ПРИНЦИПЫ ДОСТИЖЕНИЯ ВЫСОКОЙ ПРОЧНОСТИ И ПЛАСТИЧНОСТИ В АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ МЕТОДАМИ БОЛЬШИХ
ДЕФОРМАЦИЙ
Рогачев С.О., Наумова Е.А.
НИТУ МИСИС, г. Москва, Россия E-mail: [email protected]
Известно, что методы больших деформаций эффективно (в разы) повышают прочность алюминиевых сплавов. С другой стороны, часто имеющая место серьезная деградация пластичности ограничивает применимость этих методов.
Достичь баланса высокой прочности и пластичности металлического материала можно за счет создания специального структурного дизайна, обеспечивающего процессы аккомодации (релаксации) при нагружении. Такие структуры можно получить в эвтектических алюминиевых сплавах типа естественных композитов (систем Al-La, Al-Ce, Al-Ni и др.) с отсутствием растворимости эвтектикообразующего компонента в алюминиевой матрице. При обработке таких сплавов методами больших деформаций структурообразование проходит преимущественно по механизму динамической рекристаллизации; формирующиеся ультрамелкие кристаллиты свободные от дефектов, с одной стороны, будут обеспечивать зернограничное упрочнение, с другой - возможность релаксации, а измельченные эвтектические частицы - дополнительное упрочнение по механизму Орована. При этом объемная доля частиц в структуре сплава обычно должна быть менее 20 %, в ином случае для достижения баланса высокой прочности и пластичности потребуется дополнительный отжиг после деформационной обработки.
На примере двухфазных сплавов эвтектического состава Al-9%Ce, Al-9%La и Al-6%Ni (мас. %) показано, что формирование в них нано- и субмикрокристаллической структуры с низкой плотностью внутрикристаллических дефектов и измельчение эвтектических частиц до нано уровня в результате их обработки кручением под высоким давлением (5 оборотов) обеспечивает одновременное многократное (в 2-6 раз) повышение прочности при сохранении высокого запаса пластичности (5-20 %).
Наибольшее повышение прочности и сохранение (или даже увеличение) пластичности достигается в доэвтектических сплавах Al-4%Ca-0,8%Mn-(0,5-1,3)%Fe (мас. %). В этом случае кручение под высоким давлением (3 оборота) приводит к последовательному измельчению эвтектических частиц до наноуровня с последующей трансформацией большинства из них в сегрегации кальция (нанокластеры). Процесс трансформации частиц накладывается на процесс измельчения микроструктуры, в результате чего в сплаве формируется бимодальная нанокристаллическая структура твердого раствора алюминия, обеспечивающая эффективное зернограничное упрочнение, а свободное от дефектов тело кристаллитов и несовместимость деформации из-за бимодальной структуры -сохранение пластичности. Так, у сплава с содержанием железа 0,5 мас.% предел текучести увеличивается в 4,3 раза (до 519 МПа), предел прочности - в 3,9 раз (до 637 МПа), а относительное удлинение - в 1,1 раз (до 9 %); а у сплава с содержанием железа 1,3 мас.% предел текучести увеличивается в 6,5 раза (до 684 МПа), предел прочности - в 4,4 раз (до 770 МПа), а относительное удлинение - в 1,7 раз (до 5 %).
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (грант № 20-19-00746-П).