CC BY
32
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ _
Научный редактор раздела докт. техн. наук, профессор И. С. Полькин
УДК 621.771.23/669.715
РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПРОИЗВОДСТВА ПЛИТ ИЗ ЖАРОПРОЧНОГО ДЕФОРМИРУЕМОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА АК4-1. ЧАСТЬ 3. ВЛИЯНИЕ СОСТАВА СПЛАВА И НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОЛУФАБРИКАТОВ
В. В. Телешов, докт. техн. наук (ОАО «Всероссийский институт легких сплавов», e-mail: [email protected])
С привлечением литературных данных рассмотрено влияние химического состава, величины зерна и параметров технологии на структуру, механические свойства при растяжении и электрические характеристики полуфабрикатов из сплава АК4-1. Показана роль структуры в обеспечении требуемой пластичности высотных разрывных образцов и необходимость определения удельной электропроводимости для контроля достигнутой стадии старения при термической обработке.
Ключевые слова: сплав АК4-1, структура, механические свойства при растяжении, электрические характеристики.
Development of a Technology for Production of AK4-1 High-Temperature Aluminium Alloy. Part 3. The Effect of the Alloy Composition and Some Technological Parameters on Mechanical Tensile Properties and Electrical Characteristics of the Semiproducts. V.V. Teleshov.
The effect of chemical composition, grain size and technological parameters on the structure, mechanical tensile properties and electrical characteristics of the AK4-1 alloy semiproducts are discussed on the basis of data found in published works. The role of the structure in ensuring of the desired ductility of short transverse rupture specimens and the necessity of determination of conductance for control of the reached ageing stage in the course of heat treatment are shown.
Key words: AK4-1 alloy, structure, mechanical tensile properties, electrical characteristics.
Введение
В статье [1] показано, что катаным плитам из сплава АК4-1 (АК4- 1ч) свойственна структурная неоднородность и снижение прочности центральных объемов, сопровождаемые
уменьшением содержания в них основных легирующих компонентов из-за обратной зональной ликвации, наблюдаемой в плоских слитках (уменьшение содержания меди на -0,25 % и магния на -0,15 %).
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Изучение влияния состава алюминиевых сплавов основных систем легирования на их свойства для различных полуфабрикатов и состояний термической обработки проводилось систематически, в том числе для сплавов системы А1-Мд-Си, к которой принадлежат сплавы типа АК4-1. На примере неплаки-рованных катаных листов толщиной 2 мм в естественно состаренном состоянии [2] получена зависимость кратковременной прочности при 20 и 200 °С от состава сплавов этой системы с неуказанным содержанием марганца (рис. 1). Сплав АК4-1 имеет минимальное содержание меди среди других промышленных сплавов этой системы и расположен в области малолегированных составов вблизи квазибинарного разреза, для которой характерно получение сплавов с достаточно высокими прочностными характеристиками. Изучены также свойства сплавов этой систе-
мы с дополнительным легированием железом, никелем и кремнием, относящихся к составу сплава АК4-1 [3-5]. Полученные данные позволили установить закономерности влияния на свойства сплава отдельных компонентов при постоянном содержании других и, в принципе,обосновать состав используемого промышленного сплава АК4-1 по основным легирующим компонентам. Однако отливаемые на практике слитки могут содержать различное соотношение компонентов в пределах марки сплава, поэтому в ряде работ изучали влияние совместного изменения содержания легирующих компонентов в пределах марочного состава сплава на механические свойства различных полуфабрикатов.
Ниже рассмотрены полученные закономерности влияния состава сплава и некоторых параметров технологии на структуру, механические свойства при растяжении и элек-
123456789
Мв, %
Рис. 1. Кривые близких значений временного сопротивления (в кгс/мк2) сплавов системы А—Мд—Си—Мп в закаленном и естественно состаренном состоянии при комнатной температуре:
заштрихована область состава сплава АК4- 1ч по ОСТ 1 90048-90
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
трические характеристики полуфабрикатов из сплавов рассматриваемой системы, в том числе катаных плит из сплава АК4-1 (АК4- 1ч).
Влияние химического состава
и величины зерна на механические свойства сплава АК4-1 при растяжении
В работе [6] рассмотрено влияние состава сплава на механические свойства прессованных прутков диаметром 12 мм из сплавов, близких по составу сплаву АК4-1. После закалки образцы подвергали старению 195 °С, 24 ч с разным перерывом между закалкой и старением (без перерыва, 4 и 12 суток). Результаты испытаний показали, что изменение уровня прочностных характеристик прутков для сплавов разного состава может достигать 70 МПа. Для двух сплавов с составом, соответствующим сплаву АК4-1 и различающимся по содержанию меди, получены характеристики, приведенные в табл.1.Увеличение содержания меди приводит к существенному повышению прочности материала.
В работе [6] отмечается, что для достижения высокого уровня прочностных характеристик необходимо избегать сочетания максимального содержания меди с минимальным содержанием магния, обеспечивать содержание кремния не ниже 0,15 %, а содержание железа и никеля поддерживать близким к 1 % каждого. Допускается некоторое превышение (на 0,05 - 0,20 %) содержания железа над содержанием никеля. Минимальный перерыв между закалкой и старением, а также медленный нагрев до температуры старения обеспечивают более высокий уровень прочностных характеристик.
Таблица 1
Состав и прочностные характеристики прессованных прутков диаметром 12 мм из сплава АК4-1Т1
Сплав Содержание компонентов, % мас. МПа ст0,2> МПа
Си Мд Ре Ы1 Б1
1 2 1,98 2,52 1,50 1,48 1,30 1,23 1,20 1,22 0,18 0,21 447 466 330 371
Изменение механических свойств сплава АК4-1чТ1 в зависимости от химического состава в работе [7] рассмотрено на примере прессованных полос сечением 65 х 200 мм. Был реализован полный факторный эксперимент типа 23, включающий в себя варьирование на двух уровнях (максимальное и минимальное содержание) меди (2,4 и 2,0 %), магния (1,7 и 1,3 %), суммы железа и никеля (2,6 и 2,0 %). Полосы после закалки и правки растяжением старили по режиму 195 °С, 8 ч. Определяли механические свойства на растяжение в трех направлениях.
Результаты испытаний показали, что полосы разного состава имеют рекристаллизо-ванную структуру со средним сечением зерна в продольном направлении 150-1100 мкм, а по толщине - 50-149 мкм. С увеличением содержания в структуре интерметаллидов происходит уменьшение размеров зерна. На количество избыточных фаз, изменяющееся от 4,5 до 8,6 % об., основное влияние оказывает содержание железа и никеля [8, рис. 3].
Интервал изменения механических свойств полос в состоянии Т1 приведен в табл. 2. На-
Таблица 2
Интервал изменения средних механических свойств на растяжение прессованных полос из сплава АК4-1 чТ1 различного химического состава
Ориентировка образца ств, МПа ст0,2, МПа 85, %
Интервал изменения Разница Интервал изменения Разница Интервал изменения Разница
По длине 394-431 37 329-406 77 7,5-15,8 8,3
По ширине 386-413 27 311-393 82 5,9-13,7 7,8
По толщине 362-401 39 312-368 56 0,8-9,4 8,6
"Ф
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Таблица 3
Химический состав сплава АК4-1 для изучения кинетики старения
Легиро-
Содержание легирующих компонентов и примесей, % мас.
вание Си Мд Ре Ы1 Б1 Т1 Мп
Мини- 1,9 1,1 0,94 0,95 0,08 0,05 0,02
мальное
Макси- 2,4 1,6 1,0 1,05 0,08 0,06 0,02
мальное
блюдается существенное изменение всех определяемых характеристик. При этом величина удельной электропроводимости у изменяется от 19,5 до 21,5 МСм/м. Она увеличивается с ростом содержания меди и снижением содержания магния и железа. Уменьшение содержания меди и магния с верхнего уровня содержания каждого компонента на нижний приводит к снижению прочности. Например, для долевого направления временное сопротивление уменьшается на 30 МПа, а предел текучести на 38 МПа при содержании железа и никеля на верхнем уровне и соответственно на 16 МПа и 24 МПа при содержании железа и никеля на нижнем уровне.
Полученный интервал изменения свойств при продолжительности старения 8 ч свидетельствует о влиянии на него химического
состава сплава, однако при этом не учитывается, что изменение содержания легирующих компонентов может влиять на кинетику старения, вследствие чего при одной продолжительности старения полуфабрикаты разного состава могут находиться на разной стадии старения. Если сопоставлять свойства и химический состав на максимуме кривой изменения прочностных характеристик при старении каждого сплава, то интервал изменения свойств, возможно, будет отличаться от приведенного в табл. 2.
В работе [9] изучили кинетику старения прессованной полосы сечением 55 х 200 мм и прокатанного из нее листа толщиной 2,5 мм из сплавов типа АК4-1 двух составов с минимальным и максимальным содержанием меди и магния. Химический состав сплавов приведен в табл. 3. Прессованную полосу после закалки правили с остаточной деформацией 1,5 %. Листы после закалки в карточках размером 30 х 40 см правили на роликоправиль-ной машине.
Механические свойства и у определяли после старения при 195 °С разной продолжительности. Удельную электропроводимость измеряли методом вихревых токов на поверхности листов или на продольной плоскости прессованной полосы, отфрезерованной на глубину 8 мм от поверхности. В табл. 4 сопоставлены механические свойства и у по-
Таблица 4
Свойства прессованных полос и катаных листов двух составов после старения Т1
на максимальную прочность
Полуфабрикат Легирование т, мин Ориентировка образца стВ, МПа ст02, МПа 85, % у, МСм/м
Т Т1
Полоса Минимальное 565 По длине По ширине По толщине 372 380 370 328 332 333 10,2 8,2 6,7 21,0 24,8
Максимальное 600 По длине По ширине По толщине 391 405 399 355 357 351 10,3 7,6 5,3 19,0 22,5
Лист Минимальное 780 По длине По ширине 381 381 342 350 6,9 6,1 20,6 25,6
Максимальное 660 По длине По ширине 412 410 365 349 7.0 8.1 18,7 23,3
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
луфабрикатов на максимуме упрочнения после старения продолжительностью т. Как видно из приведенных данных, продолжительность старения листов до этого состояния больше, чем прессованных полос, но зависимость т от химического состава прессованных полос отсутствует, а т листов уменьшается при максимальном легировании.
На максимуме прочности у листов на 0,8 МСм/м больше, чем у прессованных полос, при снижении у на 2,3 МСм/м каждого полуфабриката из сплава с максимальным легированием. При этом прочностные характеристики полос и листов из одного сплава близки и повышаются на 19-35 МПа при увеличении легирования.
Приведенные выше данные позволяют сопоставить уменьшение свойств центральных объемов катаных плит и наблюдаемое изменение свойств модельных полуфабрикатов при изменении их химического состава. Как показано ранее [1], зональная ликвация в плоских слитках сплава АК4-1ч уменьшает содержание меди в центральных объемах катаных плит на -0,25 и магния на -0,15 % мас., что существенно меньше, чем изменение содержания меди и магния в сплавах по табл. 3. Поскольку изменение состава (см. табл. 3) соответствует изменению прочности на -25 МПа (см. табл. 4), то на счет зональной ликвации в катаных плитах из сплава АК4-1 можно от-
нести половину наблюдаемой разности прочности центральных и поверхностных объемов (30 МПа), т. е. -15 МПа.
Дополнительно следует учитывать наблюдаемое увеличение размера зерна в центральных объемах катаных плит. Полученные на разных полуфабрикатах из сплава АК4-1Т1 данные показывают, что с ростом зерна всегда происходит снижение прочностных характеристик. На прессованных тонкостенных (2 мм) профилях увеличение площади зерна с 0,1 до 0,8 мм2 сопровождается уменьшением прочности на 10-20 МПа [10]. У катаных листов увеличение размера зерна с 18 до 117 мкм заметно снижает прочностные характеристики [11]. В [12] указано, что у листов увеличение размера рекристаллизованного зерна с 100 до 280 мкм уменьшает временное сопротивление с 420 до 390 МПа. На профилях с толщиной полки 2-10 мм наблюдается снижение прочности с ств=440 МПа, -0,2 = 380 МПа при размере зерна 30-45 мкм до ств = 380 МПа, -0,2 = 330 МПа при размере зерна 280330 мкм [13]. Для прессованной полосы толщиной 65 мм увеличение среднего размера зерна с 64 х 137 х 343 мкм до 230 х 430 х 1550 мкм сопровождается уменьшением прочности на -20 МПа при любой продолжительности старения (рис. 2) [14].
Крупногабаритные прессованные профили из сплава АК4-1Т1 после термической обра-
-в; -0,2, МПа
380
300
-+-Г-&
-в —0,2
24 0
у, МСм/м
24
22
,8
Л^д
16
т, ч
Рис. 2. Влияние продолжительности старения при 195 ° С на механические свойства (г -о,2, 8) и удельную электропроводимость (у) прессованных полос из сплава АК4- 1ч с крупным {О, 230 * 430 * 1550мкм) и мелким (А, 64* 137* 343мкм) зерном в продольном (а), поперечном (б) и по толщине (в) направлениях[14]
8
"Ф
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
ботки (закалка, правка и старение 195 °С, 16 ч) в зависимости от параметров технологии деформирования могут иметь структуру с различным зерном, от мелкозернистого до крупнозернистого размером в несколько миллиметров (рис. 3) [15]. Профиль с крупнозернистой структурой показывает более низкое временное сопротивление (табл. 5).
Если определять механические свойства одного профиля в зонах с разной структурой, то также обнаруживается снижение характеристик в зоне с крупным зернам: для зоны у поверхности профиля с крупным зерном ств = 351 МПа, ст02 = 311 МПа, 8 = 7,6 %, а в центре сечения в зоне с мелким зерном ств = 392 МПа, ст0,2 = 359 МПа, 8 = 8,4 %.
а б
Рис. 3. Макроструктура профиля с мелкозернистой
структурой (а), отпрессованного из литой гомогенизированной заготовки диаметром 1040мм
и профиля с крупнозернистой структурой (б), отпрессованного из кованого прямоугольного слитка сечением 550 * 1470мм [15]
Таблица 5
Механические свойства профилей с различной величиной зерна
Структура профиля Ориентировка образца МПа ^0,2' МПа 8, %
Мелко- По длине 399 338 9,1
зернистая По ширине 385 336 5,8
По толщине 374 325 4,4
Крупнозернистая По длине По ширине По толщине 366 359 373 338 329 334 8,7 6,5 6,3
В катаных плитах размер рекристаллизо-ванного зерна поверхностных и центральных объемов изменяется не столь кардинально. Так, в [16] для плиты толщиной 62 мм получены средние сечения зерна 78 х 91 х 167 мкм для поверхностного объема, а для центрального объема 89 х 102 х 233 мкм. Однако имеющаяся тенденция изменения свойств полуфабрикатов с разным размером зерна позволяет считать его величину существенным фактором, вносящим свою долю влияния в наблюдаемую разницу свойств поверхностных и центральных объемов плит.
Неравномерное распределение частиц фазы AlgFeNi в центральных объемах плоских слитков с образованием протяженных эвтектических колоний способствует появлению в катаной плите локальных скоплений частиц и больших объемов твердого раствора, свободного от частиц избыточных фаз. Такая структура центральных объемов катаной плиты с неравномерным распределением частиц избыточных фаз, ограничивающих рост рекрис-таллизованного зерна, способствует формированию в процессе нагрева под закалку более крупного зерна.
Совместное влияние в сторону снижения прочности пониженного содержания в центральных объемах плит основных легирующих компонентов и наличие более крупного рек-ристаллизованного зерна приводят к наблюдаемым особенностям изменения механических свойств в разных зонах по толщине плит из сплава АК4-1 чТ1.
Изменение размера зерна в полуфабрикатах из сплава АК4-1 влияет не только на механические свойства при растяжении. Как показано в работах [11, 12], для листов из этого сплава увеличение размера зерна с 18 до 117 мкм приводит к существенному уменьшению остаточной деформации при ползучести (рис. 4) и увеличивает длительную прочность. Улучшаются также характеристики надежности, например, увеличение размера зерна с 20 до 50 мкм уменьшает скорость роста трещины и вследствие этого в два раза увеличивает число циклов до разрушения.
Как отмечено в [11], коррозионная стойкость листов из сплава АК4-1 в искусственно состаренном состоянии удовлетворительная
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
0,18
«
к
и
«
а
а о О
«
Й К У О
Й н о О
0,14
0,10
0,06
0,02
Я
20 40 60 80 100 120 Размер зерна, мкм
Рис. 4. Влияние размера зерна в листах из сплава АК4-1 на остаточную деформацию при ползучести за 100 ч при температуре 175 °С и напряжении 176 МПа [11]
Таблица 6 Механические свойства прутка из сплава АК4-1Т1 в центральной зоне с крупнозернистой структурой
Ориентировка образца МПа, ст0,2> МПа 85, % KCU, МДж/м2
По длине 392 396 363 346 8,8 9,2 0,151 0,137
По диаметру 387 384 336 332 5,6 5,2 0,101 0,090
и не зависит от размера зерна. В то же время исследования, проведенные в [17] на штамповке из сплава АК4-1 с размером зерна 10-20 и 50-85 мкм, показали, что для крупнозернистой структуры характерна более высокая скорость общей коррозии, большие потери временного сопротивления и относительного удлинения разрывных образцов вследствие коррозионного поражения поверхности, меньшая стойкость к коррозии под напряжением. При этом в участках с крупным зерном твердость НВ составила 117-121 единицу, а в участках с мелким зерном она на 10-15 единиц выше. Общая характеристика сопротивлению коррозии полуфабрикатов из сплава АК4-1 дана в монографии [18].
Крупнозернистая структура может быть нежелательна и по другим обстоятельствам.
В [19] исследовали деталь с крупнозернистой структурой центральных объемов, находящуюся в термически обработанном состоянии и изготовленную из прессованного прутка сплава АК4-1 толщиной 130 мм. В зоне крупнозернистой структуры средняя толщина вытянутого зерна равна 350 мкм, а толщина отдельных зерен достигает 1,7 мм. Результаты механических испытаний двух образцов в каждом направлении в зоне крупнозернистой структуры приведены в табл. 6. При этом удельная электрическая проводимость, заме-реннаятоковихревым методом на поперечной плоскости прутка, составила 21,1 МСм/м.
Полученные свойства близки к характеристикам прессованных изделий, приведенным в табл. 5, и соответствуют требованиям технических условий на прутки из сплава АК4-1Т1 [20]. Они также сопоставимы со свойствами катаных плит.
Формирование в заготовке из прессованного полуфабриката крупнозернистой структуры и высокая скорость охлаждения при закалке в холодной воде приводят к появлению межзеренного разрушения в центральном объеме закаливаемой заготовки в области действия максимальных растягивающих остаточных напряжений [19]. Эти дефекты фиксируются при УЗК и обнаруживаются на поверхности разрушения при контролируемом изломе образцов из закаленного материала .
При механической обработке такой заготовки остаточные напряжения суммируются с дополнительными рабочими напряжениями, в результате чего действующее напряжение в области нахождения первичных участков межзеренного разрушения может превысить критическое, требуемое для разрушения материала в условиях плоской деформации. Тогда происходит полное разрушение заготовки с выходом трещины на поверхность и с образованием при доломе больших плоских поверхностей разрушения. Для исключения этого вида брака при механической обработке необходимо применять исходный полуфабрикат с мелкозернистой структурой и снижать скорость охлаждения заготовки при закалке, используя в качестве закалочной среды горячую воду.
"Ф
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Влияние структуры на механические свойства при растяжении в направлении толщины полуфабриката
Как показано в [8], критическим сдаточным параметром толстых плит из сплава АК4-1Т1 являются свойства высотных образцов, ориентированных по толщине плиты. В бездефектном материале при вязком разрушении микротрещины (поры) появляются в результате взаимодействия дислокаций, перемещающихся под действием касательных напряжений в пересекающихся плоскостях скольжения. Любое нарушение кристаллической решетки, приводящее к торможению дислокаций в плоскости скольжения, способствует образованию скопления дислокаций и возникновению несплошности в ее вершине у дефекта, которая является зародышем трещины.
Такими дефектами (препятствиями) могут быть границы зерен, включения избыточных фаз и неметаллические включения, поры, выделения упрочняющих фаз и частицы диспер-соида. Их наличие и расположение в реальном полуфабрикате зависят от состава сплава и технологии изготовления полуфабриката, а степень влияния на результаты механических испытаний зависит и от ориентации образца. Известно, что все полуфабрикаты из деформируемых алюминиевых сплавов, изготовленные с применением горячего деформирования, имеют механическую (геометрическую) текстуру, заключающуюся в ориентации в направлении деформирования различных структурных составляющих: границ зерен, строчек избыточных фаз, включений в дис-персоиде. На механическую текстуру накладывается кристаллическая текстура (совокупность кристаллографических ориентировок зерен), обусловленная ориентаций кристаллической решетки относительно направления деформирования.
Поскольку высотные разрывные образцы всегда ориентированы поперек направления деформирования, то растягивающие напряжения, действующие при их испытании, перпендикулярны границам зерен и строчкам избыточных фаз. В катаных полуфабрикатах, структура которых сформирована при плоской реверсивной прокатке под действием
одного и того же напряженного состояния, это положение усугубляется образованием плоских скоплений интерметаллидов, плоских зерен («лепешек»), ориентацией поверхности отдельных продолговатых частиц в плоскости прокатки.
Для высотных разрывных образцов из полуфабрикатов с подобной структурой вероятность образования при растяжении микротрещин максимальных размеров увеличивается по сравнению с разрывными образцами других ориентаций. Если образовавшаяся нормальная к растягивающим напряжениям трещина, например, по металлургическому дефекту (расслоению) сразу имеет критический размер, то разрывной образец может разрушиться практически без остаточной пластической деформации. В противном случае, например, если микротрещина возникла при отслоении по поверхности крупного включения или при его растрескивании, но не имеет критического размера, разрывной образец продолжает деформироваться, но микротрещина из-за неблагоприятной ориентации структуры относительно быстро достигает критической величины и образец разрушается при малой общей пластичности .
Ясно, что оптимальным для получения максимальной пластичности, в том числе высотной, является материал с минимально возможным числом мест зарождения микротрещин. Тогда разрушение будет происходить путем образования пор в центре сечения образца и последующего сдвига под действием касательных напряжений в плоскостях скольжения под углом 45° к оси образца.
В структуре реальных полуфабрикатов всегда присутствуют различные составляющие, отрицательно влияющие на высотную пластичность, суммарное действие которых и будет определять фактическое удлинение образца до разрушения и величину временного сопротивления. Анализ структурных факторов, приводящих к снижению пластичности высотных разрывных образцов при испытании полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов, проведен в [21]. Перед металлографическим и фрактографи-ческим исследованием разрушенного образца для выделения этих факторов необходимо
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
убедиться, что технология его изготовления и методика проведения испытаний на растяжение исключает наличие на поверхности образца каких-либо концентраторов напряжений, локального уменьшения диаметра или перекоса образца при испытаниях.
Можно выделить несколько основных структурных факторов, вызывающих преждевременное разрушение и оказывающих существенное влияние на относительное удлинение 8 высотных разрывных образцов из сплава АК4-1. К таким факторам относятся как явные дефекты структуры, такие как расслоения, первичные интерметаллиды, пористость и пережог, так и элементы нормальной структуры, обусловленные технологией изготовления полуфабрикатов и их термической обработки. К последним относятся присутствующие в структуре частицы избыточных фаз и степень развития строчечности в их расположении, а также степень распада твердого раствора при искусственном старении.
Выявляемые при ультразвуковом контроле (УЗК) расслоения представляют собой полное или частичное нарушение сплошности в структуре деформированного полуфабриката, изготовленного горячей обработкой давлением. В плитах площадь расслоения параллельна поверхности плиты. Оно может быть выявлено и при контроле макроструктуры полуфабриката. Если подобное расслоение с большой поверхностью попадает в объем высотного разрывного образца, то оно при растяжении сразу приводит к появлению поперечной трещины и разрушению образца с нулевой пластичностью. При малой площади расслоения для полного разрушения образца требуется некоторая пластическая деформация для развития трещины и после его разрушения фиксируется определенное пластическое удлинение, но, как правило, менее требуемого. Визуально расслоения на плоской поверхности разрушения высотного образа имеют вид площадок от серовато-желтоватого до черного цветов в зависимости от причин появления конкретного расслоения [22].
Повышенное содержание водорода в сплаве способствует образованию при термической обработке вторичной субмикроскопической пористости по высокоугловым границам.
Их присутствие ослабляет границы и вызывает преждевременное разрушение высотных образцов. При разрушении таких образцов в плоскости прокатки визуально наблюдаются светло-серые, часто блестящие площадки. При наблюдении в сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) на серых площадках обнаруживаются обширные области скоплений вторичных пор, а на блестящих площадках -скоагулированная вторичная пористость. Чем больше площадь таких дефектов в изломе высотного разрывного образца, тем ниже его пластичность .
К дефектам, отрицательно влияющим на пластичность, следует отнести также первичные интерметаллиды и шлаковые включения. Они не являются такими острыми концентраторами, как расслоения или ослабленные межзеренные границы, но из-за своих больших размеров также способствуют концентрации напряжений и преждевременному разрушению образцов любой ориентации. Технология изготовления любого полуфабриката должна минимизировать вероятность появления в структуре подобных дефектов.
В отличие от дефектов, избыточные фазы и их локальные скопления (строчки) всегда присутствуют в структуре всех изделий из сплава АК4-1 [1, 8]. Известно, что чем плотнее расположены частицы в строчке, тем быстрее при деформировании высотного образца произойдет его разрушение и тем ниже его относительное удлинение. Бороться с проявлением строчечности в структуре изделий можно путем уменьшения содержания в сплаве легирующих компонентов, участвующих в образовании избыточных фаз, измельчая дендритную структуру исходного слитка и используя схемы горячего деформирования, исключающие однонаправленное течение металла. Однако применение для прокатки плит кованого сляба не обязательно приводит к заметному повышению пластичности высотных образцов [8]. Если не использовать предварительную ковку слитка при изготовлении катаных плит и прессованных изделий, то основным способом уменьшения строчеч-ности является воздействие на кристаллизующийся металл при полунепрерывном литье.
Для каждого изделия присуще свое сочетание свойств в зависимости от степени распада твердого раствора при искусственном старении и дисперсности упрочняющих выделений метастабильной в-фазы. Как известно, сплавы системы А1-Си-Мд в естественно состаренном состоянии имеют высокие характеристики пластичности, которые существенно снижаются при искусственном старении по мере увеличения прочности материала из-за изменяющегося взаимодействия упрочняющих выделений с дислокациями на стадиях зонного или фазового старения. По [9, 14] для прессованной полосы максимального легирования 8 высотных образцов уменьшается при искусственном старении с 15,0 до 5,3 % (см. рис. 2). Такой же эффект наблюдается при старении плит из сплава АК4-1 [1].
Таким образом, по мере увеличения продолжительности старения до 24 ч полуфабрикат приобретает комплекс механических свойств с повышенной прочностью и минимальной пластичностью, свойственный полученному сочетанию химического состава сплава и структуры (величина зерна и характер распределения частиц избыточных фаз). В этом случае пониженное (менее 4 или 3 %) значение относительного удлинения высотных образцов будет определяться сочетанием всех структурных параметров рассматриваемого полуфабриката.
С целью повышения пластичности и вязкости разрушения при допустимом снижении прочности рекомендовано сдвинуть область практически используемого состава ряда деформируемых алюминиевых сплавов, в том числе сплава АК4- 1ч, в сторону нижнего предела марочного состава сплава [23].
Приведенные выше данные показывают, что получение на практике у толстых плит из сплава АК4-1 высоких прочностных характеристик, главным образом предела текучести, намного выше требуемых ст0,2 1 325 МПа по ОСТ1 90117, за счет интенсификации распада твердого раствора, нецелесообразно, если нужно обеспечить требуемую пластичность высотных образцов. Однако следует иметь в виду, что простое сокращение продолжительности старения полуфабриката позволяет сохранить высокую пластичность материала,
но эксплуатация при повышенной температуре детали, изготовленной из данного полуфабриката, будет приводить к достариванию и соответствующему общему снижению пластичности, т. е. к неконтролируемому изменению свойств в процессе эксплуатации.
Наличие деформационного воздействия на твердый раствор повышает концентрацию дефектов в структуре и влияет на кинетику последующего естественного и искусственного старения, изменяя также уровень достигаемых механических свойств. Для сплавов системы А1-Си-Мд, в том числе и сплава АК4- 1ч, отмечено заметное увеличение прочностных характеристик, особенно предела текучести, при увеличении остаточной деформации еост при правке растяжением [20]. Так, для плит из сплава АК4-1ч предел текучести в поперечном направлении увеличивается с 362 МПа при отсутствии правки растяжением, до 410 МПа при еост = 3 %. Относительное удлинение при этом снижается с 8,7 до 5,3 %. Таким образом, правка растяжением, с одной стороны, является необходимой операцией для устранения коробления плит, однако, с другой стороны, ее применение снижает пластичность материала.
На практике для правки плит используют деформирование с еост от 1 до 3 %, хотя известно, что основное снижение остаточных напряжений происходит при деформировании до 1 % [20]. В связи с этим, целесообразно ограничить верхний предел остаточной деформации величиной 1,5 %, если конструкция и система управления растяжной машины позволяет стабильно обеспечивать получение остаточной деформации в пределах от 1,0 до 1,5 %, и при этом неплоскостность плиты удовлетворяет установленным требованиям. Тогда при одной продолжительности старения прирост прочности материала будет снижен, а пластичность повышена. Связанные с этой проблемой вопросы обсуждены в работах [24, 25].
Влияние некоторых технологических операций на структуру и свойства полуфабрикатов
Многие технологические аспекты формирования структуры и ее влияния на свойства
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
полуфабрикатов из сплава АК4-1ч рассмотрены в справочнике [20]. Ниже приведены данные, отсутствующие или недостаточно полно изложенные в этом справочнике.
Принятый режим упрочняющей термической обработки сплава АК4-1 ч приведен в отраслевых документах и справочниках [5, 26]. Он включает нагрев под закалку при температуре (530 ± 5) °С продолжительностью, зависящей от толщины и вида полуфабриката, закалку в воде с температурой до 100 °С и искусственное старение при (195 ± 5) °С продолжительностью 7-9 ч (для плит, правленных в свежезакаленном состоянии) или 24 ч (для неправленых плит). Перерыв между закалкой и искусственным старением рекомендовано выдерживать менее 24 ч или проводить старение спустя 2 месяца естественного старения. Длительный перерыв характерен для плит, поставляемых в естественно состаренном состоянии, искусственное старение которых проводят после механической обработки.
Максимальная температура нагрева под закалку ограничена температурой начала плавления сплава. Встречающимся структурным изменением при термической обработке различных изделий является локальное оплавление, связанное с превышением установ-
Эндо
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Температура, °С
Рис. 5. Кривые ДСК образцов из поверхностного объема плиты сплава АК4-1 в состоянии Т1 после старения 195 ° С, 7 ч (кривая 1) и в состоянии Т после перезакалки с 530 ° С (кривая 2)
ленной температуры нагрева под закалку и называемое «пережогом» [27]. Пережог как неустранимый брак проявляется оплавлением легкоплавких структурных составляющих. Общим металлографическим признаком явного пережога считают появление внутризе-ренных округлых включений (глобулей) с дисперсным эвтектическим внутренним строением образовавшихся при кристаллизации локальных объемов расплава эвтектического состава. Поскольку плавление сплава при нагреве начинается на высокоугловых границах, особенно на их тройных стыках, отличающихся термодинамической неустойчивостью, то признаком начала пережога служит утолщение границ зерен и выявление в некоторых стыках зерен так называемых «галочек» при небольшой продолжительности травления металлографических шлифов. В ГОСТ 27637 [28] для выявления пережога рекомендуется травить шлифы продолжительностью от 5 до 30 с смесью 5 %-х водных растворов азотной, соляной и фтористоводородной кислот с последующим микроструктурным анализом.
Для выявления пережога изделий из сплава АК4-1 может быть эффективно применение метода дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), поскольку после нормальной термической обработки изделий из этого сплава в их структуре отсутствуют включения в-фазы, образующие при плавлении глобули эвтектики а + в. Обнаружение методом ДСК эффекта плавления легкоплавкой эвтектики при нагреве образца из контролируемого изделия, изготовленного из сплава АК4-1ч в термически обработанном состоянии, будет однозначно свидетельствовать о наличии пережога.
В работе [29] установили, что на наличие пережога в изделиях из сплава АК4-1чТ или Т1 указывает присутствие на кривой ДСК нескольких эндотермических эффектов плавления эвтектик в области температуры от 505 до 560 °С, особенно с максимумом при температуре 512 °С, которая соответствует температуре плавления наиболее легкоплавкой эвтектики а + в. На рис. 5 приведены кривые ДСК для образцов из исходной плиты сплава АК4-1чТ1 и после перезакалки с 530 °С в состоянии Т, в которых пережог отсутствует. Ха-
-Ф-
рактер высокотемпературных термических эффектов на обеих кривых идентичен. На рис. 6 приведены кривые ДСК для образцов металла после перезакалки с более высокой температуры. Появление на этих кривых ДСК эндотермических эффектов с максимумом теплопоглощения в области температуры от 505 до 560 °С коррелирует с металлографически выявляемыми признаками пережога.
Длинномерные полуфабрикаты после закалки, как правило, подвергают правке растяжением с остаточной деформацией от 1 до 3 % для уменьшения внутренних напряжений и устранения тем самым коробления при последующей механической обработке. Более быстрое повышение прочностных характеристик при старении полуфабрикатов, подвергнутых правке растяжением в свежезакаленном состоянии, типично для сплава АК4-1, как и для всех сплавов системы А1-Си-Мд [8, см. рис. 4], поскольку дефекты структуры, вносимые пластическим деформированием, ускоряют распад пересыщенного твердого раствора. Наблюдается также эффект повышения прочностных характеристик полуфабрикатов, состаренных после деформирования в свежезакаленном состоянии [20].
Холодное пластическое деформирование приводит к еще одному структурному эффекту из-за существенной разницы модулей упругости твердого раствора и интерметаллидов. При одном действующем напряжении удлинение твердого раствора больше удлинения включений, что при малой пластичности интерметаллидов приводит к появлению трещин в крупных включениях с наибольшей абсолютной разницей деформации или к их отслоению от матрицы. Трещины в интерметаллидах можно рассматривать как потенциальные зародыши разрушения, снижающие долговечность материала при циклических нагрузках.
Влияние правки растяжением в свежезакаленном состоянии с величиной остаточной деформации е от 0,5 до 2,8 % на трещинооб-разование в структуре катаных и ковано-катаных плит толщиной от 60 до 85 мм из сплава АК4-1 ч рассмотрено в работе [30]. Для выявления трещин в фазах использовали электрополировку шлифов. При наблюдении в световом микроскопе трещины имеют вид черточек
Эндо
100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 Температура, °С
Рис. 6. Кривые ДСК образцов из поверхностного объема плиты сплава АК4-1 после перезакалки образцов с 550 ° С (кривая 1) и 560 ° С (кривая 2). Старение образцов по режиму 195 ° С, 8 ч
Рис. 7. Трещины в фазах Л!выявляемые при микроструктурном анализе плиты из сплава АК4- 1чТ1 в продольной по толщине плоскости в центре сечения. Электрополировка и анодное оксидирование, *250
в фазах, ориентированных по толщине плиты (рис. 7). Для определения количественных критериев трещинообразования в фазах по предложенной в работе [30] методике определяли следующие параметры: среднюю длину трещин 1(, мкм; суммарную длину трещин на единице площади шлифа II, мкм/мм2; число трещин на единице площади шлифа п, шт./мм2. Естественно, чем крупнее включения избыточных фаз в структуре (т), тем больше параметр I(- (рис. 8).
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Установлено, что в плитах из сплава АК4-1 ч с объемной долей включений около 6 % об. трещины появляются при е « 0,5 % и их количество п резко возрастает до 250 шт./мм2 при повышении е до 2,5 % (рис. 9). Суммарная длина трещин Е/ при этом достигает величины 1000 мкм/мм2.
¡1, мкм
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
щ) /
/ / /
/ /
• V у л. : -
* *
1,4
1,8
2,2
2,6 т, мкм
Рис. 8. Зависимость между средним сечением включений избыточных фаз т по толщине плиты из сплава АК4- 1ч и средней длиной Ь трещин в фазах
300
250
200
н150
100
50
/ 4 , /
/ « ' оо /
1 1 т / / /
/ /. /
/ * / г / / •
1 ло о / / с V 1
0
1
Рис. 9. Влияние остаточной деформации е при правке растяжением плит из сплава АК4-1ч на число трещин на единице площади шлифа п для поверхностных (О) и центральных (Ф) объемов
Поскольку трещины в интерметаллидах можно рассматривать как потенциальные зародыши разрушения, снижающие долговечность материала при циклических нагрузках, то для снижения их количества правку растяжением следует проводить с минимально возможной величиной остаточной деформации. Кроме того, как показано ранее, увеличение еост приводит к росту прочности и снижению пластичности, что повышает вероятность получения низкого относительного удлинения высотных разрывных образцов. Это обстоятельство также требует ограничения величины остаточной деформации при правке растяжением плит из сплава АК4-1. Более строгое регламентирование в узких пределах величины остаточной деформации при правке растяжением возможно при автоматизации процесса растяжения с использованием датчиков перемещения головок растяжной машины и развиваемого ею усилия [24, 25].
В ряде случаев холодное деформирование при формообразовании деталей из алюминиевых сплавов проводят в отожженном состоянии до упрочняющей термической обработки. Если при этом степень деформации попадает в область критической деформации, составляющей для сплава АК4-1 около 3 %, то в изделии после закалки наблюдается крупнозернистая структура и происходит снижение механических свойств на растяжение.
В работе [31] для листа из сплава АК4-1 с исходной величиной зерна около 25 мкм построена зависимость размера зерна и механических свойств в состоянии Т1 от степени деформации в холодном состоянии перед закалкой. Полученная зависимость представлена на рис. 10. В области критической деформации с е от 2,5 до 3,5 % максимальное снижение прочностных характеристик составляет 30 МПа для ств и 50 МПа для ст0,2.
Сплавы системы А1-Си-Мд, в том числе сплав АК4-1, чувствительны к условиям нагрева полуфабрикатов при проведении операции искусственного старения. Для сплавов этой системы характерно, что в области температуры старения от 180 до 210 °С изменяется продолжительность старения т до получения максимальных прочностных характеристик, но сами максимальные свойства
изменяются мало [5]. На рис. 11 эта зависимость показана для сплава АК4-1 по приведен -ным в [5] данным. В температурной области 180-210 °С она имеет вид т = 17592-81,6^ мин. Если принятая продолжительность старения полуфабрикатов до максимума прочности остается постоянной, например 28 ч при 195 °С согласно рис. 11, а продолжительность нагрева до этой температуры изменяется, то при медленном нагреве из-за увеличенной продолжительности нахождения сплава в области высокой температуры фактическая степень распада твердого раствора в старящемся полуфабрикате будет выше, что приведет к изменению получаемого уровня прочности и других характеристик изделий.
В работе [32] предложена методика расчета продолжительности старения изделий, учитывающая происходящее упрочнение сплава при нагреве садки до номинальной температуры старения tи (£н = 195 °С для сплавов типа АК4-1) и приведенное выше линейное выражение для зависимости т - t. Получаемая согласно этой методике расчета для случая старения сплава АК4-1 при t = 195 °С зависимость продолжительности старения т1 до получения максимальной прочности имеет вид Т1 = 1680-0,756Ат, т. е. каждый час нахождения садки в интервале от 180 до 195 °С уменьшает требуемую выдержку при 195 °С на 45 мин.
О важности учета влияния условий проведения термоадьюстажной обработки на определяемые механические свойства плит свидетельствуют приведенные на рис. 12 результаты сопоставления предела текучести и относительного удлинения высотных разрывных образцов из плит толщиной 45 мм сплава АК4-1 чТ1, состаренных на металлургическом заводе в разных условиях.
Заготовки под образцы, состаренные в лабораторных условиях при быстром нагреве до принятой температуры старения, имеют более низкие значения предела текучести и, соответственно, повышенную пластичность. При старении плит в цеховой печи старения при более медленном нагреве металла получаемое значение предела текучести более высокое при значении относительного удлинения высотных образцов менее требуемых 4 %.
ав> а0,2:
400
МПа
350 300
Ь, мкм 250 200 150 100 50 0
"41
\
N Ч ---" а0,2
\ V: 5
>
) Ь
5, % 20
15
10
е, %
Рис. 10.. Влияние степени деформации е отожженного листа из сплава АК4-1 перед закалкой на размер зерна L и механические свойства в состоянии Т1
Рис. 11. Влияние температуры на продолжительность старения сплава АК4-1 до получения максимума прочности по [5]
5, %
Оч \
о о ч о ^ о \ \
О о зо, ( ) о ^ Пг? о О—оо \ ДА4 А
ч о . 1 —- п А ^ "V А ^ ЛА
• ч А ▲ > ▲ ▲
• А
320 330 340 350 360 370 380 390 400
а0 2, мкм
Рис. 12.. Связь между пределом текучести и относительным удлинением высотных образцов из плит толщиной 45 мм сплава АК4- 1чТ1, состаренных в виде плит в цехе (Л, Ж) и в лабораторных условиях (О, Ф):
О, А - образцы без дефектов; •, А - образцы с дефектами
2
1
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Наличие в изломе мелких расслоений снижает относительное удлинение. При этом образцы металла, состаренные до более высокого предела текучести, показывают большую чувствительность к наличию расслоений в своем объеме, поскольку в изломе этих образцов разрушение по дефектам встречается чаще, чем в недостаренном до максимальной прочности состоянии.
Использование электрических
характеристик для контроля упрочняющей стадии старения изделий из сплава АК4-1
Существенным признаком алюминиевых сплавов как металлического материала является способность проводить электрический ток, характеризуемая удельным электрическим сопротивлением или обратной ему величиной - удельной электрической проводимостью. Эти структурно-чувствительные характеристики зависят от химического состава сплава и структурных изменений в полуфабрикатах, обусловленных технологией их изго-
у, МСм/м
\
26 24 2220 18
1
2У
/
440
400 360 ст„, МПа
280 320 360 о0,2, МПа
280 320 360
^0,2, МПа
Рис. 13. Соотношение между прочностными характеристиками в продольном направлении и удельной электропроводимостью после искусственного старения при 195 ° С листов толщиной 2,5 мм из сплавов типа АК4- 1ч: - 1,9 % Си и 1,1 % Мд; 2 - 2,4 % Си и 1,6 % Мд
товления и термической обработки, поэтому их можно использовать для выявления происходящих структурных превращений и вызванных ими изменений механических, коррозионных и других структурно-чувствительных свойств [33, 34]. Для практических целей наиболее удобен вихретоковой метод определения удельной электропроводимости у по описанной в [35] методике с помощью соответствующих приборов вихретокового контроля с накладными датчиками.
Влияние различных факторов (химический состав, режим термической обработки, структура) на у прессованных и катаных полуфабрикатов из сплавов системы А1-Си-Мд, рассмотренное в работе [36], показывает возможное изменение у при комнатной температуре в пределах от 15 до 27 МСм/м при переходе от естественно состаренного состояния к искусственно состаренному и отожженному состояниям.
Удельная электропроводимость в процессе искусственного старения термически упрочняемых алюминиевых сплавов на стадиях упрочняющего старения и перестаривания непрерывно возрастает ( см . рис . 2). Видно , что для прессованных полос максимальная прочность при минимуме пластичности для всех ориентаций образцов достигается после 16 ч старения при у = 22 МСм/м. Аналогично изменяются свойства катаных плит [1, см. рис. 11].
Поскольку при искусственном старении на стадии упрочняющего старения происходит увеличение прочностных характеристик и удельной электропроводимости с линейной зависимостью между ними, то сравнение этих характеристик позволяет наглядно сопоставить свойства при старении по предложенной в [37] форме изображения изменения свойств. На рис. 13 изменение свойств науп-рочняющей стадии искусственного старения представлено для листов толщиной 2,5 мм из сплава АК4- 1ч двух составов с различным содержанием меди и магния. Сплав повышенного легирования имеет более высокие прочностные характеристики при пониженной у.
Построение для конкретного полуфабриката соотношения свойств при старении по данной форме позволяет комплексно представить изменение свойств в их взаимосвязи
1
2
1
1
по мере распада твердого раствора, степень которого оценивается величиной удельной электропроводимости у, и облегчает сравнительный анализ влияния химического состава, технологии изготовления и структуры на соотношение регламентируемых свойств полуфабрикатов.
Удельная электропроводимость, измеряемая после термической обработки при комнатной температуре, фиксирует достигнутое состояние распада твердого раствора в данном полуфабрикате и позволяет контролировать процесс старения по образцам- свидетелям, вынимаемым из печи старения после определенной продолжительности нагрева.
При проведении такого контроля следует учитывать, что удельная электропроводимость, определяемая токовихревым методом, зависит от ориентации структурных элементов относительно направления токов, индуцированных в металле при токовихревом контроле. В работе [38] для плит из сплава АК4-1 ч показано, что удельная электропроводимость уц, замеренная на плоскостях, параллельных поверхности плиты, на 0,9 МСм/м больше, чем Ув, замеренная на плоскостях, перпендикулярных поверхности плиты, что связано с анизотропно расположенными элементами структуры в прокатанном материале, которые оказывают большее сопротивление электрическому току, направленному по толщине полуфабриката. Поэтому при построении статистических зависимостей между удельной электропроводимостью и свойствами полуфабрикатов необходимо фиксировать положение плоскости проведения измерений.
Альтернативой такому наблюдению за процессом распада твердого раствора является предложенный в работе [39] способ, использующий параметр, связанный с распадом твердого раствора и позволяющий определять стадию распада непосредственно в процессе старения. Таким определяемым параметром является электрическое сопротивление И полуфабриката при температуре старения, изменение которого в процессе выдержки благодаря распаду пересыщенного твердого раствора происходит одновременно с изменением механических свойств полуфабриката при комнатной температуре. По-
лучаемое абсолютное значение И зависит от геометрических размеров полуфабриката, а относительная скорость понижения электрического сопротивления Уд/И и отношение максимального значения электрического сопротивления полуфабриката при температуре старения к его текущему значению Ямакс/Ит не зависят от геометрических размеров образца или полуфабриката и состава сплава.
Например, на рис. 14 приведено изменение всехсвойств при старении листа из сплава АК4- 1ч минимального легирования (1,9 Си и 1,1 Мд, % мас.) по [9, 24]. В данном случае при достижении максимальной прочности у = 25,6 МСм/м, а Ямакс/Ит = 1,11, то есть электрическое сопротивление уменьшается на 10 % от своей первоначальной максимальной величины. Как показано в [9], это значение отношения Ямакс/Ит практически не изменяется в прессованных и катаных полуфабрикатах из сплавов системы А1-Си-Мд
а 78
о
74
70
340
300
О
е°260 200
-о—с
с
-- *л
4 ЧУ
/
о41
^шах
1,16 -
^
О
1,08 - 23^
г-
1,00 - 21
5, %
18
14
10
1,2 1,6 2,0
2,4
_I_
2,8
120 240 360 780 480
т, мин
6
3,2 1£т
_I
1440
Рис. 14. Кинетика изменения электрического сопротивления й (1) и параметра ймак/йх (2) при температуре старения листа из сплава АК4-1ч
минимального легирования, удельной электропроводимости (3) и механических свойств ов (4), о0 2 (5), 8 (6) в продольном (О) и поперечном (О) направлениях при комнатной температуре
0
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
типа АК4-1ч и Д16 при различном содержании основных легирующих компонентов.
Преимуществом этого способа контроля процесса распада твердого раствора является возможность непрерывного наблюдения за состоянием полуфабриката при старении, в то время как определение удельной электропроводимости ограничено в настоящее время областью комнатных температур. Если контроль температуры и длительности старения дополнить еще контролем изменения электрического сопротивления полуфабриката при температуре старания, то получим возможность непосредственно наблюдать за распадом твердого раствора и прекращать процесс старения на оптимальной стадии, не допуская перестаривания или недостаривания из-за металлургической наследственности или особенностей печного оборудования .
Заключение
Приведенные выше данные показывают, что для сплава АК4-1Т1 изменение содержания меди и магния с нижнего до верхнего уровня их содержания в марочном составе сплава увеличивает прочностные характеристики прессованных и катаных полуфабрикатов с рекристаллизованной структурой на -25 МПа при некотором снижении пластичности. С ростом зерна снижаются прочностные характеристики этих полуфабрикатов. Наибольшее уменьшение прочности наблюдается у прессованных изделий с размером зерна в несколько миллиметров.
Для изготовления деталей путем их механической обработки нежелательно использование прутков с грубозернистой структурой и высоким уровнем остаточных напряжений при их закалке в воде комнатной температуры из-за возможного разрушения детали при механической обработке вследствие суммирования остаточных и рабочих напряжений .
Вместе с тем увеличение размеров зерна в листах в определенных пределах (до 50 мкм) способствует повышению сопротивления ползучести и увеличивает длительную прочность.
На результаты испытаний высотных разрывных образцов наибольшее влияние оказывают расслоения, скопления избыточных фаз, излишнее упрочнение твердого раствора. Последнее снижает пластичность так же, как наличие правки растяжением и перестаривание.
Остаточную деформацию при правке растяжением необходимо по мере возможности уменьшать во избежание чрезмерного повышения прочности и снижения пластичности при старении, а также из-за появления внутренних концентраторов напряжений в виде трещин в фазах.
При определении сдаточных характеристик плит по результатам испытания образцов, вырезанных из плит после их старения, следует учитывать, что кратковременное старение тянутых плит по принятому режиму (195 °С, 7 ч) может приводить к излишнему упрочнению материала при медленном нагреве до достижения номинальной температуры старения. Старение образцов перед испытаниями по тому же режиму, но с быстрым нагревом в лабораторной печи старения (при сдаче плит в состоянии Т) приводит к получению более низких прочностных характеристик при повышенной пластичности высотных образцов.
Структурно-чувствительные электрические характеристики, в частности удельная электропроводимость, зависят от химического состава сплава и структурных изменений в полуфабрикатах, обусловленных технологией изготовления и термической обработки, поэтому их можно использовать для выявления происходящих структурных превращений и вызванных ими изменений механических, коррозионных и других структурно-чувствительных свойств материала. Для уточнения фактической стадии старения, на которой находятся образцы при проведении механических испытаний, результаты испытаний следует дополнять величиной удельной электропроводимости.
Возможно прямое измерение электросопротивления полуфабриката в процессе старения, которое позволяет контролировать процесс распада твердого раствора и осуществлять непрерывное наблюдение за состоянием полуфабриката при старении,
-Ф-
-Ф-
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
в то время как определение удельной электропроводимости ограничено в настоящее время областью комнатных температур и позволяет судить о конечном состоянии материала.
В продолжении обзора будут рассмотрены закономерности влияния состава и структуры полуфабрикатов из сплава АК4- 1ч на их вязкость разрушения и усталостные характеристики.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Телешов В.В. Развитие технологии производства плит из жаропрочного деформируемого алюминиевого сплава АК4-1. Часть 2. Особенности структуры плоских слитков и прокатанных из них плит // Технология легких сплавов. 2014. № 4. С. 6-22.
2. Шилова Е.И., НикитаеваО.Г., Амбарцумян С.М. и др. Свойства сплавов системы алюминий-медь-магний-марганец // В кн.: Металловедение легких сплавов. - М.: Наука, 1965. С. 78-87.
3. Лужников Л.П. Деформируемые алюминиевые сплавы для работы при повышенных температурах. - М.: Металлургия, 1965. -290 с.
4. Романова О.А. Жаропрочные деформируемые алюминиевые сплавы, перспективы их развития // МиТОМ. 1983. № 7. С. 9-12.
5. Романова О.А. Жаропрочные сплавы типа АК4-1. Промышленные алюминиевые сплавы: справ., изд. 2-е. - М.: Металлургия, 1984. С. 109-121.
6. Щелбанина О.А., Захаров Е.Д., Кольцова А.А. Зависимость механических свойств полуфабрикатов от состава и условий искусственного старения сплава АК4-1 // Технология легких сплавов. 1972. № 2. С. 12-15.
7. Кудряшов В.Г., Телешов В.В. Вязкость разрушения алюминиевых сплавов и оптимизация их химического состава // Технология легких сплавов. 1984. № 3. С. 14-19.
8. Телешов В.В. Развитие технологии производства плит из жаропрочного деформируемого алюминиевого сплава АК4-1 в связи с их структурой и механическими свойствами. Часть 1. Сплавы системы А!-Си-Мд-Ре-Ы1 и технология изготовления плит // Технология легких сплавов. 2014. № 3. С. 14-28.
9. Телешов В.В., Сироткина О.М. Кинетика старения прессованных и катаных алюминиевых сплавов // Изв. АН СССР. Металлы. 1989. № 6. С.106-111.
10. Козловская В.П., Иода М.В., Третьякова М.Д.
Влияние типа структуры на механические свойства прессованных профилей из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1972. № 2. С. 9-12.
11. Шилова Е.И., Никитаева О.Г. Влияние размера зерна на свойства листов из сплавов АК4-1 и Д16 // В кн.: Металловедение сплавов легких металлов. -М.: Наука, 1970. С. 33-37.
12. Шилова Е.И., Никитаева О.Г. Сплавы Д16, Д19, ВАД1, АК4-1. Алюминиевые сплавы. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. - М.: Металлургия, 1974. С. 92-129.
13. Бобовников В.Н. Влияние исходной структуры полуфабриката на «критическую» рекристаллизацию сплава АК4-1 // МиТОМ. 1983. № 7. С.26-28.
14. Телешов В.В., Штовба Ю.К., Смоленцев В.И.
и др. Влияние величины зерна на вязкость разрушения и усталостную прочность сплава АК4-1 ч // МиТОМ. 1983. № 7. С. 29-34.
15. Баратов В.И., Силаев П.Н., Зайковский В.Б. и др. Опыт освоения производства крупногабаритных профилей из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1976. № 12. С. 20-26.
16. Телешов В.В. Неоднородность структуры по толщине катаных плит из алюминиевых сплавов и анизотропия их механических свойств // Технология легких сплавов. 1981. № 8. С. 6-11.
17. Смирнова Т.Н., Густарева А.А., Косвинцева Ф.В. Коррозионные свойства сплавов АК4-1 и В93 в зависимости от величины зерна и направления волокна // МиТОМ. 1974. № 6. С. 30-32.
18. Синявский В.С., Вальков В.Д., Калинин В.Д. Коррозия и защита алюминиевых сплавов. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1986. - 368 с.
19. Телешов В.В., Логинова Т.И., Климович Л.Г. и др. Остаточные напряжения и крупнозернистая структура - причина разрушения деталей из сплава АК4-1 при механической обработке // Авиационная промышленность. 2007. № 2. С. 43-50.
20. Арчакова З.Н., Балахонцев Г.А., Басова И.Г. и др. Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ., изд. 2-е. - М.: Металлургия, 1984. -408 с.
21. Телешов В.В., Петров А.Д. Выявление структурных факторов, определяющих снижение пластичности полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов // Цветные металлы. 1989. № 4. С. 77-80.
22. Телешов В.В. Журнал «Технология легких сплавов» как источник информации о работах металловедов и технологов ВИЛСа в области изучения деформируемых алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 22-51.
23. Технологическая рекомендация ТР 297-31/37/36-82. Оптимизация химического состава сплавов
ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИИ. ИННОВАЦИИ
Д16ч, В95пч, 1201, АК8, АК4-1ч для повышения конструкционных свойств полуфабрикатов. - М.: ВИЛС, 1982. -13 с.
24. Телешов В.В. Металловедческие аспекты автоматизации контроля некоторых технологических процессов производства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1989. Вып. 4. С. 15-20.
25. Телешов В.В. Металловедческие основы стабилизации свойств катаных плит из алюминиевых сплавов путем регламентации параметров правки растяжением и изгибом // Технология легких сплавов. 2002. № 2. С. 5-13.
26. Барбанель Р.И., Цукров С.Л. Термическая обработка полуфабрикатов из алюминиевых сплавов // В кн.: Производство полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. руководство. Гл. XIX. - М.: Металлургия, 1971. С. 441-474.
27. Елагин В.И., Самарина М.В. Влияние высокотемпературных нагревов (выше ^ол) на структуру и свойства полуфабрикатов // В кн.: Структура и свойства полуфабрикатов из алюминиевых сплавов: справ. Гл. V. - М.: Металлургия, 1984. С. 45-54.
28. ГОСТ 27637-88. Полуфабрикаты из алюминиевых деформируемых термоупрочняемых сплавов. Контроль микроструктуры на пережог металлографическим методом. - М.: Изд-во стандартов, 1988. - 10 с.
29. Телешов В.В., Капуткин Е.Я., Космачева Н.П.
и др. Выявление пережога в изделиях из сплава АК4-1 ч с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии // Технология легких сплавов. 2012. № 1. С. 25-30.
30. Телешов В.В. Влияние холодного деформирования на микроструктуру катаных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов // Технология легких сплавов. 1985. № 4. С. 5-8.
31. Габидуллин Р.М., Вигдорчик С.А., Лукьянен-ко В.В. Структура и служебные свойства сплава АК4-1 // Вопросы металловедения и технологии легких и жаропрочных сплавов. - М.: ВИЛС, 1980. С.20-24.
32. Телешов В.В. Влияние длительности прогрева алюминиевых сплавов на продолжительность старения // МиТОМ. 1990. № 3. С. 40-43.
33. Наумов Н.М., Микляев П.Г. Резистометриче-ский неразрушающий контроль деформируемых алюминиевых сплавов. - М.: Металлургия, 1974. -200 с.
34. Телешов В.В. Использование электрических свойств в областях металловедения, термической обработки и контроля качества полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов. (Обзор литературы за 1972-2000 гг.) // Технология легких сплавов. 2001. № 3. С. 52-78.
35. Вассерман А.М., Данилкин В.А., Коробов О.С. и др. Методы контроля и исследования легких сплавов. Гл. VIII. Справ. -М.: Металлургия, 1985. -510 с.
36. Телешов В.В., Андреев Д.А., Головлева А.П.
Удельная электропроводимость деформируемых алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mg. Ч. I. Материал для исследований // Технология легких сплавов. 2003. № 1. С. 9-16. Ч. II. Свежезакаленное и естественно состаренное состояние. 2004. № 1. С. 7-11. Ч. III. Искусственно состаренное и отожженное состояния. 2004. № 2. С. 3-9. Ч. IV. Свойства в области максимального упрочнения. 2004. № 4. С. 23-28.
37. Телешов В.В. О форме представления кривых старения полуфабрикатов из высокопрочных деформируемых алюминиевых сплавов // Металловедение и термическая обработка металлов. 1996. № 8. С. 34-37.
38. Телешов В.В., Кудряшов В.Г., Головлёва А.П. Связь между вязкостью разрушения и электропроводностью плит из сплава АК4-1 ч // Технология легких сплавов. 1980. № 8. С. 7-10.
39. Телешов В.В., Сироткина О.М. Кинетика изменения электросопротивления при искусственном старении алюминиевых сплавов и контроль качества старения // Технология легких сплавов. 1983. № 7. С.11-16.
