CC BY
77
Физика твёрдого тела Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 4 (1), с. 42-48
УДК 538.951:539.375.5
СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ МИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ СИСТЕМЫ А^
© 2010 г. В.Н. Чувильдеев1, М.Ю. Грязное1 2, В.И. Копылов1, А.Н. Сысоев1
1 Научно-исследовательский физико-технический институт Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 2Нижегородский филиал Института машиноведения им. А.А. Благонравова РАН 3 Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси, Минск
Поступила в редакцию 07.06.2010
Исследованы новые микрокристаллические (МК) сплавы А1-12%^ и А1-18%о8^ полученные по технологии равноканального углового прессования (РКУП). После 6 циклов РКУП сплавы имеют средний размер зерна в алюминиевой матрице 5-8 мкм. Механические испытания при комнатной температуре показали, что на образцах МК-сплавов удлинение до разрыва составляет 20%, что в 4-5 раз выше значений, получаемых на литых образцах. Обнаружен эффект сверхпластичности в МК-сплавах А1-12%^ и А1-18%о8к в диапазоне скоростей деформации 2-10-4—3-10-3 с-1 при температурах деформации в диапазоне 490-520°С получены высокие значения коэффициента скоростной чувствительности (порядка
0.7), низкие значения напряжения течения (менее 2 МПа) и рекордные значения удлинения до разрушения (более 750%).
Ключевые слова: микрокристаллические материалы, алюминиевые сплавы, технология РКУП, сверхпластичность.
Введение
Силумины - алюминиевые сплавы с высоким содержанием кремния (более 4.5 %) - традиционно используются для изготовления поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Силумины обладают малым коэффициентом теплового расширения, высокой прочностью и износостойкостью. В то же время силумины отличаются весьма низкой пластичностью. При комнатной температуре удлинение до разрушения этих сплавов составляет 1-5% и не превышает 50% при температурах деформации 400-500°С [1-3]. Это существенно ограничивает возможности использования классических силуминов для изготовления из них кованых поршней ДВС.
До недавнего времени основным способом изготовления поршней ДВС являлся метод литья. Однако механические свойства и ресурс литых поршней недостаточно велики. Применение технологии высокотемпературной штамповки (ковки) поршней из литой заготовки повышает их эксплуатационные характеристики, однако такая технология также имеет ряд существенных недостатков. В частности, вследствие неоднородности пластического течения литого материала в процессе штамповки не достигается однородность структуры металла, что отрицательно сказывается на эксплуатационных характери-
стиках изделия. В связи с этим весьма актуальной является задача разработки новой технологии получения поршневых силуминов с однородной ультрамелкозернистой структурой, обладающих высокими пластическими и сверхпла-стическими характеристиками [4-7]. Получение эффекта сверхпластичности в сплавах системы ЛІ-Бі позволит создать основы для реализации технологии сверхпластической формовки поршней ДВС.
Известно, что наиболее эффективным методом получения микрокристаллических структур в объемных литых заготовках является метод равноканального углового прессования (РКУП) [8]. В работах [9-14] литые силумины с содержанием Бі около 11% были подвергнуты РКУП-обработке, полученные образцы сплавов обладали повышенными механическими характеристиками. В частности, в работе [14] по технологии РКУП были получены образцы заэвтекти-ческих силуминов, обладающие повышенными пластическими характеристиками при комнатной температуре.
Целью настоящей работы является создание новых эвтектических и заэвтектических силуминов с микрокристаллической зеренной структурой, а также получение и исследование эффекта сверхпластичности в микрокристаллических сплавах систем ЛІ-12%Бі и ЛІ-18%Бі.
Объекты исследования
В качестве объектов исследований были использованы эвтектические и заэвтектические поршневые сплавы в двух структурных состояниях: литом и микрокристаллическом, имеющие следующие химические составы:
1. А1 - 12 вес.% Si — 2 вес.% Си - 1.5 вес.% Mg - 1 вес.% № - 1 вес.% Бе (далее по тексту -A1-12%Si);
2. А1 - 18 вес. % Si - 1.5 вес. % Си - 0.5 вес.% Mg - 0.5 вес. % № - 0.1 вес. % Бе (далее по тексту - A1-18%Si).
Литые сплавы были получены по технологии инвертированного литья с использованием ультразвуковой обработки материала [15]. Микрокристаллическое состояние было получено по технологии РКУП [8, 16, 17]. Прессование осуществлялось в инструменте с углом пересечения рабочего и выходного каналов 90°. Однородность деформации простого сдвига контролировалась на каждом цикле с помощью поперечных рисок, механически нанесенных в плоскости течения образца. Был использован максимально жесткий режим РКУП, при котором заготовка на каждом цикле поворачивалась на угол 90° вокруг своей продольной оси. Скорость прессования заготовки размерами 22*22*170 мм составляла
0.4 мм/с. Литые образцы были подвергнуты 6 циклам РКУП при температурах прессования в диапазоне 350-450 °С.
Исходные силумины, полученные методом инвертированного литья, имеют весьма неоднородную структуру. В центральной части слитков наблюдаются крупные дендриты алюминиевого твердого раствора, размер типичного дендрита по оси - 100-200 мкм. Основной особенностью структуры является наличие в эвтектике многочисленных игл кремния с размерами в диапазоне 10-100 мкм и средним размером порядка 25 мкм. Размер частиц первичного кремния в сплаве А1-18%Si не превышает 60 мкм, их средний размер составляет 30 мкм. Частицы первичного кремния распределены по объему неравномерно, как правило, они образуют конгломераты из 3-10 частиц. Средний размер зерна в литых сплавах составляет около 3 мм.
После РКУП-обработки структура сплавов становится существенно более гомогенной. Кремниевые частицы в эвтектике заметно измельчены - их характерный размер не превышает 15 мкм и в среднем составляет 5 мкм. Прессование литого сплава A1-18%Si приводит к увеличению расстояния между частицами первичного кремния в конгломератах. Размер частиц первичного кремния составляет в сред-
нем 20 мкм. Размер зерна Al-фазы лежит в диапазоне от 4 до 15 мкм: средний размер зерен в МК-сплаве Al-12%Si составляет 8 мкм, в МК-сплаве Al-18%Si - 5 мкм.
Методика исследования
Механические испытания в режиме растяжения с постоянной скоростью движения захватов с начальной истинной скоростью деформации от 10"4 до 100 с-1 проводились на машине для сверхпластических испытаний Tinius Olsen H25S-K. Испытания проводились в диапазоне температур 20-550°С. Образцы для механических испытаний в форме двойной лопатки с размером рабочей части 2*2*3 мм изготавливались электроискровой резкой. Нагрев образцов до температуры испытаний осуществлялся в течение 10 минут. Для установления теплового равновесия образцы выдерживались при рабочей температуре в течение 10 минут.
Экспериментальные результаты и их обсуждение
1. Механические испытания
Сплав Al-12%Si Проведены исследования механических свойств литого и МК сплава Al-12%Si. Испытания на растяжение показали, что при температуре 25°С и скорости деформации 3*10-3 с-1 значение предела прочности литого сплава составило 250 МПа, значение относительного удлинения до разрушения - 5%. После РКУП сплав Al-12%Si обладает существенно более высокими пластическими характеристиками по сравнению с литым сплавом. При температуре деформации 25°C значение относительного удлинения до разрушения МК-сплава Al-12%Si достигает 20%. Предел прочности МК-сплава Al-12%Si при комнатной температуре составляет 270 МПа.
Сплав Al-18%Si Проведены исследования механических свойств литого и МК-сплава Al-18%Si. При комнатной температуре и скорости деформации 3*10-3 с-1 предел прочности литого сплава Al-18%Si составляет 190 МПа, относительное удлинение до разрыва - 3%; для МК-сплава Al-18%Si относительное удлинение составляет 15%, что в 5 раз превышает характеристики литого сплава, предел прочности МК-сплава составляет 220 МПа, что на 30 МПа выше, чем для литого сплава.
Рис. 1. Зависимости «напряжение - деформация» для МК-сплава Al-12%Si при температуре 490°С и разных скоростях деформации
СКОРОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ, с1
Рис. 2. Зависимость удлинения до разрыва и напряжения течения от скорости деформации сплава A1-12%Si в литом и МК состояниях при температуре деформации 490°С
Таким образом, после РКУП-обработки в силуминах формируется МК-структура, определяющая повышение и прочностных, и пластических характеристик материала при комнатной температуре.
2. Исследование сверхпластичности
Сплав Л1-12%Б1
Проведены сверхпластические испытания
образцов литого и РКУП сплавов A1-12%Si
(рис. 1) при различных скоростях деформации в 1 л-4 1 г\0 "1
диапазоне 10 - 10 с при повышенных температурах деформации 200-500°С и определены параметры скоростной чувствительности и энергии активации.
Исследования показали, что в литом сплаве А1-12%Si при температуре деформации 490°С в диапазоне скоростей деформации 310-3 - 310-1 с-1 напряжение течения изменяется от 8 до 23 МПа, удлинение до разрыва - от 230 до 180%. В МК-сплаве A1-12%Si при температуре деформации 490°С в диапазоне скоростей деформации 610-4 -- 310-1 с-1 напряжение течения изменяется от 3 до 27 МПа, удлинение до разрыва - от 400 до 120 % (рис. 2).
Известно, что для описания реологии высокотемпературного пластического течения и, в том числе, сверхпластического течения может быть использовано основное реологическое уравнение высокотемпературной деформации
^5
1,5
Ц5
“♦“МК АИ2%8І -ОЛитой АМ2%»
^3 111=0,2
п=0,Э
9 В 7 6 5 4 3 2 1 О
1_п|СКОРОСТЬ ДЕФОРМАЦИИ)
Рис. 3. Зависимость логарифма напряжения течения от логарифма скорости деформации при температуре деформации 490°С для сплава Л1-12%Бі в литом и МК состояниях
[18]. Это уравнение связывает скорость сверх-пластической деформации е, напряжение течения о, температуру деформации Т и основные параметры структуры и записывается в виде:
£ = А|"11‘
'ехр|—— |. Здесь Ь -
О) У1) У кТ ) Я КТ)
вектор Бюргерса, 1 - средний размер зерна, ф -толщина границы зерна, БЬ0 - предэкспоненци-альный множитель коэффициента зернограничной диффузии, О - модуль сдвига, к - постоянная Больцмана, Q - энергия активации диффузии, Я -молярная газовая постоянная, р=2 и А=102 - численные коэффициенты. Параметр п - величина, обратная коэффициенту скоростной чувствительности напряжения течения т = д 1п ст/д1п е . Значение т характеризует микромеханизм пластического течения материала.
Анализ зависимости напряжения течения от скорости деформации при постоянной температуре деформации позволяет определить коэффициент скоростной чувствительности т и энергию активации зернограничной диффузии Q (рис. 3). Коэффициент скоростной чувствительности т и энергия активации зернограничной диффузии Q для сплавов Л1-12%Б1 составляют: для литого сплава т=0.2 и Q=200 кДж/моль; для МК-сплава т=0.3 и Q=140 кДж/моль.
Сплав А1-18%Б1 Для оптимизации температурно-скоростных режимов деформации и определения механизмов деформации МК-сплава Л1-18%Б1 были проведены испытания на растяжение при различных скоростях деформации в диапазоне
210"4- 1 с-1 при повышенных температурах деформации (рис. 4).
Исследования показали, что напряжение течения МК-сплава Л1-18%Б1 увеличивается монотонно при снижении температуры деформации и увеличении скорости деформации. Величина удлинения до разрыва изменяется немонотонно, однако наблюдается тенденция к увеличению пластичности с увеличением температуры и снижением скорости деформации. Для определения оптимальных температурно-скоростных режимов деформации на рисунке 5 приведена диаграмма в координатах удлинение до разрушения - скорость деформации - температура деформации. Как видно из рисунка, наилучшие показатели сверхпластичности наблюдаются при температурах 500-520°С и скоростях деформации 210"4 - 310"3 с-1, при этом удлинение до разрушения достигает 770%. При этих температурно-скоростных условиях сверх-пластической деформации напряжение течения составляет менее 2 МПа (рис. 4 и 6).
Анализ температурной зависимости коэффициента скоростной чувствительности показал, что при повышении температуры деформации в диапазоне от 350 до 520°С значение коэффициента т увеличивается от 0.1 до 0.7 (рис. 7). Энергия активации сверхпластического течения МК-сплава Л1-18%Б1 составляет 120 кДж/моль, что существенно ниже характерных значений энергии активации пластического течения литого крупнокристаллического сплава Л1-18%Б1 (180 кДж/моль). Высокие значения величины коэффициента скоростной чувствительности, низкие значения напряжения течения, а также большие удлинения до разрушения
б)
Рис. 4. Зависимости «напряжение - деформация» для МК-сплава Л1-18%Б1 при температуре 500°С и разных скоростях деформации (а) и при скорости 3-10-4 с-1 и разных температурах деформации (б)
позволяют охарактеризовать пластическое течение МК-силуминов как сверхпластическое. Как показывают результаты проведенного исследования, РКУП-обработка позволяет получать в силуминах микрокристаллическую структуру с размером зерна порядка 5 мкм. Такой размер зерна в сочетании с мелкими кремниевыми частицами, полученными при инвертированном литье, и неравновесностью границ зерен [19], получаемой при оптимальных режимах РКУП, позволяет достичь в низкопластичных сплавах Л1-Б1 эффекта сверхпластичности.
Заключение
1. Получены и исследованы новые микрокристаллические эвтектические и заэвтектиче-ские сплавы системы Л1-Б1. По технологии рав-
ноканального углового прессования (число циклов 6, температура 350-450°С) в литых сплавах сформирована однородная структура со средним размером зерна в алюминиевой матрице 5-8 мкм.
2. Обнаружен эффект одновременного повышения прочности и пластичности в МК-силуминах при комнатной температуре. Удлинение до разрыва в МК-сплавах Л1-Б1 в 4-5 раз выше значений удлинений, получаемых на литых силуминах.
3. Определены температурно-скоростные условия сверхпластичности МК-силуминов. Сверх-пластическая деформация до разрушения МК-сплава Л1-12%Б1 при температуре 490°С и скорости деформации 210"4 с-1 достигает 400%; при температуре 500°С и высокой скорости 310"1 с-1 сплав обнаруживает удлинение 200%. Для МК-
Рис. 5. Зависимость относительного удлинения
до разрыва от скорости и температуры деформации МК-сплава Л1-18%Б1
Рис. б. Зависимость напряжения течения от скорости и температуры деформации МК-сплава Al-18%Si
СКОРОСТЬ0,0” о,л350 ДЕФОРМАЦИИ, С
ДЕФОРМАЦИИ, с1
Рис. 7. Зависимость коэффициента скоростной чувствительности от температуры и скорости деформации МК-сплава Al-18%Si
сплава Л1-18%Б1 удлинение до разрушения при температуре 500°С и высокой скорости деформации 310"1 с-1 составляет 160%; при скорости 310"4 с-1 и температуре деформации 520°С МК-сплав Л1-18%Б1 обнаруживает рекордные удлинения до разрушения - 770%.
4. Анализ сверхпластического поведения МК-силуминов показал, что энергия активации процесса имеет низкие значения (120-140 кДж/моль) и коэффициент скоростной чувствительности при оптимальных температурноскоростных условиях деформации достигает высоких значений 0.7.
Благодарности
Авторы выражают признательность Е.И. Маруковичу и В.Ю. Стеценко (Институт технологии металлов Национальной академии
наук Беларуси; Могилев, Республика Беларусь) за предоставленные образцы литых силуминов.
Авторы благодарят Ю.Г. Лопатина, Н.В. Мелехина и С.В. Шотина за помощь в проведении металлографических исследований.
Работа выполнена при поддержке РФФИ (гранты №№ 09-02-01368-а, 09-03-01152-а, 09-02-97086-р_поволжье_а, 09-08-97044-р_поволжье_а), Аналитической ведомственной целевой программы Министерства образования и науки РФ «Развитие научного потенциала высшей школы (2009— 2010 годы)» (проекты №№ 2.1.2/5271, 2.1.1/6292, 2.1.1/711), Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009—2013 годы» (проекты №№ НК-132П, НК-209П, НК-374П, НК-376П, НК-392П, НК-431П, НК-442П).
Список литературы
1. Aluminum: properties and physical metallurgy / Edited by J.E. Hatch. Ohio: American Society for Metals. Metals Park, 1984.
2. Машиностроение. Энциклопедия. Ред. совет: Фролов К.В. и др. Том II-3. Цветные металлы и сплавы. Композиционные металлические материалы / Под общ. ред. И.Н. Фридляндера. М.: Машиностроение, 2001. 880 c.
3. Строганов Г.Б., Ротенберг В.А., Гершман Г.Б. Сплавы алюминия с кремнием. М.: Металлургия, 1977. 272 c.
4. Новиков И.И., Портной В.К. Сверхпластичность сплавов с ультрамелким зерном. М.: Металлургия, 1981. 168 c.
5. Hosokawa H., Higashi K. Materials design for industrial forming process in high-strain-rate superplastic Al-Si alloy//Mat. Res. Innovat. 2001. Vol. 4. Pp. 231-236.
6. Cho H.S., Jeong H.G., Kim M.S., Yamagata H. High strain rate superplasticity in powder metallurgy processed Al-16Si-5Fe alloy // Scripta Materialia. 2000. Vol. 42. Pp. 221-225.
7. Yoon S.C., Hong S.-J., Hong S.I., Kim H.S. Mechanical properties of equal channel angular pressed powder extrudates of a rapidly solidified hypereutectic Al-20 wt% Si alloy // Materials Science and Engineering
A. 2007. Vol. 449-451. Pp. 966-970.
8. Сегал В.М., Резников В.И., Копылов В.И. Процессы пластического структурообразования металлов. Минск: Наука и техника, 1994. 232 c.
9. Ma A., Saito N., Takagi M. et al. Effect of severe plastic deformation on tensile properties of a cast Al-11 mass% Si alloy // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 395. Pp. 70-76.
10. Ma A., Takagi M., Saito N. et al. Tensile properties of an Al-11 mass%Si alloy at elevated temperatures processed by rotary-die equal-channel angular
pressing // Materials Science and Engineering A. 2005. Vol. 408. Pp. 147-153.
11. Nishida Y., Arima H., Kim J.-C., Ando T. Ro-tary-die equal-channel angular pressing of an Al-7 mass% Si - 0.35 mass% Mg alloy // Scripta Materialia Vol. 45. Pp. 261-266.
12. Gutierrez-Urrutia I., Munoz-Morris M.A., Morris D.G. Contribution of microstructural parameters to strengthening in an ultrafine-grained Al-7% Si alloy processed by severe deformation // Acta Materialia. 2007. Vol. 55. Pp. 1319-1330.
13. Gutierrez-Urrutia I., Munoz-Morris M.A., Puer-tas I. et al. Influence of processing temperature and die angle on the grain microstructure produced by severe deformation of an Al-7% Si alloy // Materials Science and Engineering A. 2008. Vol. 475. Pp. 268-278.
14. Чувильдеев В.Н., Грязнов М.Ю., Копылов
В.И. и др. Сверхпластичность микрокристаллического заэвтектического сплава Al-18%Si // Доклады Академии наук. 2007. Т. 419. №2. С. 189-192.
15.Марукович Е.И., Стеценко В.Ю. Перспективы применения силуминов с инвертированной структурой // Литье и металлургия. 2002. №4. С. 44-46.
16. Сегал В.М., Резников В.И., Дробышевский А.Е., Копылов В.И. Пластическая обработка металлов простым сдвигом // Известия АН СССР. Металлы. 1981. №1. С.115-123.
17. Kopylov V.I. Application of ECAP - technology for producing nano- and microcrystalline materials // Investigations and Applications of Severe Plastic Deformation / Edited by T.C. Lowe and R.Z. Valiev. Kluw-er Academic Publisher, 2000. Pp. 23-27.
18. Nieh T.G., Wadsworth J., Sherby O.D. Superplasticity in metals and ceramics. Cambridge Univ. Press, 1997.
19. Чувильдеев В.Н. Неравновесные границы зерен в металлах. Теория и приложения. М.: Физмат-лит, 2004. 305 c.
superplasticity of microcrystalline al-si alloys
V.N. Chuvil’deev, M.Yu. Gryaznov, V.I. Kopylov, A.N. Sysoev
New microcrystalline (MC) Al -12%Si and Al -18%Si alloys processed by ECAP (Equal Channel Angular Pressing) technology have been investigated. The MC alloys have an average grain size of 5-8 microns in the aluminum matrix after 6 cycles of ECAP treatment. Mechanical tests at room temperature have shown that the elongation to failure of these alloys attains 20%, which is 4- 5 times higher than the values obtained for cast samples. The effect of superplasticity in MC Al -12%Si and Al -18%Si alloys has been discovered: the high values of the strain-rate sensitivity coefficient (of about 0.7), the low values of flow stress (less than 2 MPa) and the record values of elongation to failure (more than 750%) have been obtained in the strain-rate range of 2-10-4 to 3• 10-3 s-1 within the deformation temperature interval 490-520°C.
Keywords: microcrystalline materials, aluminum alloys, ECAP technology, superplasticity.
