В современной транспортной промышленности отмечается интерес к сплавам системы Al-Mg, обладающим средней прочностью, высокой коррозионной стойкостью и свариваемостью [2]. Однако низкая, по сравнению со сталями глубокой вытяжки, формуемость сплавов Al-Mg значительно ограничивает широкое применение листового алюминия в изделиях сложной формы и увеличивает их цену. Этот недостаток может быть устранен при внедрении в производство конструкций сложной формы, методов формовки, основанных на эффекте сверхпластичности (СП) материалов [1,6]. В настоявшее время применение к алюминиевым сплавам СП формовки в промышленных масштабах экономически не выгодно, так как микроструктуры, получаемые стандартными термомеханическими обработками, обеспечивают проявление СП при низких скоростях (<10-4 c-1) и высоких температурах (>0.6Tm) деформации [4,10].
Известно [4], что уменьшение зерен алюминиевых сплавов до субмикрокристаллического (СМК) размера (d£1 мкм) может сдвинуть диапазон СП к более низким температурам и высоким скоростям деформации, что является важным для применения СП в промышленности. Ряд исследований, посвященных СП Al-Mg сплавов, показывают [5,8,9], что высокоскоростная сверхпластичность (ВССП) и низкотемпературная сверхпластичность (НТСП) может быть обнаружена в алюминиевых сплавах с СМК структурой, сформированной интенсивной пластической деформацией (ИПД) равноканальным угловым (РКУ) прессованием. Как правило, ВССП и НТСП обнаруживали в алюминиевых сплавах содержащих скандий, который образует частицы Al3Sc, облегчающие формирование СМК зерен при ИПД и сдерживающие рост зерен при СП деформации [5,8,9]. Однако высокая цена скандия ограничивает промышленное применение этих сплавов до ряда компонентов авиационной промышленности. В связи с этим важной задачей является разработка методов, обеспечивающих формирование СМК структур РКУ прессованием в безскандиевых промышленных сплавах Al-Mg. Ранее было показано [7], что стабильная СМК структура может быть получена в сплавах Al-Mg-Mn при выделении частицы Al6Mn размером 25 нм, которые так же эффективны для формирования СМК структур при ИПД, как и частицы Al3Sc. Мы предполагаем, что сплав Al-Mg-Mn с стабильной СМК структурой способен к СП при низких температурах и высоких скоростях деформации.
Цель данной работы заключалась в достижении ВССП и НТСП в листах промышленного алюминиевого сплава 1561, обработанного РКУ прессованием и изотермической прокаткой.
Материал и методы исследования
В качестве материала исследования использовали слиток промышленного алюминиевого сплава 1561 (Al-5.4 %Mg-0.5 %Mn-0.1 %Zr-0.12 %Si-0.014 %Fe (вес. %)), отожженный при 360 °С в течение 6 часов для выделения наноразмерных частиц Al6Mn. Вырезанные из слитка заготовки подвергали 10 циклам РКУ прессования при 300 °С в матрице с углами каналов Φ ~ 90 ° and Y ~ 1°. Прессованные заготовки прокатывали в листы в изотермических условиях при 300 °С с обжатием 85 %.
Для исследования СП характеристик использовали вырезанные из прокатанных листов плоские образцы с длиной рабочей части 6 мм и сечением 1,4´3 мм2. Испытания растяжением проводили в интервале температур 225-325 °С и интервале скоростей деформации 5.6´10-4 - 2.8´10-2 с-1. Направление растяжения совпадало с направлением прокатки. Коэффициент скоростной чувствительности определяли методом переключения скоростей [1].
Изменения микроструктуры исследовали в плоскости прокатки. Методы просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) и анализа дифракции отраженных электронов (ДОЭ) были описаны ранее [7]. На картах ДОЭ высокоугловые границы (ВУГ) и малоугловые границы указаны черными и белым линиями. Границы с углом разориентировки более 15 ° идентифицировали как ВУГ.
Результаты исследования и их обсуждение
Электронно-микроскопические исследования и анализ ДОЭ показали, что после ИПД в листах сплава 1561 формируется неоднородная микроструктура (рис. 1а). Одним из компонентов структуры являются равноосные зерна размером около 1 мкм, окруженные ВУГ (рис. 1а). Другим компонентом структуры являлись сильно вытянутые крупные зерна, содержащие в теле субзерна. Доля ВУГ порядка 0,65 и средний угол разориентировки около 26 ° свидетельствуют о формировании в сплаве 1561 частично рекристаллизованной микроструктуры. После ИПД в сплаве были обнаружены частицы Al6Mn размером около 45 нм (рис. 1б), объемная доля которых составляла 0,025. В тоже время частицы Al3Zr не были обнаружены. Ранее сообщалось, что цирконий остается в пересыщенном твердом растворе после гомогенизационного отжига [7], так как для выделения частиц Al3Zr необходим отжиг при 450-500 °С в течение, как минимум, 200 часов [3]. Таким образом, микроструктуру, формирующуюся в сплаве 1561 при РКУ прессовании с изотермической прокаткой, можно характеризовать как частично рекристаллизованную СМК структуру с высокой долей наночастиц Al6Mn.
Рисунок 1. Микроструктура сплава 1561 после РКУ прессования с изотермической прокаткой. (а) типичная карта ДОЭ, (б) ПЭМ
Рисунок 2. Влияние скорости деформации на напряжения течения (a), коэффициент скоростной чувствительности (б) и удлинения до разрушения (в). Влияние степени деформации на коэффициент скоростной чувствительности (г)
На рисунках 2а-2в представлены зависимости напряжений течения, коэффициента скоростной чувствительности, m, удлинений до разрушения, d, от скорости деформации полученные при растяжении сплава в интервале температур 250-300 °С при начальной скорости деформации 5.6´10-3 с-1. Очевидно, что в исследуемом интервале температур зависимость напряжений течения от скорости деформации имеет характерный для СП сплавов «сигмоидальный» вид с тремя характерными для СП материалов интервалами деформации [1]. Во втором интервале m³0.3 и d³300 %. Умеренные удлинения порядка 420 % были обнаружены при скорости деформации 5.6´10-4 с-1 и температуре 225 °, которая соответствует 0,36Тm сплава 1561. При 275 °С максимум удлинений 620 % и наибольший коэффициент скоростной чувствительности 0,4 были обнаружены при скорости деформации 5.6´10-3 c-1. Стоит отметить, что при 275 °С значения m≈0.33 и d≈480 % были обнаружены при скоростях деформации более 10-2 с-1, что свидетельствует о наличии в сплаве 1561 ВССП при относительно низких температурах.
Рис. 2 г показывает зависимость коэффициента скоростной чувствительности от степени деформации при различных температурах. Значения m понижаются с увеличением степени деформации, что может указывать на снижение вклада механизма зернограничного проскальзывания в деформацию и на обусловленный деформацией рост зерен [1].
Эволюцию СМК структуры сплава 1561 в процессе отжига и СП деформации изучали в области захватов и в рабочей части, соответственно. Размер кристаллитов после отжига Lо, СП деформации, Lд, коэффициент формы зерен, Кд, и доля ВУГ SВУГ, приведены в таблице 1. Средний размер зерен около 1,1 мкм остается неизменным в интервале температур 250-300 °С, свидетельствуя о стабильности СМК структуры сплава 1561 в условиях статического отжига. Частично рекристаллизованная микроструктура, образовавшаяся в сплаве 1561 при ИПД, остается практически неизменной при отжиге до 275 °С (рис. 3а), в то же время отжиг при 300 °С увеличивает однородность СМК структуры. Доля ВУГ увеличивается с 0,65 до 0,79 с увеличением температуры от 250 до 300 °С.
Таблица 1. Параметры микроструктуры формирующейся при статическом отжиге и при СП деформации сплава 1561, деформированного до разрушения при скорости деформации 5.6×10-3 с-1 в интервале температур 250-300 °C
|
T, °C |
250 |
275 |
300 |
|
d, % ( эквивалентное время отжига в области захватов, мин) |
400 (29) |
620 (37) |
320 (27) |
|
Lо, мкм |
1.0 |
1.1 |
1.1 |
|
Lд , мкм* |
1.45/0.97 |
1.8/1.04 |
1.94/1.26 |
|
Кд |
1,5 |
1,73 |
1,53 |
|
SВУГ (область захватов) |
0.65 |
0.68 |
0.79 |
|
SВУГ (рабочая часть) |
0.93 |
0.94 |
0.91 |
|
*числитель и знаменатель размер зерен в продольном и поперечном направлении. |
|||
В процессе СП деформации в интервале 250-300 °С в рабочей части образцов было обнаружено формирование полностью рекристаллизованной микроструктуры. Доля ВУГ увеличена по сравнению с областью захватов (таблица 1, рис. 3). Рост зерен, обусловленный деформацией, имеет место в рабочей части образца, приводя к образованию рекристаллизованной микроструктуры, состоящей из зерен вытянутых в направлении растяжения (рис. 3б). Большие значения Кд и низкие значения m (рис. 2г) свидетельствуют о значительном вкладе механизма дислокационного скольжения и низком вкладе ЗГП в общую деформацию [1].
Рисунок 3. Карты ДОЭ микроструктур сплава 1561 после СП деформации при 275 °C и 5.6´10-3 с-1: (а) область захватов, (б) рабочая часть
Результаты, представленные в данной работе, показывают, что двух-ступенчатая ИПД, состоящая из РКУ прессования и изотермической прокатки пригодна для производства СП листов с размером кристаллитов около 1 мкм из сплава 1561. Эта микроструктура остается стабильной во время отжига при температурах СП деформации, а сплав демонстрирует наличие НТСП и ВССП с умеренными удлинениями порядка 420 % в исследованном температурно-скоростном интервале. Наибольшее удлинение равное 620 % было достигнуто при скорости деформации 5.6´10-3 с-1 и температуре 275 °С. Ранее подобные СП характеристики достигали в сплавах Al-Mg, содержащих скандий и/или цирконий [5,8,9]. Сплав 1561 содержит наноразмерные частицы Al6Mn, которые в интервале температур 250-300 °С эффективно сдерживают рост зерен при статическом отжиге, как и частицы Al3(Sc,Zr) [7]. Поэтому сплав 1561 с такой СМК структурой способен к проявлению СП при относительно низких температурах и высоких скоростях деформации. Однако очевидно, что дисперсоиды Al6Mn не способны сдерживать рост зерен в условиях СП деформации. Рост зерен снижает вклад ЗГП в деформацию сплава 1561, уменьшая СП удлинения. Как результат сплав демонстрирует умеренные по сравнению со сплавами Al-Mg, содержащими скандий и/или цирконий, показатели СП при низких температурах и высоких скоростях.
Заключение
- Обнаружено, что двухступенчатая ИПД, включающая РКУ прессование и изотермическую прокатку, пригодна для формирования в листах промышленного сплава 1561 СМК структуры с размером зерен 1 мкм.
- Сплав 1561 с СМК структурой проявляет признаки ВССП с удлинением около 480 % и коэффициентом скоростной чувствительности 0,3 при скорости деформации 1.4´10-2 с-1 и относительной температуре 275 °С. Максимальное удлинение 620 % обнаружено при той же температуре и скорости деформации 5.6´10-3 с-1.
- При температуре 225 °С и скорости деформации 5.6´10-4 с-1 сплав проявляет признаки НТСП с удлинением около 420 %.
Данная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ.
Рецензенты:
- Кайбышев Рустам Оскарович, д.ф.-м.н., профессор, профессор кафедры «Материаловедения и нанотехнологий», ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", г. Белгород.
- Иванов Олег Николаевич, д.ф.-м.н., профессор, директор ЦКП «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный национальный исследовательский университет", г. Белгород.
Библиографическая ссылка
Никулин И.А., Кипелова А.Ю. НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ СПЛАВА AL-MG-MN ПОДВЕРГНУТОГО ИПД // Современные проблемы науки и образования. – 2012. – № 5. ;URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=7112 (дата обращения: 19.04.2024).