Оптимізація хімічного складу магнієвого сплаву Мл-5 для відповідального лиття Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Выводы

1. Введение в магниевый сплав Мл-5 кальция и бария уменьшает размер его структурных составляющих.

2. Термообработка сплава Мл-5 по стандартному режиму приводит к снижению химической неоднородности металла и стабилизации его механических свойств.

3. Оптимальные присадки кальция и бария в сплав Мл-5 составляют до 0,1 % каждого, обеспечивая повышение жаропрочности и пластичности сплава при сохранении прочностных характеристик.

4. Получены линейные зависимости механических свойств от величины структурных составляющих сплава Мл-5 с присадками ЩЗМ.

5. Избыточные присадки бария могут приводить к образованию плен и неравномерному распределению интерметаллидной фазы по сечению металла.

Перечень ссылок

1. Edgar R. L. / Magnesium Alloys and their Applications // Ed. Kainer K.U. Wiley-Weinheim-New York-Chichester-Brisbane-Singapore-Toronto. Verlag GmBh. - 2000. -P. 3-8.

2. Бондарев Б.И., Рохлин Л. Л. / Фундоментальные проблемы Российской металлургии на пороге 21 века. Т. 2 // М.: Российская Академия Естественных Наук. - 1998. -С. 118-156.

3. Диаграммы состояния двойных металлических систем: Справочник под ред. Н.П. Лякишева. Т. 1 / М.: Машиностроение. - 1996. - 991 с.

4. Дриц М.Е. / Магниевые сплавы для работы при повышенных температурах // М.: Наука. - 1964. - 232 с.

5. Рохлин Л. Л., Никитина Н.И. / Влияние кальция на свойства сплавов системы Mg -Al // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2003. - № 5. - С. 14-17.

Одержано 15.10.2008

Дослiджено вплив кальцЮ й барiю на структуроутворення, мехатчт властивостi й жаромiцнiсть магтевого сплаву Мл-5. Установлено, що модифiкування магтевого сплаву Мл-5 ЩЗМ сприяе пiдвищенню жаромiцностi й пластичностi при збережент мiцностi на досить високомурiвнi.

Influence of calcium and barium on structure, mechanical properties and thermal stability of magnesian alloy Ml-5 is investigated. It is established, that modifying of magnesium alloy Ml-5 alkali-earth metals promote increase of thermal stability and plasticity keeping strength characteristics at considerably high level.

УДК 669.721.5

Канд. техн. наук В. А. Шаломеев, канд. техн. наук А. В. Пархоменко,

д-р техн. наук Е. I. Цивiрко Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запор1жжя

ОПТИМ1ЗАЦ1Я Х1М1ЧНОГО СКЛАДУ МАГНЮВОГО СПЛАВУ Мл-5 ДЛЯ В1ДПОВ1ДАЛЬНОГО ЛИТТЯ

Показано, що в межах марочного складу структура й властивостг сплаву Мл-5 можуть мгнятися. Для вивчення впливу основних легуючих елементгв сплаву (Л1, Ып, Zn) на мехатчт властивостг, побудована матриця планування експерименту за планом 23 з використанням спещалгзованог програми для розрахунюв. Проведена математична оптимгзацгя хгмгчного складу сплаву для одержання пгдвищеногоргвня властивостей.

Магнieвi ливарш сплави, що мають малу питому вагу й досить висош мехашчш властивосп, в останш роки знаходять усе бшьше застосування в машинобу-дуванш. При цьому, вимоги до них, у зв'язку з розвит-ком i вдосконалюванням техшки, постшно ростуть [1]. Тому ведуться штенсивш дослщження з шдвищення мехашчних властивостей вилившв з магшевих сплавiв.

Вщомо, що окремi легукш елементи змщнюють магнiевi сплави, знижуючи 1х пластичшсть, i навпаки, при цьому стльний 1хтй вплив може тдвишувати весь комплекс мехашчних властивостей сплаву [2]. Рiзний вмет елеменпв у межах марочного складу може змiни-ти структуру й фiзико-механiчнi властивосп сплаву. Тому оптгашзащя хiмiчного складу магшевих сплавiв

для покращення мехашчних властивостей е досить актуальним, що дозволяе без додаткових витрат одер-жувати сплави з тдвищеним рiвнем мехашчних характеристик.

Вивчали вплив основних легуючих елеменпв (А1, Мп, 2п) сплаву Мл-5 у межах вимог ГОСТ 2858-79 ( А1 - 7,5...9,0 %; Мп - 0,15...0,5 %; 2п - 0,2...0,8 %) на його мехашчш властивосп. Дослщження мжрост-руктур вилившв з магшевих сплавiв iз граничним вмютом елеменпв ( при дотриманш однаковими вах шших технолопчних режимiв) показало, що в межах марочного складу мжрострукгура сплаву змiнкеться (рис. 1) за рахунок розмiру зерна, кiлькостi евтектики й терметалщно! фази, топографи включень. При цьо-

© В. А. Шаломеев, А. В. Пархоменко, Е. I. Ц^рко, 2008 28

Ш ШЩЙЖ •

ШЩ^Ш^ Г- •• ■ -

Рис. 1. Мжроструктури термообробленого сплаву Мл-5 i3 граничними змiстами елемен-пв, х 200:

а - 7,3% Al, 0,14% Mn, 0,18% Zn; б - 8,9% Al, 0,14% Mn, 0,18% Zn; в - 7,3% Al, 0,49% Mn, 0,18% Zn; г - 7,3% Al, 0,14% Mn, 0,82% Zn

му зм1нюються й мехашчт властивосп сплаву. Так, для сплаву Мл-5 з стандартним х1м1чним складом, межа мщносп й вщносне подовження може коливати-ся вщ 226 до 287 МПа й вщ 2 до 11 %, вщповщно.

Огатистичш методи обробки експериментальних даних значно полегшують численш розрахунки та ско-рочують час на !х виконання. Найчаспше у матер1а-лознавст та ливарному виробнищга при розробщ та анал1з1 нових матер1ал1в та !х властивостей викорис-товуеться метод активного багатофакторного експери-менту [3], що дозволяе отримати достов1рну шформа-щю на баз1 невелико! шлькосп дослщного матер1алу [4].

Анал1з експериментальних даних виконували за спещал1зованою програмою «Дослщження ТП методом ПФЭ» (http://smartsoft.com.ru) розроблену в сере-довищ1 Delphi 7.

Осшльки ГОСТ 2858-79 передбачае для промис-лових сплав1в Мл-5 контроль х1м1чного складу за трьо-ма елементами (Al, Mn, Zn) використовували матри-цю планування експерименту за планом 23.

Магшевий сплав1в Мл-5 виплавляли в шдукцщтй тигельнш печ типу 1ПМ-500 за сершною технолопею. Раф1нування розплаву проводили в роздавальнш печ1, з яко! порщонно вщбирали ковшем метал, у який уводили зростакш присадки Al, Mn i Zn, заливали стандарт зразки для мехашчних випробувань у пщано-глинисту форму. Зразки проходили терм1чну обробку в печах типу Бельвью й ТАТ-4М по режиму: загарту-

вання ввд 415±5 °С, витримка 15 год, охолодження на повiтрi й старшня при 200±5 °С, витримка 8 год, охолодження на повирг

Тимчасовий опiр розриву (ст ) i вщносне подовження (5) зразшв з робочим дiаметром 12 мм. визначали на розривнш машиш Р5 при кiмнатнiй температурi.

Розглядалися основш механiчнi властивостi для цього сплаву - межа мщносп (ст ), та вщносне подовження (5). Кшьшсть паралельних дослiдiв для кожного з варiантiв у матриц планування дорiвнювала п'яти, до того ж, три останш серп дослщв виконува-лися на основному рiвнi, для одержання достовiрноl ощнки похибки. Нумерацiя дослщжуваних елементiв хiмiчного складу була такою : А1 - X Мп - X 2п - X спiльний вплив елементiв: А1 Мп - Х1Х2, А1 2п - Х1Х3, Мп 2п -Х2 Х3, А1 Мп 2п -Х1 Х2Х3. Робоче вiкно про-грами, що вiдображаe вмiст матрищ планування та результат дослщв при оцiнюваннi сте наведене на рис. 2, для аналiзу 5 - вщповщно рис. 3.

Результата розрахунку похибки експериментiв (аналiз ст) дало значения дисперсп вiдтворення О = 0,1, що при величиш критичного значення критерiю Кохрена О = 0,331 для довiрчоl ймовiрностi 0,95 е цiлком задовiльним результатом. Похибка при аналiзi вiдносного подовження (5) складала - вiдповiдно О = 0,13.

У результат оцiнки експериментальних даних та побудови статистично! моделi отримали значення ко-ефiцiентiв регресп (табл. 1).

Рис. 2. Матриця планування та результаты дослщв при оцшюванш ств для сплаву Мл-5

| ^ Не следование ТП методом Полного Факторного Эксперимента Вариант 2

Рис. 3. Матриця планування та результата дослщв при оцшюванш 8 для сплаву Мл-5

Показник Вс В1 В2 В3 В12 В л В23 В123

Для меж1 мщносп (ов) 237,0 11,00 -1,15 -2,35 0,00 0,30 -0,05 -0,20

Для вщносного подовження (S) 7,835 1,180 0,045 0,140 0,005 0,040 -,005 0,015

Таблиця 1 - Коефiцieнти регресп статистично! моделi

Значущiсть коефiцieнтiв регресп аналiзувалася з використанням розподiлу Стьюдента: для piBra зна-чущостi q = 0,95 критичне значения доpiвнюe В 0,071 при вивченш меж1 мiцностi (ст), та для выносного подовження (5) - вщповщно Врит = 0,164.

Шсля вiдкидания коефiцieнтiв 3i значенням мен-шим за критичне остаточний вигляд р!внянь регресп для сплаву МЛ-5 такий:

ст в = 237,0 + 11,0 X1 - 1,15 X2 - 2,35 X3 + + 0,3 X1X3 - 0,2 X1X2 X3 ± 0,1, МПа; (1)

5 = 7,835 + 1,18X1 ± 0,13, %. (2)

Лдекватнiсть отриманих pезультатiв моделювання оцiнювалася з використанням критерш Фiшеpа. Роз-рахункове значення кpитеpiю для аналiзу показник1в меж1 мщносп (ст) становило Fp = 1,8499, для аналiзу вщносного подовження (5) - вщповщно Fp = 0,8089. Критичне значення критерш Фшера становило F =

А крит

2,1800, тобто отримаш результати цшком можна вва-жати адекватними та використовувати отриману мате-матичну модель для подальшого вивчення та пол-iпшення властивостей сплаву Мл-5.

Наведеш данi багатофакторного експерименту цшком корелюють з залежностями отриманими в результат однофакторних експеpиментiв по окремо-му впливу Al, Mn та Zn на властивостi сплаву Мл-5 (рис. 4, 5). Так вплив Al на межу мщносп носити по-зитивний характер, що тдтверджуеться значенням ко-ефiцieнту регресп В а Mn та Zn впливають слабко негативно, причому вплив Zn можна вважати дещо знач-шшим за вплив Mn (коеф. В2 та В3).

Оскшьки вплив Mn та Zn на ввдносне подовження характеризуеться коефiцieнтами (В2, В3)нижчими за межу критичного значення, при використанш моделi цими значеннями можна знехтувати, вплив Al (коеф. В1) на цю характеристику можна вважати слабко позитив-ним. До аналопчних висновк1в можна прийти, аналь зуючи результати окремого впливу цих елеменпв на piвень ввдносного подовження сплаву МЛ-5, див. рис. 4.

Якщо спиратися на вимоги Державного стандарту, щодо механiчних властивостей сплаву Мл-5 та обме-жень на вмют х!м!чних елементiв у ньому, то можна вiдзначити факт, що показники межi мщносп та вщносного подовження зм!нюються майже у два рази в дозволеному дiапазонi х!м!чного складу. Тому була зроблена спроба знайти значення вм!сту х!м!чних скла-дових сплаву в можливо вузькому дiапазонi, при яко-му мехашчш характеристики вiдповiдають тдвище-ним значенням, тим бшьше, що вимоги Державного

стандарту обмежують тiльки нижню границю властивостей (ств > 226 МПа, 5 > 2 %).

З точки зору математично! реалiзацп це завдання можна вiднести до типово! багашшрно! умовно! оп-тимiзацil. Оск1льки функцiя, максимальне значення яко! треба знайти, та обмеження по хiмiчному складу сплаву мають лшшний вигляд, завдання можна вирь шувати за допомогою Симплекс-методу [5]. Сам метод доволi складний, але насьогодш досить непогано реалiзований у багатьох програмних продуктах як стан-дартний механiзм ошгашзацп.

Оптимiзацiю було виконано за допомогою спец-iального програмного засобу «Багатовимiрна умовна ошгашзащя», для наведено! вище цшьово! функцп та

At

1 1

% 8 1 1 -

240 260 2S0

Ов :МПа

ZlL %

си -

240 2j0 260

Ов ДЩа

Mil %

04

о:

240 24: 230 235

СТВ .МПа

Рис. 4. Вплив алюмшто, марганцю та цинку на межу мщносп сплаву Мл-5

таких обмежень за вмютом хiмiчних елеменпв та вла-стивостей сплаву:

8,9 % > А1 > 7,5 %;

0,5 % > Мп > 0,15 %; 0,8 % > гп > 0,2 %;

ст > 226 МПа;

в 7

5 > 2 %.

Робоче вiкно програми, що вщображае результати ошгашзацп хiмiчного складу сплаву Мл-5, наведено на рис. 6.

Проведеними розрахунками було отримано таю по-казники вмюту хiмiчних елементiв у сплавi Мл-5, як забезпечили пiдвищений рiвень мехашчних властиво-стей (ств= 254 МПа, 5 = 9,45 %):

А1 = 7,9 %;

Мп = 0,47 %;

гп = 0,36 %.

Подальше пiдвищення властивостей цього сплаву можливе саме на металi з таким хiмiчним складом.

Рис. 5. Вплив алюмшто, марганцю та цинку на вщносне подовження сплаву Мл-5

Осшльки для Мл-5 досить критичним е чистота за вм1стом зал1за (Fe < 0,06 %), розглянули вплив uiei дом-1шки на властивосп сплаву з оптимальним х1м1чним складом. За допомогою програмного засобу «Статистика» отримали залежносп впливу зал1за на межу мщносп (рис. 7, а) та ввдносне подовження (рис. 7, б).

Пор1вняння р1зних апроксимацш показало,що мен-шу похибку отримали при використанш кубiчноi' ап-роксимацп по впливу зал1за на межу мщносп (Д = 1,229) та вщносне подовження (Д = 0,213) для сплаву Мл-5. Отже, р1вняння, яш можна використовувати для вивчення цього впливу, мають вигляд:

сте= 252,844 - 2361х + 61110х2 - 3,692-105х3; (3)

5 = 9,3 - 293,429х + 8127х2 - 5,781-104х3. (4)

Як видно з наведених р1внянь, зал1зо, у д1апазош до 0,04 % вм1сту, мае виражений негативний вплив на мехашчш властивосп сплаву, що вивчаеться. Особливо це стосуеться вщносного подовження.

Висновки

1. Встановлено, що в межах марочного складу структура й мехашчш властивосп сплаву Мл-5 можуть значно в1др1знятися.

2. Проведеним математичним плануванням експе-рименту за планом 23 з використанням спец1ал1зовано! програми «Дослщження ТП методом ПФЭ» розробле-ну в середовищ1 Delphi 7 отримаш функцюнальш за-лежносп впливу Al, Mn, Zn на мщшсть i пластичшсть магшевого сплаву Мл-5.

3. Спещальним програмним засобом «Багатовимь рна умовна оптим1защя» проведена оптим1защя х1м1чного складу сплаву Мл-5, встановлено тдвище-ний р1вень властивостей сплаву при вм1сп елеменпв: Al = 7,9 %; Mn = 0,47 %; Zn = 0,36 %.

4. Отримаш функцюнальш залежносп впливу заль за на показники мехашчних властивостей сплаву Мл-5. Встановлено, що при вм1сп менше 0,04 %, зал1зо негативно впливае на мехашчш властивосп сплаву.

Перелiк посилань

1. Жеманюк П.Д., Клочихин.В.В., Цивирко Э.И., Драчевский А.Ю. Комплексная проба для оценки качественных показателей магниевых сплавов, отлитых под давлением // Новые материалы и технологии в металлургии и машиностроении. - 2002. - № 2. - С. 41-45.

2. Рейнор Г.В. Металловедение магния и его сплавов. -Москва: «Металлургия». - 1964. - 486 с.

3. Самарский А.А., Михайлов А.П. Математическое моделирование. - Москва: «Физматлит». - 2001. - 256 с.

4. Таха Х.А. Введение в исследование операций. - Москва: «Вильямс».- 2005. - 311 с.

5. Лотов А.В., Поспелова И.И. Конспект лекций по теории и методам многокритериальной оптимизации. -Москва: ВМиК МГУ - 2006. - 314 с.

Одержано 27.06.2008

^В, МПа

300

Рис. 6. Результаты багаташрно! умовно! оптим1зацй х1м1чного складу сплаву Мл-5 1 ; ; ; I ; г г

ООО ®

240

О 00

°0°

°о Ф 00 б о@ О 00 8 .:_.____:._ ..!_.. _...!.

--О"

..!____

•X

..:_______:.

о,0 о

0.01 0.02 0.03 0.04 0 05 0 06 0.0? 0 08 0 09

а ¡вшст Ее 0 А

"1

о „

"Г

"Г

"Г

"Г

"Г

"Г

"Г

51,

ооо (Вд

о ^о <Ьй - * « о

о о о

«а.

"о <Р о

л___\__

о

о о _1__

о о о

о

\__I_

_1.

_.1_

_1_

0.01 0.02 0 03 0.0+ 0.05 0.06 0.07 0.06 0.09

лшшна апроксимац1я куб1чна апроксимащя квадратична апроксимащя

б ж Ре * ,>

Рис. 7. Залежнють меж1 мщност сплаву (а) 1 вщносного подовження (б) сплаву Мл-5 вщ вмюту зал1за

Показано, что в пределах марочного состава структура и свойства сплава Мл-5 могут меняться. Для изучения влияния основных легирующих элементов сплава (Al, Mn, Zn) на механические свойства, построена матрица планирования эксперимента по плану 23 с использованием специализированной программы для расчетов. Проведена математическая оптимизация химического состава сплава для получения повышенного уровня свойств.

It is shown, that within the limits of branded composition structure and properties of alloy Мл-5 can vary. To study the influence of the basic alloying elements of an alloy (Al, Mn, Zn) on mechanical properties, the matrix of experiment planning due to plan 23 using the specialized program for calculations is constructed. Mathematical optimization of a chemical composition of an alloy for achieving maximum level ofproperties is done.

УДК 669.539.2

Д-р техн. наук В. Е. Ольшанецкий Национальный технический университет, г. Запорожье

ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПАРЦИАЛЬНЫХ ХИМИЧЕСКИХ ПОТЕНЦИАЛОВ КОМПОНЕНТОВ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ОПИСАНИИ ФАЗОВЫХ РАВНОВЕСИЙ

С позиции использования парциальных химических потенциалов рассматриваются относительно простые подходы к описанию различных типов фазовых равновесий без применения в этих случаях процедуры минимизации свободной энергии.

В специальной и учебной литературе при обсуждении термодинамики фазовых превращений и равновесий крайне редко используются парциальные химические потенциалы атомных или мольных величин, поскольку считается, что они составляют прерогативу физической химии. Однако использование этих энергетических характеристик в физической металлургии (металловедении) и теоретическом материаловедении может быть исключительно полезным, поскольку определяет наиболее простые пути достижения поставленных целей (например, исключает из рассмотрения процедуру минимизации того или иного вида свободной энергии), и, кроме того, учет изменения химических потенциалов компонентов позволяет легко установить «узкое звено» (лимитирующий фактор) структурных изменений с участием нескольких микропроцессов. В этом смысле важную информацию о движущих силах различных микропроцессов могут дать, например, типовые бинарные диаграммы равновесия, перестроенные в координатах «температура-парциальный химический потенциал» [1].

Ниже попробуем использовать представления о парциальных химических потенциалах для описания различных видов равновесий (устойчивых и неустойчивых), касающихся как однокомпонентных, так и бинарных термодинамических систем.

Рассмотрим вначале вопрос о критическом зародыше новой фазы в однокомпонентной переохлажденной жидкости. Традиционное рассмотрение этого воп-

роса, широко используемое в учебной литературе, часто приводит в недоумение внимательного читателя, поскольку само появление зародыша критического размера связано с повышением свободной энергии системы жидкость-зародыш (а это вступает в противоречие со вторым началом термодинамики и требует более убедительных обоснований, чем те, что приводятся авторами литературных источников).

На наш взгляд такого рода препятствий можно избежать, если поставить вопрос об изменении химического потенциала определенного компонента в направлении, создающем реальную движущую силу процесса превращения.

На рис. 1, а приведен график изменения парциального химического потенциала цЛ (г) сферической частицы (радиуса г) твердого вещества для одноком -понентной системы, состоящей из атомов сорта А, и переохлажденной относительно температуры равновесия твердой и жидкой фаз на величину ДТ. В точке

о

пересечения кривой потенциала цЛ (г) для твердой фазы с прямой, отвечающей значению парциального

химического потенциала атомов А в жидкой фазе (ц А), имеет место равенство

Ц A = Ц A (r ) = Ц A (r = <»)+у vA ,

(1)

в котором правая часть учитывает дополнительное

© В. Е. Ольшанецкий, 2008

34