ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТА НА ПОКАЗАТЕЛИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВА 1545К Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Статья поступила в редакцию 27.11.12 Ред. Рег. № 1451

The article has entered in publishing office 27.11.12 Ed.reg.№ 1451

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОЛУЧЕНИЯ ЛИСТА НА ПОКАЗАТЕЛИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ СПЛАВА 1545К

А.В. Михайловская, А.Д. Котов, М.С. Кищик, Д.А. Колесников*, В.К. Портной

Кафедра металловедения цветных металлов НИТУ «МИСиС», 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 4 * НИУ «БелГУ», 308015, г. Белгород, ул. Победы, 85 E-mail: [email protected]

Заключение совета рецензентов: 27.12.12.

Заключение совета экспертов: 06.12.12.

Принято к публикации: 10.12.12.

Исследована структура и сверхпластичность сплава 1545К, обработанного по различным режимам с применением горячей, теплой и холодной прокатки. Показано, что прокатка при температуре 200 °С на 90% обеспечивает 560% удлинения при испытании с постоянной скоростью деформации 6-10-3 с-1 при температуре 500 °С. Также показано, что лист, толщиной 3 мм, полученный по данному режиму с деформацией 70 %, обладает хорошими показателями сверхпластичности и показывает 500 % удлинения при £=2-10-3 с-1 и Т=500 °С.

Ключевые слова: алюминиевый сплав, сверхпластическая деформация, теплая прокатка, относительное удлинение, степень деформации

EFFECT OF TECHNOLOGICAL PARAMETERS FOR OBTAINING SHEET ON THE SUPERPLASTICITY OF 1545K ALLOY

A.V. Mikhaylovskaya, A.D. Kotov, M.S. Kischik, D.A. Kolesnikov*, V.K. Portnoy

National University of Science and Technology "MISIS" (MISIS), 119049, Moscow, Leninskiy prospekt 4 * National Research University Belgorod State University, 308015, Belgorod, Pobeda 85 E-mail: [email protected]

Refered: 27.12.12.

Expirtise: 06.12.12.

Accepted: 10.12.12.

The microstructure and superplasticity of 1545k alloy was analyzed after processing by different modes using hot, warm and cold rolling. It is shown that 90% rolling at a temperature of 200 °C provides 560% elongation at the strain rate of 6^10-3 s-1 at 500 °C. It is also shown that the sheet with a thickness of 3 mm, which obtained by this regime with 70% strain, has good superplasticity indicators and provides 500 % elongation at £ = 2^10-3 s-1 and T = 500 °C.

Keywords: aluminum alloy, superplastic deformation, warm rolling, elongation, deformation degree

0 >3

ÜJ б

1

3

ъ о

3 &

с

>3

0

1

à I

0

>3 3

s

-о

s

Е с ъ

m 3 >3

3

1

ъ

0 &

1

ÜJ

Михайловская А.В. -

к.т.н., доцент кафедры металловедения цветных металлов МИСиС (119049, г. Москва, Крымский вал, 3). Тел.: (495) 638-44-80 E-mail: [email protected]

Котов А.Д. - аспирант кафедры металловедения цветных металлов МИСиС (119049, г. Москва, Крымский вал, 3). Тел.: (495) 638-44-80. E-mail: [email protected]

Кищик М.С. - магистрант кафедры металловедения цветных металлов МИСиС (119049, г. Москва, Крымский вал, 3). Тел.: (495) 638-44-80. E-mail: [email protected]

Портной В.К. - д.т.н.,

профессор кафедры металловедения цветных металлов МИСиС (119049, г. Москва, Крымский вал, 3). Тел.: (495) 638-44-80. E-mail: [email protected]

Колесников Д.А. - кандидат технических наук, заведующий лабораторией электронной и зондовой микроскопии ЦКП «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», Белгородский государственный университет (г. Белгород, ул. Королева, 2а, корп. 5), тел.(4722)585425

ou

- е

у К- , : У)

A.V. Mikhaylovskaya -

Ph.D., assistant professor, Department of Non-ferrous Metals, National University of Science and Technology "MISIS"(MISIS) (119049, Moscow, Krimsky Val, 3), Tel.: (495) 638-44-80., E-mail: [email protected]

A.D. Kotov - Post graduate student, Department of Non-ferrous Metals, National University of Science and Technology "MISIS"(MISIS) (119049, Moscow, Krimsky Val, 3), Tel.: (495) 638-44-8, E-mail: [email protected]

M.S. Kischik - Graduate student, Department of Non-ferrous Metals, National University of Science and Technology "MISIS"(MISIS) (119049, Moscow, Krimsky Val, 3), Tel.: (495) 638-44-80., E-mail: [email protected]

V.K. Portnoy - Professor of Department of Non-ferrous Metals, doctor of technical sciences, National University of Science and Technology "MISIS"(MISIS) (119049, Moscow, Krimsky Val, 3), Tel.: (495) 638-44-80. E-mail: [email protected]

D.A. Kolesnikov - Ph.D., Head of Laboratory of electron microscopy and X-ray analysis JRC "Diagnosis of the structure and properties of nanomaterials'; Belgorod State National Research University (Belgorod, Koroleva, 2a, 5), Tel.: (4722)585425

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №1(1) 2013 (117)

© Scientific Technical Centre «TATA» , 2013

ВВЕДЕНИЕ

- с :

'/Лч 'И1

8 С

£

8 "О .о

С

а

О

■С С

О

3

0 »

.с -с

23 з

01

"3 с .о

■С

с

ЕЕ &

с

Повышение эффективности производства и качества изделий из алюминиевых сплавов в условиях мелко- и среднесерийного производства может быть обеспечено сверхпластической формовкой (СПФ) листовых заготовок. Метод обеспечивает возможность изготовления сложных по форме деталей с чрезвычайно большими степенями общей и местной деформации за одну технологическую операцию, что делает его более привлекательным по сравнению традиционными методами получения таких изделий многооперационной листовой штамповкой. [1]

В настоящее время отмечается интерес транспортного машиностроения к сплавам системы А1 - Мд. Полуфабрикаты сплава 1545К системы А1 - Мд - Мп обладают высокими механическими, технологическими и эксплуатационными характеристиками. [2, 3]. Данный сплав дополнительно легирован добавками скандия и циркония, что обеспечивает образование в структуре дисперсных частиц (дисперсоидов) [4-6]. Эти частицы способны сдерживать процессы рекристаллизации и рост зерен в процессе СПД [6-8]. Немаловажным фактором для производства деталей из данного сплава сверхпластической формовкой является получение сверхпластичного листа традиционными промышленными методами термомеханической обработки.

Цель данной работы состояла в исследовании показателей сверхпластичности листов сплава 1545К, полученных по различным режимам прокатки, легко реализуемым в промышленных условиях.

МЕТОДИКА ПРОВЕД1 ЭКСПЕРИМЕНТА

ЕНИЯ

Исходным образцом для исследований был лист толщиной 10 мм, полученный прокаткой при температуре 370 ± 10 °С. Химический состав исследованного сплава представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав исследованного сплава Table 1 - Chemical composition of the alloy

Сплав Mg Mn Sc Zr Ti Cr Al

1545К 4,70 0,32 0,21 0,10 0,03 0,02 Осн.

Затем сплав подвергали термодеформационной обработке по следующим технологическим режимам:

Режим 1 - горячая прокатка при 400±20°С на 30 %, теплая прокатка при 200 °С на 86 %;

Режим 2 - горячая прокатка при 400±20 °С на 30 %, закалка в воде, прокатка при 20 °С на 86 %;

Режим 3 - теплая прокатка при 200± 10 °С на 90 %;

Режим 4 - теплая прокатка при 200± 10 °С на 70 %.

Конечная толщина холоднокатаного листа составила 1 мм (режимы 1, 2 и 3) и 3 мм (режим 4).

Микроструктуру сплавов изучали после различных этапов термодеформационной обработки и СПД с помощью светового микроскопа Axiovert 200ММАТ фирмы «Carl Zeiss». Микрошлифы готовили методами механической шлифовки и полировки, применяли электроли-

б

а

в

д

е

г

Рис. 1 - Структура образцов, полученных по режиму 4 (а, б, в), после отжига в течение 20 мин. при 450 °С (а), 500 °С (б) и 550 °С (в) и по режимам 1 (г), 2 (д) и 3 (е) после отжига при 550 °С

Fig. 1 - The structure of the samples obtained by mode 4 (a, b, c) and after annealing for 20 min. at 450 ° C (a), 500 ° C (b) and 550 °C (c) and Mode 1 (d), 2 (e) and 3 (f) after annealing at 550 °C

Рис. 2 - Кривые растяжения (а) и относительное удлинение (б) при сверхпластической деформации образцов из сплава 1545К, полученных по режиму 1, с постоянной скоростью деформации 2x10-3 с-1

Fig. 2 - The stress-strain curves (a) and elongation (b) at the superplastic deformation of the samples of 1545K alloy obtained by mode 1, with a constant strain rate of 2x10-3 s-1

тическую полировку при напряжении 15 - 20 В в хлор-но-спиртовом электролите. Для выявления зеренной структуры образцов проводили анодное оксидирование. Зеренную структуру анализировали после 20 минут отжига холоднокатаных образцов при температурах 450 °С, 500 °С и 550 °С.

Показатели сверхпластичности определяли на универсальной испытательной машине 1231-У10, управляемой ЭВМ. Испытания производили с постоянными скоростями деформации (2-10-3, 6-10-3 и 1-10-2 с-1) при температурах 450 °С, 500 °С и 550 °С на образцах с размерами рабочей части 14x6x1 мм и 24x6x3 мм. Истинное напряжение течения рассчитывали из условия постоянства объема рабочей части и равномерности деформации образца.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

После обработки по указанным режимам, сплавы подвергли отжигу при 450, 500 и 550 °С в течение 20

минут. Структуры сплава после обработки по режиму 4 и отжига при данных температурах представлены на рис. 1. Во всех трех случаях проходит только частичная рекристаллизация - внутри волокон заметны равноосные, рекристаллизованные зерна. Отжиг при 550 °С образцов, полученных по режимам 1 и 2, приводит к сильному росту отдельных зерен (Рис.1 г, д). В случае образцов, полученных по режимам 3 и 4, такого роста не наблюдается (Рис.1 в, е). Это, по-видимому, связано с наличием в технологической цепочке режимов 1 и 2 горячей прокатки при 400 °С, вызвавшей огрубление частиц скандия и циркония.

Для выбора оптимальной температуры сверхпластической деформации проводили испытания с постоянной скоростью деформации при разных температурах на образцах, полученных по режиму 1 (рис.2 а, б).

Видно, что наибольшее удлинение в 410 % при постоянной скорости деформации 2-10-3 с-1 сплав проявляет при температуре 500 °С. Напряжение течения при этом не превышает 10 МПа (рис.2б). Для определения оптимальной скорости деформации образцы, полученные

0 >3

ÜJ б

1

3

ъ о

3 &

с

>3

0

1

I £

I

0

>3 3

5

-о §

£ с ъ

m 3 >3

3

1

ъ

0

6

1

ÜJ

Рис. 3 - Кривые растяжения (а) и относительное удлинение (б) при сверхпластической деформации образцов из сплава 1545К, полученных по режиму 1, при температуре 500 °С и разных постоянных скоростях деформации (указаны на рисунке)

Fig. 3 - The stress-strain curves (a) and elongation (b) at the superplastic deformation of the samples of 1545K alloy obtained by mode 1 at 500 °C and different constant strain rates (shown in figure)

о и

- e

sK-.:

to

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №1(1) 2013 (117)

© Scientific Technical Centre «TATA» , 2013

- с :

'/Лч 'И1

8 С

£

8 ■5 .о с <и а о

.55

3

0

1 Ol .с

i;

.¡О

5

"3 с

.о

■С

о

ЕЕ

6

с

Рис. 4 - Кривые растяжения (а) и относительное удлинение (б) при сверхпластической деформации образцов из сплава 1545К, полученных по режимам 1, 2 и 3, при температуре 500 °С.

Fig. 4 - The stress-strain curves (a) and elongation (b) at the superplastic deformation of the samples of 1545K alloy obtained by modes 1, 2 and 3 at 500 °C.

по режиму 1, испытывали с различными скоростями при 500 °С (рис.3 а, б). Как видно из рисунка, при скоростях деформации 2-10-3 с-1 и 6-10-3 с-1 сплав обеспечивает практически одинаковое относительное удлинение 420 %, а при скорости 1-10-2 с-1 удлинение уменьшается до 350 %.

Затем проводили испытания образцов сплава, изготовленных по различным режимам, при температуре 500 °С и постоянной скорости деформации 6-10-3 с-1. Полученные результаты представлены на рисунке 4.

Из рисунка 4 видно, что наибольшим относительным удлинением в 560 % обладают образцы, полученные по режиму 3. Режим 2 также обеспечивает высокое удлинение в 490 %. Размер зерна после СПД до разрыва составил 5 - 6 мкм.

Так как, с точки зрения промышленного производства, интерес представляют листы повышенной толщины, исследовали показатели сверхпластичности листа толщиной 3 мм (Режим 4). При растяжении с постоянной скоростью деформации 2-10-3 с-1 при температуре 500 °С сплав показал относительное удлинение 500 %, а при скорости 610-3 с-1 - 250 % удлинения. После 500 % деформации

со скоростью 2-10-3 с-1 образец имеет полностью рекри-сталлизованную структуру с размером зерна 7,5 ± 0,5 мкм (Рис.5 а), в то время как за 250 % деформации со скоростью 6 10-3 с-1 рекристаллизация при СПД проходит частично (Рис.5 б), что, вероятно, является причиной более низкихудлинений.

Видно, что при увеличении степени деформации с 70 % (режим 4, толщина листа 3 мм) до 90 % (режим 3, толщина листа 1 мм) напряжение течения снижается с 8,0 до 5,5 МПа (Рис.6). Однако, при толщине 3 мм и меньшей степени обжатия сплав проявляет достаточно высокие показатели сверхпластичности при скорости деформации 2-10-3 с-1 -низкие напряжения течения и высокие удлинения (500 %).

Заметим, что, при постоянной скорости деформации, в образцах, прокатанных по режимам 1 и 2 (рис. 2а, 3а, 4а), напряжение течения снижается во время сверхпластической деформации при всех исследуемых скоростях и на образцах заметно образование шейки. В то же время образцы, прокатанные по режимам 3 и 4, показывают продолжительное устойчивое течение, уже после 100 % деформации.

Рис. 5 - Структура образцов сплава 1545К, полученных по режиму 4, после сверхпластической деформации при 500 °С с постоянными скоростями деформации 2-10-3 с-1 (а) и 6-10-3 с-1 (б)

Fig. 5 - The structure of the samples of 1545K alloy obtained by mode 4, after superplastic deformation at 500 °C with a constant strain rate 2Л0-3 s-1 (a) and 6Л0-3 s-1 (b)

ISJAEE

Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» №1(1) 2013 (117) © Научно-технический центр «TATA», 2013

51

Рис. 6 - Кривые растяжения при сверхпластической деформации с постоянными скоростями деформации 2-10-3 с-1 и 6-10-3 с-1 при температуре 500 °С образцов из сплава 1545К, полученных по режимам 3 и 4

Fig. 6 - The stress-strain curves at the superplastic deformation with a constant strain rate 2Л0-3 s-1 and 6Л0-3 s-1 at 500 °C by the samples of 1545K alloy, obtained by modes 3 and 4

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Исследована структура и показатели сверхпластичности листов сплава 1545К, полученных прокаткой по различным режимам. Показано, что перед началом сверхпластической деформации сплав имеет практически нерекристаллизованную структуру.

Режим, включающий прокатку при температуре 200 °С на 90 % (толщина 1 мм), обеспечивает 560 % удлинения при постоянной скорости сверхпластической деформации 6-10-3 с-1 при температуре 500 °С. Листы

сплава, толщиной 3 мм, полученные прокаткой на 70 % при 200 °С, показывают 500 % удлинения во время сверхпластической деформации при 500 °С и постоянной скорости 2-10-3 с-1. При этом напряжение течения не превышает 8 МПа.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Ми-нобрнауки России, в рамках Соглашения 14.А18.21.2030 «Особенности физических свойств перспективных материалов (наноматериалов)» (ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 г) с использованием оборудования Центра коллективного пользования «Диагностика структуры и свойств наноматериалов» НИУ «БелГУ».

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

[1] Сверхпластическая формовка конструкционных сплавов / Под ред. Н. Пейтона, К. Гамильтона. М.: Металлургия, 1985. 312 с.

[2] J. G. Kaufman. Properties of Aluminum Alloys: Fatigue Data and the Effects of Temperature, Product Form, and Processing. ASM International, 2008.

[3] Алиева С.Г., Альтман М.Б., Амбарцумян С.М. и др. Промышленные алюминиевые сплавы. М.: Металлургия, 1984. 528с.

[4] H.Yong-dong, Z. Xin-ming,Y. Jiang-hai. Effect of minor Sc and Zr on microstructure and mechanical properties of Al-Zn-Mg-Cu alloy // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. V.16. 2006. P.1228-1235.

[5] P. M' alek, K. Turba, M. Cieslar, I. Drbohlav, T. Kruml. Structure development during superplastic deformation of an Al-Mg-Sc-Zr alloy // Materials Science and Engineering A. V.462. 2007. P.95-99.

[6] P. Yong-yi, Y. Zhi-min, NIE Bo, Z. Li. Effect of minor Sc and Zr on superplasticity of Al-Mg-Mn alloys // Trans. Nonferrous Met. Soc. China. V.17. 2007. P.744-750.

[7] Nieh T.G., Wadsworth J., Sherby O.D. Superplasticity in metals and ceramics. New York: Cambridge university Press, 2005. 287 p.

[8] S. Lee, A. Utsunomiya, H. Akamatsu, K. Neishi, M. Furukawa, Z. Horita, T.G. Langdon. Influence of scandium and zirconium on grain stability and superplastic ductilities in ultrafine-grained Al-Mg alloys // Acta Materialia. V.50. 2002. P.553-564.

0 >3

ÜJ б

1

3

ъ о

3 &

с

>3

0

1

I £

I

0

>3 3

5

-о §

£ с ъ

m 3 >3

3

1

ъ

0

6

1

ÜJ

о и

- е

у К- , : У)

International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology №1(1) 2013 (117)

© Scientific Technical Centre «TATA» , 2013