).
6. Puchkov Yu.A., Pham Hong Phu. Influence of heat treatment mode on corrosion characteristics of aluminium alloy V-1341. Vestnik of the Bauman MSTU. Ser.Mashinostroenie [Herald of the Bauman MSTU. Mechanical Engineering], 2016, no. 2, pp. 125-133. DOI: 10.18698/0236-3941-2016-2-125-133 (in Russian)
7. Evancho J.W., Staley J.T. Kinetics of precipitation in aluminum alloys during continuous cooling. Metallurgical and Materials Transactions B, 1974, vol. 5, no. 1, pp. 43-47. DOI: 10.1007/BF02642924
8. Pedersen L., Arnberg L. The effect of solution heat treatment and quenching rates on mechanical properties and microstructures in AlSiMg foundry alloys. Metallurgical and Materials Transactions A, 2001, vol. 32, iss. 3, pp. 525-532. DOI: 10.1007/s 11661-001 -0069-y
9. Eivani A.R., Karimi Taheri A. Modeling age hardening kinetics of an Al-Mg-Si-Cu aluminum alloy. J. of Materials Processing Technology, 2008, vol. 205, iss. 1-3, pp. 388-393. DOI: 10.1006/j .jmatprotec.2007.11.195
10. Tiryakioglu M. The effect of solution treatment and artificial aging on the work hardening characteristics of a cast Al-7%Si-0.6%Mg alloy. Materials Science and Engineering A, 2006, vol. 427, iss. 1-2, pp. 154-159. DOI: 10.1016/j.msea.2006.04.011
11. Puchkov Yu.A., Wang YanLong, Gerasimov S.A., Mukhin G.G., Shcherbakov S.P., Larkin V.A. Prediction of properties of details made from V91T3 Al-Zn-Mg-Cu system. Zagotovitel'nye proizvodstva v mashinostroenii [Blanking Productions in Mechanical Engineering], 2010, no. 8, pp. 37-42 (in Russian).
12. Puchkov Yu.A., Berezina S.L. Use of the theory of hardening factor for predicting the properties of articles from heat-hardenable aluminum alloy V91. Metal Science and Heat Treatment, 2014, vol. 56 , iss. 3-4, pp. 131 - 136. DOI: 10.1007/s 11041-014-9718-9
