Структурообразование в алюминиевых ковочных сплавах при горячей деформации Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 669.716:621.785

Д.Н. Боголюбова, асп., (4872) 35-05-81, йпт^Би.Тula.ru,

И.В. Тихонова, канд. техн. наук (4872) 35-05-81, АпгпШбц.Тula.ru,

А.Е. Гвоздев, д-р техн. наук, проф. (4872) 35-05-81, йтпШБи.Тula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ В АЛЮМИНИЕВЫХ КОВОЧНЫХ СПЛАВАХ ПРИ ГОРЯЧЕЙ ДЕФОРМАЦИИ

Установлены закономерности изменения структуры при горячей деформации в алюминиевых сплава типа АК8.

Ключевые слова: алюминий, металлический сплав, структура, температура, деформирование.

Изделия сложной конфигурации из алюминиевых сплавов, как правило, получают при горячей деформации полуфабрикатов. К деформируемым сплавам на основе алюминия относятся ковочные сплавы, например, марок АК 4, АК 4-1, АК 6, АК 8, в состав которых входят Бе, №, Си, и другие элементы. Принято считать, что алюминиевые сплавы не склонны к динамической рекристаллизации, так как в них сильно развит динамический возврат. Однако по данным ряда авторов [1] при определенных условиях в сплаве АК 8 в процессе горячей деформации может проходить динамическая рекристаллизация. В настоящей работе исследованы закономерности изменения структуры и свойств сплавов типа АК 8 при горячей деформации.

Объектом исследования стали 2 сплава: сплав АК 8 и сплав аналогичного состава, но не содержащего медь. Составы сплавов приведены в табл. 1. Все образцы подвергли отжигу при температуре 500 °С с выдержками разной длительности 1, 2 и 3 ч. При проведении эксперимента горячую деформацию имитировали испытанием на растяжение при различных

3 1

режимах. Деформирование осуществлялось со скоростью 10" с" в интервале температур 300...500 °С. В ходе испытаний определяли предел прочности и относительное удлинение сплавов.

Таблица 1

Химический состав исследованных сплавов

Сплав Содержание элементов, %

Си Si Mg Zn Сг Мп Ті М

1 3,76 0,56 0,7 0,2 0,065 0,12 0,040 основа

2 0,05 0,57 0,69 0,19 0,10 0,12 0,035 основа

С увеличением температуры деформации предел прочности сплавов монотонно уменьшается (рис. 1). Относительное удлинение изменяется

немонотонно, достигая максимальных деформирования 400 °С (рис. 2).

JOO -ИИ г. °С

Рис. 1. Влияние температуры деформации на предел прочности сплава состава 1:

1 - отжиг 500 °С, 1 ч; 2 - отжиг 500 °С, 2 ч; 3 - отжиг 500 °С, 3 ч

значений (60 %) при температуре

! ---з

І . /

г

2СЮ 30(1 -ИХ> т. "С

Рис. 2. Влияние температуры деформации на относительное удлинение сплава состава 1:

1 - отжиг 500 °С, 1 ч; 2 - отжиг 500 °С, 2 ч; 3 - отжиг 500 °С, 3 ч

На образцах после испытаний выполнили микроскопический анализ. Для определения исходного состояния на головках всех разрушенных образцов изготавливали продольные шлифы. Для изучения микроструктуры вблизи места разрыва на всех использованных образцах изготовили косые шлифы под углом к оси образца, равным 30°. По анализу микроструктур четко видно, что температура деформации оказывает существенное влияние на форму, размер и строение границ зерен сплавов.

После качественного микроструктурного анализа была проведена количественная оценка параметров структуры с помощью возможностей микроскопа Axio Observer.Dlm. Рассчитывали площади зерен; коэффициент формы зерна, представляющий собой отношение поперечного размера зерна к его продольному размеру; условный диаметр как диаметр равновеликого круга, имеющего указанную выше площадь зерна.

При 400 °С на гистограммах распределения площадей зерен по размерам четко зафиксированы два максимума (рис. 3), один из которых соответствует области более мелких зерен, второй - более крупных. При 500 °С бимодальное распределение не наблюдается (рис. 4).

Известно, что при горячей деформации одновременно развивается целый ряд процессов, ведущих к разупрочнению. Это динамический возврат (отдых и полигонизация) и динамическая рекристаллизация. Был проведен анализ литературных данных [2], на основании которого определили основные структурные особенности динамического возврата и динамиче-

ской рекристаллизации. Характерные признаки для динамического возврата приведены в табл. 2, характерные особенности структуры при динамической рекристаллизации - в табл. 3. Принимая во внимание данные табл. 2 и 3, были проанализированы особенности микроструктуры образцов сплава составов 1 и 2, подвергнутых отжигу при температуре 500 °С с выдержками длительности 1, 2 и 3 ч и деформированных при температурах

з -1

300, 400 и 500 °С со скоростью 10' с

Рис. 3. Гистограмма распределения площадей зерен по размерам сплава состава 1 после испытания при 400 °С с предварительным отжигом при 500 °С, 3 ч

Рис. 4. Гистограмма распределения площадей зерен по размерам сплава состава 1 после испытания при 500 °С с предварительным отжигом при 500 °С, 3 ч

Таблица 2

Особенности структуры при динамическом возврате

Процесс Структурные особенности

Динамический возврат Динамические возврат и полигонизация наблюдаются при деформации металлов в условиях повышенной («теплой») температуры. Не происходит образования новых зерен. Сохраняется текстура деформации. Дислокации образуют субграницы. Можно металлографически выявить границы субзерен, подобрав травитель. Под микроскопом они обнаруживаются в виде цепочек ямок травления. Чаще всего субграницы видны на шлифах в виде сетки тонких линий внутри зерен, границы которых выявляются в виде более толстых линий. Исходные зерна вытянуты в направлении деформации в соответствии со степенью деформации. При большом увеличении можно обнаружить, что в волокнистой вытянутой структуре образуются равноосные субзерна. Субграницы имеют достаточно большую ширину и неровность. С повышением температуры субграницы становятся прямее и уже, а субзерна укрупняются. Площадь зерен сопоставима с исходной. Необходимое условие - слабое или отсутствующее упрочнение при деформации

Таблица 3

Особенности структуры при динамической рекристаллизации

Процесс Структурные особенности

Динамическая рекристалли- зация Текстура полностью отличается от текстуры деформации. Новые зерна возникают на границах исходных зерен или на границах двойников. Часто наблюдается изменение величины зерна от поверхности к внутренним объемам образца. Внутри зерен имеется дислокационная субструктура, причем возникающие субзерна довольно крупные и иногда могут быть приняты за рекристаллизованные зерна. Характерна искривленность границ зерен (зубчатость). Часто наблюдается смесь равноосных и слабодеформированных зерен (де-формированность зерен много меньше, чем следует из степени деформации). Размер зерна, как правило, сильно отличается от исходного (больше, меньше, иное распределение). Необходимое условие -высокая степень упрочнения при деформации

Проведенный комплекс исследований позволил идентифицировать природу процессов разупрочнения сплавов типа АК 8 при горячей деформации. То, что на микроструктурах образцов, деформированных при 300 °С, зерна вытянуты в направлении оси деформации (рис. 5), позволило сделать вывод о том, что деформация при 300 °С сопровождается развитием динамического возврата. При температуре деформации 400 °С в структуре наряду с вытянутыми наблюдаются области равноосных мелких зерен (рис. 6), расположенных в основном по границам исходных вытянутых зерен.

Рис. 5. Микроструктура сплава состава 1, отожженного при 500 °С в течение 3 ч

Рис. 6. Микроструктура сплава состава 1, отожженного при 500 °С в течение 2 ч

и разрушенного при 300 °С, вблизи и разрушенного при 400 °С, вблизи места разрушения, х500 места разрушения, х200

По границам зерен расположены многочисленные ямки травления (рис. 7). Примечательно, что соотношение размеров зерен при температуре 400 °С примерно соответствует степени деформации в определенном сечении образца, т.е. зерна испытали деформацию вместе со всем образцом.

Рис. 7. Поры по границам в образце сплава состава 1, предварительно отожженного при 500 °С в течение 1 ч и разрушенного при 400 °С, хЮОО

При 500 °С равноосные зерна составляют 100 % структуры (рис. 8), также при этой температуре наблюдаем наличие зубчатых границ (рис. 9) -характерного признака динамической рекристаллизации. Все отмеченные структурные особенности свидетельствуют о том, что при повышенных температурах деформации протекает динамическая рекристаллизация, но по разным механизмам.

Рис. 8. Микроструктура сплава состава 1, отожженного при 500 °С в течение 3 ч и разрушенного при 500 °С, вблизи места разрушения, х200

Рис. 9. Зубчатые границы зерен в образцах сплава состава 1, отожженного при 500 °С, 3 ч, деформированного при 500 °С

Немонотонность изменения относительного удлинения позволяет предположить, что в интервале температур деформации 400 - 500 °С реализуются разные механизмы динамической рекристаллизации. Чтобы разобраться по каким именно механизмам протекает динамическая рекристаллизация в исследуемых образцах был проведен анализ литературных данных [2, 3] (табл.4).

Таблица 4

Механизмы зарождения центров рекристаллизации

Классическая теория зарождения Рост субзерен Миграция границ зерен

Условия протекания 1. Значительный инкубационный период. 2. Образование зародыша с критическим размером. 3. Большие локальные деформации до 20% 1. Существование областей с высокой плотностью дислокаций. 2. Высокий градиент деформации. 3. Высокая локальная разориентировка. 4. Выстраивание дислокаций в субграницы 1. Неравномерное распределение дислокаций на достаточно протяженных участках. 2. Наличие областей с большим градиентом деформации (на границах зерен или полосах деформации)

Структурные особенности 1. Ориентировка образовавшегося зародыша близка к ориентировке матрицы. 2. Возникновение ма-лоуловых границ. 3. Все зерна практически равноосны, у деформированных зерен коэффициент неравно-осности близок к 1 (до 0,8). 4. «Растворение» границ 1. Границы субзерен содержат множество дислокаций, поэтому в структуре по границам наблюдаются ямки травления. 2. Границы субзерен отличаются большим углом разориентировки. 3.Дробление вытянутых зерен 1. Образование выступов по границам зерна. 2. Зародыш рекристаллизации возникает на границах зерен или в полосах деформации. 3. Зерна в основном не-рав-ноосные, со степенью неравноосности близкой к степени деформации, наличие полос скольжения. 4. Зерно крупнее исходного

Анализировали микроструктуры образцов после деформации при 400 и 500 °С для обнаружения признаков различных механизмов рекристаллизации. На фотографиях структур образцов, деформированных при 400 °С, можно отметить ямки травления, которые четко видны на образцах сплава состава 1 (см. рис. 6 и 7). Границы субзерен отличаются большим углом разориентировки, а также имеются неравноосные зерна, которые дробятся на более мелкие (рис. 6). На гистограмме распределения площадей зерен по размерам сплава состава 1 после предварительного отжига при 500 °С а течение 3 ч и испытания при 400 °С и (рис. 3), четко видны два пика, один из них соответствует мелкому размеру зерна, второй -крупному.

Все вышеперечисленные признаки свидетельствуют о том, что при 400 °С в сплаве составов 1 и 2 динамическая рекристаллизация протекает по механизму роста субзерен.

Практически все зерна на микроструктурах образцов, деформированных при 500 °С равноосны (рис. 8). Некоторые из них имеют более крупный по сравнению с исходным размер. На микроструктурах образцов состава 2 видны полосы скольжения. На отдельных структурах образцов

состава 1 границы зерен «незавершенные», что свидетельствует о «растворении» границ. Часть отмеченных на фотографиях признаков относятся к классической теории зарождения, а часть к - механизму, основанному на миграции границ зерен. Это свидетельствуют о том, что при температуре 500 °С рекристаллизация протекает одновременно по двум различным механизмам. Однако большинство отмеченных признаков характерны для классической теории рекристаллизации, что свидетельствует о преобладании данного механизма при температуре 500 °С.

Из проведенных исследований можно сделать вывод, что дробление вытянутых зерен с образованием субзерен происходит в процессе деформации при 400 °С. Динамическая рекристаллизация по механизмам образования зародышей и миграции границ характерна для деформации при 500 °С.

Выводы

1. Изучено влияние температуры деформирования при одноосном

3 1

растяжении со скоростью 10" с" на характеристики механических свойств сплава АК8 и сплава, аналогичного состава не содержащего медь, предварительно отожженных при 500 °С в течение 1, 2 и 3 ч. С увеличением температуры деформации предел прочности сплавов монотонно уменьшается. Относительное удлинение изменяется немонотонно, достигая максимальных значений при температуре деформирования 400 °С.

2. Деформация при 300 °С сопровождается развитием динамического возврата. При повышенных температурах деформации протекает динамическая рекристаллизация по разным механизмам. Дробление вытянутых зерен с образованием субзерен происходит в процессе деформации при 400 °С. Динамическая рекристаллизация по механизмам образования зародышей и миграции границ характерна для деформации при 500 °С.

Список литературы

1. Трифонов В.Г., Бобрук Е.В. Динамическая рекристаллизация алюминиевого сплава АК8 // Физика металлов и металловедение. 2004. Т.97. №2. С.74-78.

2. Бернштейн M.JI. Структура деформированных металлов. М.: Металлургия, 1977. 432 с.

3. Мартин Дж, Доэрти Р. Стабильность микроструктуры металлических систем: пер. с англ. / под ред. В.Н. Быкова. М.: Атомиздат, 1986. 280 с.

D.N. Bogolyubova, I. V. Tikhonova, A.E. Gvozdev

STRUCTURE FORMATION IN ALUMINUM FORGING ALLOYS AT HOT DEFORMATION

The regularities of structure variations in the AK8 aluminum alloys at hot deformation have been identified.

Key words: aluminum, metal alloy, structure, temperature, deformation