ВЛИЯНИЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА МИКРОСТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95 Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 539.374 Б01: 10.24412/2071-6168-2021-3-31-36

ВЛИЯНИЕ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА МИКРОСТРУКТУРУ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА В95

Д.Х. Чан, Х.М. Нгуен, В Т. Нгуен, М.Т. Нгуен

Представлены результаты исследования влияния термомеханических параметров (степени деформации, температуры отжига, времени удерживания) на микроструктуру алюминиевого сплава Al-Zn-Mg-Cu. Зависимость среднего размера частиц от термомеханических параметров была установлена с использованием метода планирования эксперимента. Данные результаты позволяют определить рациональный термомеханический режим для получения заготовок с требуемой микроструктурой.

Ключевые слова: деформируемость материала, гетерогенизационный отжиг, ортогональное планирование эксперимента.

Повышение деформируемости материала является целью любого процесса обработки металлов давлением. Деформируемость материала зависит не только от природы материала, но и от его состояния. Результаты показывали, что при растяжении образцов в условиях определенных температуры и скорости относительного удлинения могут принимать до нескольких сотен, даже тысяч, соответствующие напряжения текучести материала много раз ниже, чем в обычном условии. Это состояние деформации называется сверхпластичной деформацией материала. Деформационное состояние сверхпластичночти происходит только в следующих условиях: низкой скорости деформации от 10-1 до 10-5 с-1, высокой температуры (0,5...0,9 температуры плавления) и мелкий размер частиц (<10 - 15 ц м) [1, 2, 4].

Кроме того, алюминиевый сплав А1-2п-М§-Си входит в группы алюминиевых сплавов с высокой прочностью, устойчивостью к коррозии и хорошей свариваемостью [2]. Поэтому они используются во многих различных областях: космическая и авиационная промышленность, судостроение. Однако одной из проблем, с которой сталкиваются при изготовлении деталей из данного сплава, заключается в том, как в полной мере использовать способность деформируемости, при обеспечении надлежащего качества продукции и избежать дефектов в процессе деформации. Следовательно, необходимо изучить и исследовать оптимальный режим термо-механической обработки (ТМО) для создания материалов с мелкозернистой структурой, чтобы повысить пластичность материалов.

Лист из сплава В95 (ГОСТ 4784-97) прокатан до толщины 5 мм на заводе 2159 - Главное управление оборонной промышленности Вьетнама. Химический состав сплава приведен в табл. 1.

Таблица 1

Химический состав в, % материала В95 (ГОСТ 4784-97)_

81 Fe Си Мп М2 Сг N1

0,044 0,160 3,57 0,057 2,71 0,0082 0,0048

Zn Т1 РЬ V Zr А1 Примесь

7,61 0,0089 0,0033 0,0087 0,0874 85,7 Ост.

На основании известных теоретических основ, в сочетании с анализом диаграммы состояния сплава В95, были построены схемы термомеханической обработки для создания листовых материалов, как показано на рис. 1. В этой схеме предусмотрен гетерогенизационный отжиг, целью которого является выделение из пересыщенного твердого раствора, полученного в результате закалки, частиц второй фазы размером около 1 мкм. В сплаве В95 - это Б-фаза (А12СиМ§). По сути, этот отжиг

является перестариванием пересыщенного твердого раствора. В результате последующей деформации (теплой прокатки при 200...220 °С) в зонах, прилегающих к указанным частицам, формируются участки с повышенной плотностью дислокаций. Эти участки служат местами предпочтительного зарождения зерен при рекристаллизации.

Время t, MUH.

Рис. 1. Схема термомеханической обработки алюминиевого сплава В95

Таким образом, выделив при гетерогенизационном отжиге равномерно по всему объему частицы S-фазы, после прокатки получают множество потенциальных мест образования зародышей зерен. Дальнейшая рекристаллизация с высокой скоростью охлаждения в воде позволяет сформировать ультрамелкозернистую структуру.

Применяя планирование эксперимента для того, чтобы исследовать влияние параметров термомеханической обработки процесса на средний размер зерна структуры. Оборудование для прокатки, нагрева, отжига и прибор для определения микроструктуры материала показаны в рис. 2.

а б в Рис. 2. Оборудования и прибор для проведения опытов: а - печь LH120/13; б - станок для прокатки листового металла; в - микроскоп AXIOVERT-25C

Образцы после ТМО, соответствующие номеру эксперимента показаны на рис. 3.

Рис. 3. Образцы, соответствующие номеру эксперимента

Микроструктура образца 5 определена микроскопом ЛХЮУБЯТ-25С и пока-

зана на рис. 4.

Рис. 4. Микроструктура образца 5: а - перед ТМО; б - после ТМО

Основные уровни и интервалы варьирования факторов ортогонального планирования эксперимента построены с учетом трех факторов (рис. 2).

Таблице 2

Основные уровни и интервалы варьирования факторов_

Нормированное обозначение факторов Название фактора Натуральное обозначение факторов Размерность факторов Область эксперимента

-1 0 +1

х1 Степень деформации к % 60 70 80 10

х2 Температура отжига Т °С 450 475 500 25

хз Время удерживания мин. 10 15 20 5

Матрица планирования эксперимента построена как в табл. 3 с числом опытов

3

(N = 2 + 2• 3 +1 = 15) и величина «звездного плеча» а = 1,215). Математическая модель среднего размера зерна структуры сплава В95 после ТМО описывается в виде

У = Ь0 + X Ъ-х- + х Ъ-гх-хг + X Ъ]гкх3хгхк +ХЪ--х- , (1)

j Ф г - Ф г фк

где Ъо, Ъ, Ъг, Ъгк, Ъ- - коэффициенты регрессии модели.

Опыты проводятся по матрице планирования эксперимента. Средний размер зерна структуры сплава В95, соответствующий номеру эксперимента приведены в табл. 3.

Обработав полученные данные, получено уравнение регрессии, адекватных экспериментальных данных:

У = 29,09-7,455х1 +10,123х2 -6,768х3 -13,125х1х2 +14,375х1 х3 +

+10,649х2 +11,326х32.

Из уравнения (2), можно установить влияние исследованных параметров на значение среднего размера зерен.

На рис. 4 показан график зависимости среднего размера зерен от степени деформации. Видно, что при увеличении степени деформации до 73% (соответственно Х1 = 0,3) средний размер зерна уменьшается, а с увеличением степени деформации он увеличивается.

Таблица 3

Матрица планирования эксперимента с результатами исследования среднего _ _размера зерна структуры образцов___

N Хо Х1 Х2 Хз Х1Х2 Х1Х3 Х2Х3 Х1 Х2' Хз' 7,дм

1 + - - - + + + 0,27 0,27 0,27 52

2 + + - - - - + 0,27 0,27 0,27 30

3 + - + - - + - 0,27 0,27 0,27 96

4 + + + - - - + 0,27 0,27 0,27 30

5 + - - + + - - 0,27 0,27 0,27 23

6 + + - + - - + 0,27 0,27 0,27 67

7 + - + + - - + 0,27 0,27 0,27 76

8 + + + + + + + 0,27 0,27 0,27 59

9 + -ю 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 -0,73 45

10 + +ю 0 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 28

11 + 0 -ю 0 0 0 0 0,75 -0,73 -0,73 15

12 + 0 +ю 0 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 33

13 + 0 0 -ю 0 0 0 -0,73 0,75 -0,73 43

14 + 0 0 +ю 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75 32

15 + 0 0 0 0 0 0 -0,73 -0,73 0,75 48

У(х1,-1,-1)40

35

30 "**"...................."*""

25-

- I-0.75-0.5-0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

х1

Рис. 4. Зависимости среднего размера зерна от степени деформации

На рис. 5 представлен график зависимости среднего размера зерна от температуры отжига. По общей тенденции при повышении температуры средний размер зерен увеличается. Но при высокой степени деформации и времени удерживания средний размер зерен слабо уменьшается с увеличением температуры отжига.

- 1 -0.75-0.5-0.25 0 0.25 0.5 0.75 I

х2

Рис. 5. Зависимости среднего размера зерна от температуры отжига

На графике (рис. 6) представлено влияние времени удерживания отжига на средний размер зерен сплава В95. При увеличении времени удерживания величина среднего размера зерен уменьшается. Однако со повышением степени деформации и высокой температурой он сначала снижается, а потом повышается с течением времени.

34

Y(1,1 ,хЗ)

-При xl=x2=l .......При xl=x2=0 ----При xl=x2=-l '

ч * *

V \ %

'Ч. ч

" " " ■

60 53.75 47.5 41.25

У(0,0,х3) 35

У( 1, 1,хЗ) 28.75 22.5 16.25 10

- 1 -0.75-0.5-0.25 0 0.25 0.5 0.75 1

хЗ

Рис. 6. Зависимости среднего размера зерна от времени удерживания

По уравнению (2) не только можно прогнозировать значение среднего размера зерен при ТМО по схеме, но и можно определить оптимальный режим для того, чтобы получить минимальное значение среднего размера зерен. Применяя софт МаШсаё 15 найдено минимальное значение среднего размера зерен 13,88 ц м при степени деформации 61,8%, температуре 450 °С, времени удерживания 19,1 мин.

Таким образом, построено уравнение, описывающее зависимость среднего размера зерен сплава В95 после ТМО от степени деформации, температуры отжига и времени удерживания. Также оценивалось влияние этих параметров на значение среднего размера зерен сплава, и был найден оптимальный режим ТМО.

Список литературы

1. Hamilton C., Ghosh A. Superplastic sheet forming. ASM Handbook. 1988. 14. P. 852-873.

2. Padmanabhan K.A., Davies G.J. Superplasticity. Mechanical and Structural Aspects, Environmental Effects, Fundamentals and Applications, Vol. 2 aus der Reihe: Materials Research and Engineering. Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1980.

3. Azushima A., Kopp R., Korhonen A., Yang D.Y., Micari F., Lahoti G.D., Groche P., Yanagimoto J., Tsuji N., Rosochowski A.j, Yanagida A. Severe plastic deformation (SPD) processes for metals. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2008. 57(2008). P. 716-735.

4. Jaya V. Prasad, Mohanarao N., Kamaluddin S., Bhattacharya S.S. Development of superplasticity in an Al-Mg alloy through severe plastic deformation. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, Springer London, 2018. 94(2018). P. 29732979.

4. Меркулова Г. А. Металловедение и термическая обработка цветных сплавов: учеб. пособие. Красноярск: Сиб. Федер. ун-т, 2008. 312 с.

5. Лычагин Д.В., Перевалова О.Б. Определение размера зерна поликристаллов: методические указания к лабораторной работе. Томск: Изд-во Том. Гос. Архит.-строит. ун-та. 2008. 31 с.

6. Биронт В.С., Гурская В.Ю. Теория термической обработки металлов: Лабораторный практикум // СФУ: ИЦМиЗ. Красноярск, 2007. 100 с.

7. Бернштейн М.Л. Термомеханическая обработка металлов и сплавов. Том 1. М.: Металлургия, 1968. 576 с.

8. Спиридонов А. А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М.: Машиностроение, 1981. 184 с.

Чан Дык Хоан, канд. техн. наук, доцент, ЛисИоап 1012@,^таИ. сот, Вьетнам, Ханой, Вьетнамский государственный технический университет имени Ле Куй Дона,

Нгуен Хуй Миен, сотрудник, duchoan1012@gmail. com, Вьетнам, Хайзыонг про-виции, ООО «Насосы Ebara»,

Нгуен Ван Тинь, аспирант, tinhnguyenvan1003@gmail.com, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Нгуен Мань Тиен, магистр, duchoan 1012@ gmail. com, Вьетнам, Ханой, Вьетнамский государственный технический университет имени Ле Куй Дона

INFLUENCE OF THERMO-MECHANICAL PARAMETERS ON THE MICROSTRUCTURE

OF ALUMINUM ALLOY 7075

D.H. Tran, H.M. Nguyen, V. T. Nguyen, M. T. Nguyen

The article presents results studying the influence of thermo-mechanical parameters (degree of deformation, annealing temperature, annealing time) on microstructure of aluminum alloy Al-Zn-Mg-Cu. The dependence of average particle size on thermo-mechanical parameters was establised by using experimental planning method. This result allows to define the rational thermo-mechanical regime in order to obtain workpieces with required microstructure.

Key words: material deformability, heterogeneous annealing, orthogonal experiment planning.

Tran Duc Hoan, candidate of technical sciences, docent, duchoan1012@gmail.com, Vietnam, Hanoi, Le Quy Don Technical University,

Nguyen Huy Mien, employee, duchoan1012@gmail. com, Vietnam, Hai Duong, Ebara Vietnam pump company limited,

Nguyen Van Tinh, postgraduate, tinhnguyenvan1003@gmail. com, Russia, Tula, Tula state University,

Nguyen Manh Tien, master, duchoan1012@gmail. com, Vietnam, Hanoi, Le Quy Don Technical University