Влияние гетерогенности структуры на наноструктурирование и прочность высокопрочного алюминиевого сплава Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.4; 539.89; 539.214

ВЛИЯНИЕ ГЕТЕРОГЕННОСТИ СТРУКТУРЫ НА НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ И ПРОЧНОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА

© М.В. Маркушев, С.В. Крымский, М.Ю. Мурашкин

Ключевые слова: алюминиевый сплав; деформация; наноструктурирование; прочность; частицы вторых фаз. Исследован эффект выделения и изменения размеров и плотности частиц упрочняющей г|-фазы на формирование нанокристаллической структуры и параметры статической прочности высокопрочного алюминиевого сплава, подвергнутого кручению под высоким гидростатическим давлением. Показана важность и отмечена необходимость учета принципа оптимальной гетерогенности структуры при выполнении деформационно-термической обработки с целью наноструктурирования матрицы и упрочнения сплава.

Несмотря на огромное количество исследований влияния интенсивных (больших/мега/severe) пластических деформаций (ИПД) на структурно-фазовое состояние и механическое поведение металлов и сплавов, к сожалению, необходимо констатировать тот факт, что потенциал и механизмы их упрочнения, как и структурные факторы, его определяющие, во многом не ясны. Так, для материалов с матричной структурой, к которым относится большинство алюминиевых сплавов, нет четкого понимания роли частиц вторых фаз в структуро- и свойствоформировании при ИПД. В сложнолегированных термоупрочняемых сплавах имеется два вида таких частиц - вторичные алюминиды переходных металлов (дисперсоиды) и основные упрочняющие фазы; соответственно, продукты распада пересыщенного алюминиевого твердого раствора при гомогенизации слитка и при последующей упрочняющей термообработке полуфабрикатов.

Цель работы - на примере сплава типа 1965 оценить эффект степени гетерогенности структуры (параметров частиц вторых фаз) на деформационное наноструктурирование и статическую прочность высокопрочных А1 сплавов.

Для этого вырезанные из гомогенизированного слитка заготовки диаметром 20 и толщиной 1,2 мм закаливали в воду с температуры 460 °С, и часть из них старили с длительностью до 10 ч при 170 °С, а затем подвергли кручению 10 оборотов под давлением 6 ГПа при комнатной температуре.

Анализ структуры проводили с помощью просвечивающего электронного микроскопа ШОЬ 2000ЕХ при ускоряющем напряжении 160 кВ на объектах, приготовленных электрополировкой при напряжении 20 В и температуре - 28 °С на приборе Тепиро1 5 в растворе 750 мл СН3ОН и 250 мл НЫО3. Размеры выделений определяли с погрешностью не более 20 % по методике, схожей с примененной в [1] для оценки размеров избыточных фаз в этом же сплаве. Плотность частиц определяли по снимкам, полученным с областей, имевших близкую толщину фольги.

Испытания на растяжение проводили на машине 1п-stron 1185 при комнатной температуре на образцах с шириной и длиной рабочей части 1 и 3 мм, соответст-

венно, вырезанных из ИПД заготовок на электроискровом станке. При этом ось образцов была касательной к середине радиуса заготовки. Микротвердость сплава определяли на приборе «Micromet 5101» при нагрузке 50 г и длительности нагружения 15 с.

Установлено, что в отличие от закаленного состояния с преимущественно одномодальным распределением вторичных фаз по размерам, сформированным когерентными выделениями Al3(Zr, Sc) (рис. 1а) со средним размером ~25 + 2 нм и плотностью ~2-104 мкм-3, в состаренном сплаве их распределение было бимодальным благодаря добавлению к указанным частицам выделений основной упрочняющей 'л (MgZn^-фазы различного состава и морфологии (рис. 1б). С увеличением длительности старения от 1 до 10 ч их диаметр и плотность изменялись от 9 до 13 + 2 мкм, и от 2,5 до 1,1 • 105 мкм-3, соответственно.

I_______________________________________

Рис. 1. Частицы Al3(Zr, Sc) (а) и г| (б) фаз в закаленном (а) и состаренном (б) при 170 °С , 5 часов слитке сплава 196

Анализ деформированных заготовок показал, что нанокристаллическая (НК) структура матрицы со средним размером (суб)зерен ~80 нм формировалась только в предварительно закаленном сплаве (рис. 2а и 2б). В предварительно же состаренных состояниях, вне зависимости от длительности старения (соответственно, и параметров частиц 'q-фазы), структура сплава была

1974

сильнодеформированной с высокой плотностью равномерно распределенных дислокаций (рис. 2в-2е), в которой признаки наноструктурирования, вызванные процессами фрагментации, рекристаллизации или по-лигонизации, зафиксирована: не были. Это хорошо видно на снимках с малыми увеличениями и следует из вида дифрактограмм (рис. 2). Причина - на порядок большая, чем в исходно закаленной матрице плотность наноразмерных частиц, увеличившая гомогенность пластического течения и подавившая перестройку дислокационной структуры с формированием субграниц. При этом после ИПД наблюдали частицы обоих видов (рис. 2г и 2е), в т. ч. часть оставшихся когерентными дисперсоидов с характерным дельта-нулевым контрастом.

Рис. 2. Структура деформированного сплава 1965 после предварительной закалки (а и б) и старения при 170 °С, 5 (в и г) и 10 (д и е) часов

Несмотря на большую накопленную деформацию и высокую дефектность всех ИПД образцов, различия в

исходной структуре существенно сказались на их механических свойствах (табл. 1). Так, твердость, прочность и пластичность НК сплава были сравнимы с демонстрируемыми другими А1 сплавами после наноструктурирования с использованием схожих методов обработки. А предварительно состаренный сплав показал заметно меньшую твердость и прочность при более высокой пластичности. Таким образом, подавление наноструктурирования сплава из-за введения в цикл обработки старения привело к его меньшему структурному упрочнению. Причем упрочнению лишь до уровня, достигаемого в термоупрочненных промышленных полуфабрикатах, реализующих эффект субструктурно-го упрочнения (пресс-эффект). Анализ вкладов различных механизмов в упрочнение сплава показал, что его величина от формирования наноячеек составляет ~200 МПа и сопоставимо с эффектом дисперсионного твердения сплава при старении.

Таблица 1 Механические свойства сплава 1965

Состояние а0 2, МПа аВ, МПа 5, % HV

Закалка 990 ± 40 1030±35 2 ± 0,5 262 ± 9

Старение 1ч 730 ± 35 780 ± 35 7,0 ± 2,0 229 ± 14

Старение 2ч 765 ± 25 810 ± 35 7,2 ± 2,0 231 ± 12

Старение 5 ч 745 ± 25 800 ± 25 7,6 ± 2,1 237 ± 13

Старение 10ч 750 ± 40 795 ± 40 7,4 ± 2,0 227 ± 15

На основании полученных результатов сделано заключение о важности учета принципа оптимальной гетерогенности структуры термоупрочняемых алюминиевых сплавов в обработках, предназначенных для формирования в них наноструктуры. При этом указанный принцип требует как уточнения параметров, так и развития [2, 3] с учетом природы формирования нанозерен, определяющей эффективность его использования в обработках с ИПД сплавов промышленных и новых композиций.

ЛИТЕРАТУРА

1. Крымский С.В. Никифорова Д.К, Мурашкин М.Ю., Маркушев М.В. Влияние кручения под высоким давлением на первичные фазы высокопрочного алюминиевого сплава // Перспективные материалы. 2011. Вып. 12. С. 387-391.

2. Маркушев М.В. О принципах деформационных методов измельчения зерен алюминиевых сплавов до ультрамелких размеров. Ч. 1. Мелкозернистые сплавы // ФММ. 2009. Т. 108. № 1. С. 46-53.

3. Маркушев М.В. О принципах деформационных методов измельчения зерен алюминиевых сплавов до ультрамелких размеров. Ч. 2. Ультрамелкозернистые сплавы // ФММ. 2009. Т. 108. № 2. С. 169179.

Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.

Markushev M.V., Krymskiy S.V., Murashkin M.Y. EFFECT OF STRUCTURE HETEROGENEITY ON NANOSTRUCTURING AND STRENGTH OF HIGH-STRENGTH ALUMINUM ALLOY

Influence of precipitates of strengthening phases on formation of nanostructure and static strength of 7xxx type aluminum alloy under room temperature severe plastic deformation by high-pressure torsion is analyzed. It is shown that nanostructuring of the alloy matrix is taking place in preliminary quenched material only, leading to its maximum strengthening. Nature of the effect found is discussed in detail.

Key words: aluminum alloy; deformation; nanostructuring; strength; second phase precipitates.

1975