Научная статья на тему 'Структура, деформационное упрочнение и особенности разрушеия субмикрои нанокристаллических сплавов Al (Mg, re, Hf, ce, zr, sn, nb)'

Структура, деформационное упрочнение и особенности разрушеия субмикрои нанокристаллических сплавов Al (Mg, re, Hf, ce, zr, sn, nb) Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
133
29
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Носкова Н. И., Вильданова Н. Ф., Vildanova N. F.

Binary alloys of aluminum the following structure Al (Mg, Re, Hf, Ce, Zr, Sn, Nb) were investigated. Nanocrystalline structure of alloys was received by quenching from melt and the subsequent intensive plastic deformation (rolling up to 90% of deformation, and then shift under a high pressure 5 GPa on different degrees of deformation).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

STRUCTURE, DEFORMATION HARDENING AND FEATURES OF DESTRUCTION SUBMICROAND NANOCRYSTALLINE ALLOYS AL (MG, RE, HF, CE, ZR, SN, NB)

Binary alloys of aluminum the following structure Al (Mg, Re, Hf, Ce, Zr, Sn, Nb) were investigated. Nanocrystalline structure of alloys was received by quenching from melt and the subsequent intensive plastic deformation (rolling up to 90% of deformation, and then shift under a high pressure 5 GPa on different degrees of deformation).

Текст научной работы на тему «Структура, деформационное упрочнение и особенности разрушеия субмикрои нанокристаллических сплавов Al (Mg, re, Hf, ce, zr, sn, nb)»

УДК 620.172.24

СТРУКТУРА, ДЕФОРМАЦИОННОЕ УПРОЧНЕНИЕ И ОСОБЕННОСТИ РАЗРУШЕНИЯ СУБМИКРО- И НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ AI-(Mg, Re, ИГ, Се, Zr, Sn, Nb)

© П.П. Носкова, Н.Ф. Вильданова

Noskova N.I., Vildanova N.F. Structure, deformation hardening and features of destruction submicro-and nanocrystal line alloys AI~(Mg, Re, Ilf. Ce, Zr, Sn, Nb). Binary alloys of alluminum the following structure AI-(Mg. Re. 111'. Ce. Zr. Sn. Nb) were investigated. Nanocrystalline structure of alloys was received by quenching from melt and the subsequent intensive plastic deformation (rolling up to 90 % of deformation, and then shift under a high pressure 5 GPa on different degrees of deformation).

ВВЕДЕНИЕ

Получение нанокристаллнческой структуры в алюминии и его сплавах затруднено легко развивающимися в них процессами динамического отдыха и рекристаллизации. Субмикрокристаллическая (СМ1С) структура с размером зерна более 250 нм была получена методом равноканального прессования в алюминии и алюминий-магний-литиевом сплаве [I, 2]. Был использован метод закалки из расплава с промежуточной скоростью для создания нанокристаллнческой структуры в сплавах алюминия с малыми добавками (0,1-0,5 вес.%) тугоплавких переходных металлов [3, 4]. Сплавы алюминия с субмикрокристаллической структурой и нанокристаллнческой структурой обнаружили, с одной стороны, эффект сверхпластичности [I, 2], с другой - увеличение предела прочности (> 600 МПа) [3-5). В связи с этим представляется интересным использовать для получения нанокристаллнческой структуры в алюминиевых сплавах комплексный метод, включающий в себя легирование малыми примесями, быструю закалку и интенсивные пластические деформации. В данной работе был использован такой комплексный способ. Легирующими добавками были выбраны представители редкоземельных металлов и тугоплавких переходных металлов. Интенсивная пластическая деформация осуществлялась прокаткой и деформацией сдвигом под высоким давлением.

ЭКСПЕРИМЕНТ

Для исследования были приготовлены сплавы алюминия следующего состава: А1 + (3-10 %) Mg, А1 + + (0,5 -3 %) Ке, Л1 + I % НГ, Л1 + 0,5 % Се, Л1 + 0,12 % /.г, А1 + 0,2 % Бп и Л1 + 0,2 % N1) (% вес.), а также -Л1 + (НГ, N1), Бп) и А1 + (Ко, /.г, Се). Сплавы были приготовлены закалкой из расплава, находящегося при атмосферном и избыточном (1,6 атм.) давлениях. Интенсивная пластическая деформация (ИПД) была реализована сначала прокаткой на 60 и 90 % деформации, а затем сдвигом под высоким давлением 5ГГ1а на разные степени деформации (2, 4, 6 оборотов наковальни Бриджмена), что позволило получить степень лога-

рифмической деформации г., равную 3,9; 5,3 и 6,0 соответственно [6-8].

На образцах сплавов после деформации прокаткой и отжига (350 "С - I ч) были определены механические свойства путем стандартных испытаний, а на образцах этих же сплавов после деформации сдвигом под давлением была измерена величина микротвердости. Изучение структуры сплавов было сделано методом просвечивающей электронной микроскопии.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТА И ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 1а, 16 представлены результаты механических испытаний исследованных алюминиевых сплавов. Из рис. 1а, 16 нетрудно видеть, что легирование одной малой добавкой Ж'или Се или 2г ( на рис. 1а кривые 7, 8, 9 соответственно) вызывает по после прокатки на 90 % охрупчивание, а дополнительное легирование алюминия тремя малыми добавками исследованных элементов после такой же деформации практически не изменяют предел текучести и предел прочности четверного сплава, по сравнению с бинарным, но увеличивает пластичность более, чем в два раза (на рис. 16 кривые I и I*).

При переходе к более интенсивным пластическим деформациям в бинарных сплавах в зависимости от сорта малой добавки происходит формирование нанокристалл ической структуры разным образом. На рис. 2 и рис. 3 показано на примере двух бинарных сплавов характерное различие в формировании нанокристаллнческой структуры: в первом случае идет резкое измельчение зерна с величиной степени деформации, во взором - замедленное.

Это различие отражается иа изменении величины микротвердости (рис. 4а) с увеличением степени деформации и на конечной величине сформированного нанозерна (рис. 46). Микротвердость полученных наноструктурных алюминиевых сплавов изменяется с величиной степени деформации также различным образом: монотонно увеличивается или наступает насыщение. В связи с этим в исследованных алюминиевых сплавах обнаруживается немонотонная зависимость закона Холла - Петча (рис. 46).

л.МПа

а)

о, МПа

б)

Рис. I. Кривые растяжения в координатах «истинное напряжение (<т) истинная деформация (б)» чистого алюминия, бинарных (а) и четверных (б) сплавов алюминия в отожженном и деформированном состояниях: а - I Л1 (отож.): 2 -А1 + 0.5 % Ке (отож ): 3 - А1 + I % НС (отож.); 4 - А1 + 3 % М$ (отож); 5 - А1 + 3 % Мц (деф. 60 %); 6 - А1 * 10 % Мц (деф. 60 %): 7 - Л1 0.1 %7л (деф. 90 %); 8 - А1 + 0.5 % Се (деф. 90 %): 9 - А1 + I % НГ (деф. 90 %): б - I, 2, 3 Л1 + (НГ, ЫЬ. 8п) и I*, 2*, 3* А1 + (Кс. гг. Се); (1,1*) - деформация прокаткой на 90 %; (2,2*) - отжиг после деформации при 200 “С -I ч; (3.3*) - деформация прокаткой иа 90 % нрн температуре испытания иа растяжение 200 “С

Рис. 2. Электронно-микроскопические снимки структуры А1 + 10 % после деформации сдвигом под высоким давлением 5 ГПа: а - с - 3,9; б - г. 5.3; в - е = 6

По-видимому, малые добавки различных элементов оказывают неоднозначное влияние на процессы релаксации внутренних напряжений и динамической рекристаллизации, подавляя их или стимулируя. Действительно, как можно видеть из рис. 2 и 3, размер нанозерна и количество деформационных дефектов в границах и в объеме нанозер в разных сплавах различный. Обнаружено, что наиболее эффективными добавками, влияющими на формирование наноразмерного зерна и получение высокопрочного состояния алюминиевых сплавов, являются гафний и церий (рис. 5а, 56).

Рис. 3. Электронно-микроскопические снимки структуры AI + I % I If после деформации сдвигом под высоким давлением 5 ГПа: а - с = 3,9; б е = 5,3; в - е = 6

Остановимся на особенностях деформационного разрушения полученной наноструктуры, например, в сплаве АІ + 1 % НГ. Процесс развития деформации и разрушения наблюдался непосредственно в колонне электронного микроскопа методом «мі si Пт. На рнс. 6а и на схеме рнс. 66 показаны последовательные стадии развития микротрещины в нанокристаллическом сплаве AI + I % ИГ.

Отметим основную характерную особенность развития деформации и разрушения. Процесс деформации и разрушения идет по границам нанозерен и реализуется дислокационными и ротационными модами де-

формации. Вследствие этого при ротационных модах деформации на границах нанозерен возникают не-сплошности, которые формируют микропору (предвестник. развивающийся перед острым концом микро-трещины), которая увеличивается со степенью деформации (рис. 6а позиции 2 и 3). Дислокационные моды деформации в остром конце микротрещины вызывают перенапряжения и приводят к слиянию микротрещины с микропорой.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведено изучение формирования нанокристал-лической структуры в процессе интенсивной пластической деформации (сдвигом под высоким давлением) сплавов А1 + 10 % Мц, А1 + I % НГ, А1 + 0,5 % Се, А1 + + 0,12 % Ъх, А1 + 0,2 % 5п, А1 + 0,2 % №, А1 + (0,5-3) % Ко, полученных закалкой из расплава, находящегося под избыточным давлением 1,6 атмосферы. При этом получено, что эффективными добавками, влияющими на формирование наноразмерного зерна и получение высокопрочного состояния алюминиевых сплавов, являются гафний и церий.

Увеличение количества малых добавок редкоземельных и переходных металлов в алюминиевом сплаве увеличивает пластичность и повышает термическую стабильность сплава.

II. гп»

И. I Пл

о 0.05 0.10 (1.15 d ^iiM14 _

б

Рнс. 4. Зависимость величины микротвердости от степени пластической деформации нри сдвиге под высоким давлением (а) и зависимость Холла - Петча в исследованных бинарных сплавах алюминия (б): I - AI + 0,5 % Се, 2 AI + 0.12 % Zr. 3-AI+ I %Hf,4 AI + 10 % Mg

Рис. 5. Электронно-микроскопические снимки и картины микролифракнии структуры алюминиевых сплавов, деформированных елвнгом иод давлением (с = 6): а - Al + I % НГ (размер нанозерен 60 нм); б - Л1 + 0,5 % Се (размер нанозерен 100 нм)

Процесс деформации и разрушения в нанокристал-лических двойных алюминиевых сплавах идет по границам нанозерен и реализуется дислокационными и ротационными модами деформации.

ЛИТЕРАТУРА

1. Кузьмина Н.Ф. Нслаигатев Р. К. Формирование высокопрочного и сйсрчнластичного состояний в алюминиевых сплавах и композитах методом интенсивной пластической деформации // Структура и свойства нанокристаллическнх материалов / Пол ред. Г.Г Талуца и Н И. Носковой. Екатеринбург: УрО РАИ, 1999. С. 108-115.

2. Gray О.Т.. Lowe Т.С., Cady С.St.. Valiev R.Z.. Aleksandrov t.V. Influence of strain rate & temperature on the mechanical response of ultrafinc-graincd Cu, Ni. and AI-4Cu-0.5Zr // J. Nanostructured Materials. 1997. V. 9. № 1-8. P. 477-480.

3. Greer A.i. The development of nanoscalc microstructurcs in Al alloys // Recent Advances in Granular and Nanostructured Materials. Grenoble. France. 1998.

Рис. 6. Электронно-микроскопические снимки развития (а) и схемы (б) микротрещины в сплаве Al + I % Uf при исследовании деформации методом «ш situ» (позиции I - Аг. = 2,0 мкм; 2 - Дс = 2,6 мкм; 3 - Ас = 2,9 мкм)

4. Sanders P.G.. Rittner М.. Kiedaisch £.. Wceriman J.R.. Kung //.. Lu L Creep of Nanocrystalline Cu. Pd and Al Zr // Nanostructured Materials. 1997. № 1-8. P. 433-439.

5. Путин H I'.. Ко/юлсва Т.Г.. Уксусников A lt Нанокристаллнческие структуры в стареющих сплавах алюминия // Структура и свойства нанокристаллическнх материалов / Пол ред. Г.Г. Талуца и

II.II. Носковой. Екатеринбург: УрО РАН, 1999. С. 148-157.

6. Носкова ИМ.. ІіильОанова Н.Ф. Филиппов tO.lt.. Неретурина П.А, Чурбаев P.P. Структура и прочность AI-(Mg, Re, Hf, Се. Zr. Sn. Nb) после сильной пластической деформации // Актуальные проблемы прочности: Тр. 1-Х Междунар. семинара. Великий Новгород: ИГУ, 2003. С. 126-128.

7. Носкова Н И.. Волкова III'. Вильданова Н.Ф и <>р. Научные основы деформации и разрушения новых высокопрочных наноструктурных сплавов на основе 1-е и AI // Региональный конкурс РФФИ «Урал-2001». Екатеринбург: УрО РАН, 2002. С. 165-168.

8. Носкова П.И.. Ни.1ы)аиова Н.Ф.. Елкина О.А.. Перетурина Н А Филиппов 10. II Соотношение сдвигового и ротационного механизмов деформации в нанокристаллическнх сплавах на основе алюминия и титана. Н Сб. тез. XIV Петербургских чтений по проблемам прочности. СПб.: ФТИ РАМ. 2003. С. 28-29.

БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ и Правительства Свердловской области (грант Р-Урал- № 02-02-96413).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.