CC BY
32
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).
