CC BY
4
ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ, НАУКИ О МАТЕРИАЛАХ, МЕТАЛЛУРГИЯ
УДК 669. 046:546.3
С.Ж. Иброхимов, И.Н. Ганиев, Б.Б. Эшов
ТВЕРДОСТЬ И ПРОЧНОСТЬ СПЛАВА АМг4, ЛЕГИРОВАННОГО РЕДКОЗЕМЕЛЬНЫМИ МЕТАЛЛАМИ (8е, У, Ьа, Рг, Ш)
Аннотация. Введение в алюминий магния в количестве до 6 % в качестве главного легирующего элемента дает упрочнение твердого раствора сплава и высокую эффективность деформационного упрочнения. Это обеспечивает сплавам серии 5ххх довольно высокие прочностные свойства - выше, чем у сплавов серии 3ххх. Достижение высокой прочности за счет упрочнения твердого раствора магнием возможно потому, что магний в этой роли является очень эффективным. Кроме того, его высокая растворимость позволяет увеличивать его содержание до 5 % в наиболее легированных сплавах. Однако в сплавах с высоким содержанием магния существует тенденция к образованию интерметаллидной фазы Mg5Al8 по границам зерен и в областях локализованной деформации внутри микроструктуры. Это происходит потому, что равновесная растворимость магния в алюминии - всего лишь около 2 %. Выделение избыточной фазы в этом случае эквивалентно тому, что происходит в сплавах, упрочняемых старением, но с отрицательным эффектом для свойств сплава. Выделение частиц происходит медленно при комнатной температуре, но ускоряется с повышением температуры или если сплав подвергся интенсивной холодной пластической деформации. Это явление делает сплав восприимчивым к некоторым типам межзеренной коррозии, например, коррозия под напряжением, и/или ухудшение механических свойств в ходе эксплуатации при повышенных температурах. Исследования влияния РЗМ на механические свойства алюминиевого сплава АМг4 показали рост прочности при содержании РЗМ 0,05-0,1 мас. %.
Ключевые слова: механические свойства, твердость, прочность - сплав АМг4, редкоземельные металлы
S.Zh. Ibrokhimov, I.N. Ganiev, B.B. Eshov
HARDNESS AND STRENGTH OF AMg4 ALLOY HARDENED WITH RARE-EARTH METALS (Sc, Y, La, Pr, Nd)
Abstract. Introduction of magnesium in aluminum in the amount of up to 6 % as the main alloying element ensures hardening of the solid solution of the alloy and high efficiency of strain hardening. This provides the alloys of the 5xxx series with rather high strength properties - higher than those of the alloys of the 3xxx series. Achieving high strength properties by hardening the solid solution with magnesium is possible since for the given purposes magnesium is particularly effective. In addition, its high solubility allows increasing its content up to 5 % in the hardest alloys. However, in alloys with a high degree of magnesium content, there is a tendency to formation of an intermetallic Mg5Al8 phase along the grain boundaries and in the areas of localized deformation within the microstructure. This is due to the fact that equilibrium solubility of magnesium in aluminum is only about 2 %. The precipitation of an excess phase in this case is equivalent to what occurs in age hardened alloys, but with a negative effect on the properties of the alloy. Particle precipitation occurs slowly at room temperature, but it accelerates under temperature elevation or if the alloy is subjected to severe cold plastic deformation. This phenomenon makes the alloy susceptible to certain types of intergranular corrosion, such as stress corrosion, and/or degradation of mechanical properties during its service at elevated temperatures.Investigation of REM effects on mechanical properties of the AMg4 aluminum alloy showed a rise in its strength at the REM content of 0,05-0,1 wt. %.
Keywords: mechanical properties, hardness, strength-AMg4 alloy, rare earth metals (REM)
Введение
Согласно имеющимся сведениям, современное и будущее состояние алюминиевых сплавов определяется нахождением методов и достижением улучшения их физических, технологических и механических свойств [1]. Как показывает практика, наиболее перспективными методами решения проблемы на данный момент остаются легирование и модифицирование алюминия металлами, улучшающие его различные свойства. Естественно, при этом надо учесть экономическую сторону вопроса, так как возможно создание новых композиций сплавов с улучшенными характеристиками, которые невыгодны на рынке материалов.
С учётом этого анализ влияния различных металлов на свойства алюминиевых сплавов можно считать необходимым, так как это способствует правильному и рациональному подбору различных легирующих добавок.
Согласно работе [2], основными легирующими компонентами для деформируемых конструкционных алюминиевых сплавов являются Си, Mg, Zn и Si, Li и Ag. Главным признаком выбора данных элементов является их наибольшая растворимость в твердом алюминии, резко снижающаяся с уменьшением температуры, в результате чего при охлаждении сплавов с этими компонентами из твердого раствора выделяются интерметаллидные фазы, а при нагреве - растворяются. Этот фазовый переход позволил значительно повлиять на структуру и свойства сплавов посредством термической обработки [3, 4].
Промышленные сплавы, разработанные на основе систем Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg-Si, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg, Al-Mg-Li, Al-Cu-Li и Al-Cu-Mg-Ag, имеют высокий комплекс механических свойств. Следовательно, это происходит после упрочняющей термической обработки, когда матрицей сплава является твердый раствор, упрочненный дисперсными частицами интерметаллидных фаз, выделившихся из твердого раствора при старении.
Различие данных сплавов заключается в составе, строении кристаллической структуры и свойствах дисперсных частиц интерметаллидов. Этим сплавам свойственны хорошая формируемость, высокая прочность, отличная коррозионная стойкость, хорошая анодируемость и лучшая свариваемость. Поэтому сплавы серии АМг применяют во многих конструкциях, работающих при суровых атмосферных воздействий, например в судостроении и конструкциях в прибрежных районах и в открытом море, включая нефтяные платформы. Сварные алюминиевые лодки и катера изготавливают исключительно из сплавов этой серии. Благодаря хорошей комбинации прочности и формируемости из этих сплавов изготавливают штампованные детали корпуса и шасси в автомобилестроении.
При содержании магния более 3 % алюминиево-магниевые сплавы имеют хорошую коррозионную стойкость (при определенной восприимчивости к межзеренной коррозии). Особенно можно выделить способность сопротивлению коррозии в морской воде и морской атмосфере (которое значительно выше, чем у сплавов других серий).
Экспериментальные результаты и их обсуждение
В табл. 1 приведены состав и результаты исследования микротвердости упрочняющих фаз, присутствующих в промышленных алюминиевых сплавах.
Из табл. 1 видно, что в составе более сложных сплавов могут присутствовать несколько фаз. Упрочняющий эффект интерметаллидных фаз зависит от многих факторов. Например, разнозернистость полуфабрикатов из сплавов системы Al-Mg-Si привела к неудаче их использования [3].
Таблица 1
Максимальная растворимость легирующих компонентов в твердом алюминии и микротвердость основных упрочняющих фаз в промышленные алюминиевые сплавы [3]
Система Максимальная растворимость в твердом алюминии Фазы Максимальная достигнутая прочность, кг/мм2 при 20° С Микротвердость, ИУ, кгс/мм2
Al - - 7 -
Al-Cu-Mg 5,7 % Си 17,4 % Mg 0 (AhCu) S (AbCuMg) 52 400-600 560
Al-Mg-Si, Al-Mg-Si,-Cu 1,65 % Si Mg2Si W (AlMg5Si4Cu4) 35 560 580
Al-Zn-Mg-Cu, Al-Zn-Mg 82 % Zn MgZn2 T (AhMg3Zn3) 70-80 430 420
Al-Cu-Li 4.2 % Li T1 (Al2CuLi) 5' (Al3Li) 65 430-520
Приведенные в табл. 2 состав и микротвердость интерметаллидных фаз, образующихся в сплавах алюминия с некоторыми элементами периодической системы, показывают, что твердость интерметаллидных фаз выше твердости основных упрочняющих фаз и твердости основных упрочняющих промышленных сплавов.
Таблица 2
Максимальная растворимость металлов в твердом алюминии и микротвердость алюминиевых фаз, образующихся в сплавах [3]
Система Максимальная. растворимость компонентов в твердом алюминии Интерметаллидная фаза Микротвердость, HV, кгс/мм2
Al-Mn 1,8 % Мп Al6Mn 540-560
Al-Cr 0,9 % Сг AlyCr 500-700
Al-Ti 0,26 % Л Al3Ti 600-700
Al-Zr 0,28 % Zг Al3Zr 420-740
Al-Sc 0,40 % Sc Al3Sc 260
Al-Co 0,02 % Со Al9C02 650-750
Al-Ni 0, 04 % Ni Al3Ni 700-770
Al-Fe 0,05 % Fe AbFe 800-1100
Al-Fe-Si 0,05 % Fe a (Al-Fe-Si) 1100
Al-Nd 0,05 % Nd AlnNd3 350
Al-Ce 0,05 % Се Al4Ce -
Сотрудниками ВИАМ и МИСиС проведено комплексное исследование структурно-фазового состояния, физических, механических и технологических свойств сплавов системы Al-Mg-Sc. Установлено, что наибольшее упрочнение наблюдается в сплавах, содержащих 8 % магния. Оптимальная концентрация скандия для повышения механических свойств установлена в пределах 0,15-0,3 %. Сообщается о повышении прочностных характеристик сплавов алюминия с магнием при легировании со скандием. В системе Al-Mg-Sc в зависимости от содержания скандия и магния могут выделяться Al3Mg2, Al3Mg2 + Al3Sc и Al3Sc, находящиеся в равновесии с а-твердым раствором [3].
Техника измерения твердости по Бринеллю
Твердость сплавов замеряли согласно методу Бринелля на твердомере ТШ-2. Проверке подверглись образцы-таблетки толщиной 10 мм и диметром 14 мм [6].
Диаметр шарика выбирают в зависимости от толщины изделия (Д = 10; 5; 2,5 мм). Нагрузку Р выбирают в зависимости от диаметра шарика и измеряемой твердости. При Д = 10 мм Р = 30000 Н, время - 10 секунд.
Между твердостью по Бринеллю и пределом прочности металла или сплавов существует приближенная эмпирическая зависимость:
ав = К • НВ, Па,
где значение коэффициента К для алюминиевых и цветных сплавов равно ав = 0,34 ... 0,35 НВ. В зависимости от этого подсчитаны значения ав для исследуемых сплавов.
Результаты исследования твердости по Бринеллю сплавов системы алюминий-магний-редкоземельный металл (РЗМ), где РЗМ - Sc, Y, La, Рг, Nd представлены в табл. 3. Среднее значение определено по результатам трёх измерений [6, 7].
Таблица 3
Твердость сплава АМг4, легированного редкоземельными металлами Твёрдость алюминия по Бринеллю - 24...32 кгс/мм2
Состав сплавов, мас.% Твёрдость НВ, кгс/мм2 Твёрдость НВ, МПа Расчетная прочность, МПа
А1 24.32 240-320 81,6-108,8
ЛМг4 38,56 385,6 134,9
ЛМг4 + 0,018с 40,69 406,9 142,4
ЛМг4 + 0,058с 42,53 425,3 148,8
ЛМг4 + 0,18с 44,47 444,7 155,6
ЛМг4 + 0,58с 44,46 444,6 155,6
ЛМг4 + 0,01У 41,27 412,7 144,4
ЛМг4 + 0,05У 41,91 419,1 146,6
Окончание табл. 3
Состав сплавов, мас.% Твёрдость НВ, кгс/мм2 Твёрдость НВ, МПа Расчетная прочность, МПа
АМг4 + 0,1У 42,43 424,3 148,5
АМг4 + 0,5У 42,29 422,9 148,0
АМг4 + 0,0^а 41,68 416,8 145,8
АМг4 + 0,05La 42,41 424,1 148,4
АМг4 + 0,^а 43,26 432,6 151,4
АМг4 + 0^а 43,2 432 151,2
АМг4 + 0,01Рг 41,35 413,5 144,7
АМг4 + 0,05Рг 42,21 422,1 147,7
АМг4 + 0,1Рг 42,16 421,6 147,5
АМг4 + 0,5Рг 42,0 420 147,0
АМг4 + 0,01Ш 39,51 395,1 138,2
АМг4 + 0,05Nd 40,09 400,9 140,3
АМг4 + 0,1Ш 40,13 401,3 140,4
АМг4 + 0,5Nd 39,98 399,8 139,9
- среднее значение определили по результатам трёх измерений
Как видно из табл. 3 и рис. 1, при добавке редкоземельных элементов до 0,1 мас. % твердость исходного сплава повышается.
НВ, мш 1
3
2
- 4
1
г 5
Срзм, мас.%
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Рис. 1. Зависимость влияния Sc (1), У(2), La(3), № (4) и Рг (5) на твердость сплава АМг4
При увеличении концентрации легирующих добавок более 0,1 мас. % роста твердости сплавов не наблюдается. Среди изученных редкоземельных элементов наибольшее положительное воздействие оказывают добавки скандия. Из этих результатов следует, что повышение концентрации более 0,1 мас. % указанными элементами можно считать нецелесообразным.
По результатам твердости сплавов определены их расчетные значения прочности, которые представлены на рис. 2.
Оа, МПа
13 4—
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
С. РЗМ мас.%
Рис. 2. Влияние 8е(1), У(2), Ьа(3), №(4) и Рг(5) на расчётную прочность сплава АМг4
Среди исследованных составов максимальное значение расчетной прочности наблюдается у сплава, легированного скандием и лантаном. Исходя из результатов изучения структуры, такой характер влияния скандия можно объяснить его модифицирующим эффектом.
Заключение
Малые добавки растворимых в алюминии редкоземельных элементов приводят к незначительному изменению механических свойств. При этом более выраженное влияние оказывает скандий, что связано, по-видимому, с электронным строением скандия, размерным фактором. Оптимальные концентрации РЗМ в сплаве АМг4 составляют 0,05-0,1 мас.%.
Список источников
1. Влияние титана, ванадия и ниобия на микроструктуру и механические свойства алюминиевого сплава АМг2 / Ф.С. Давлатзода, И.Н. Ганиев, Н.Ф. Иброхимов, П.Н. Караев, С.С. Раджабалиев // Политехнический вестник. Сер. Инженерные исследования. 2019. № 2 (46). С. 67-71.
2. Белицкий В.М., Кривов Г.А. Алюминиевые сплавы (состав, свойства, технология, применение): справочник / под общ. ред. акад. РАН И.Н. Фридляндера. Киев: «КОМИНТЕХ», 2005. 365 с.
3. Влияние скандия на физико-химические свойства сплава АМг4 / С.Ж. Иброхимов, Б.Б. Эшов, И.Н. Ганиев, Н.Ф. Иброхимов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. 2014. Т. 16. № 4. С. 256-260.
4. Иброхимов С.Ж., Эшов Б.Б. Физико-химия и механика легированных алюми-ниево-магниевых сплавов // Таджикская наука - ведущий фактор развития общества: материалы научно-практической конференции студентов, магистрантов и аспирантов. Душанбе, 26-27 апреля 2017 г. / ТТУ имени академика М.С. Осими. Душанбе, 2017.
5. Особенности формирования структуры и свойств литейных Al-Mg сплавов, легированных скандием / В.В. Черкасов, П.П. Побежимов, Л.П. Нефедова, Е.В. Белов и др. URL: www.viam.ru/public
6. Булычев С.И., Алехин В.П. Испытание материалов непрерывным вдавливанием индентора. Москва: Машиностроение, 1990. 224 с.
7. Методы исследования материалов / Л.И. Тушинский, А.В. Плохов, А.О. Токарев и др. Москва: Мир, 2004. 161 с.
С. 169-172.
Сведения об авторах
Иброхимов Сухроб Жанайдуллоевич
кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Безопасность жизнедеятельности и экология» Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими, Республика Таджикистан
Sukhrob Zh. Ibrohimov -
Senior Lecturer,
Department of Life
Safety and Ecology,
Tajik Technical University
named after acad. M.S. Osimi,
Republic
of Tajikistan
Ганиев Изатулло Наврузович -
академик, доктор химических наук, профессор кафедры «Технология химического производства» Таджикского технического университета имени академика М.С. Осими, Республика Таджикистан
Эшов Бахтиёр Бадалович -
доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Института химии имени В.И. Никитина Академии наук Республики Таджикистан
Izatullo N. Ganiev -
Academician, Dr.Sci.(Chemistry), Professor, Department of Chemical Production Technology, Tajik Technical University named after academician M.S. Osimi, Republic of Tajikistan
Bakhtiyor B. Eshov -
Dr.Sci. Tech., Leading Research Fellow, V.I. Nikitin Institute of Chemistry, Academy of Sciences, Republic of Tajikistan
Статья поступила в редакцию 25.01.2023, принята к опубликованию 06.03.2023
