Сетевое издание
Современные проблемы науки и образования
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,940

НИЗКОТЕМПЕРАТУРНАЯ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТЬ СПЛАВА AL-MG-MN ПОДВЕРГНУТОГО ИПД

Никулин И.А. 1 Кипелова А.Ю. 1
1 ФГАОУ ВПО "Белгородский государственный национальный исследовательский университет
В работе рассматривается возможность перевода промышленного алюминиевого сплава 1561 в сверхпластическое состояние при помощи методов интенсивной пластической деформации (ИПД) путем формирования субмикрокристаллической структуры. Показано, что субмикрокристаллическая структура со средним размером зерен 1 мкм может быть сформирована в листах алюминиевого сплава 1561 методом интенсивной пластической деформации включающем равноканальное угловое (РКУ) прессование и изотермическую прокатку. В результате стабилизации границ зерен нано-частицами Al6Mn, субмикрокристаллическая структура, сформированная при ИПД, остается стабильной при отжиге в интервале температур 250-300оС и сплав демонстрирует низкотемпературную сверхпластичность с удлинениями, превышающими 400% и коэффициентом скоростной чувствительности около 0,3 в интервале скоростей деформации 5.6×10-4 - 2.8×10-2 с-1. Наибольшее удлинение равное 620% было достигнуто при температуре 275 оС и скорости деформации 5.6×10-3 с-1.
алюминиевый сплав
субмикрокристаллическая структура
низкотемпературная сверхпластичность
интенсивная пластическая деформация (ИПД)
1. Кайбышев О. А. Сверхпластичность промышленных сплавов. - М.: Металлургия, 1984. - 264 с.
2. Davis J. R. Aluminum and aluminum alloys. - Ohio: ASM International, Materials Park, 1993.-783 p.
3. Jia Z., Hu G., Forbord B., Solberg J. K. Effect of homogenization and alloying elements on recrystallization resistance of Al-Zr-Mn alloys // Materials science and engineering: A. - 2007. №444. - Р. 284-290.
4. Kawasaki M., Langdon T. G. Principles of Superplasticity in Ultrafine-Grained Materials // Journal of materials science. - 2007. - № 42. - P. 1782-1796.
5. Musin F., Kaibyshev R., Motohashi Y. Superplastic Behavior and Microstructure Evolution in a Commercial Al-Mg-Sc Alloy Subjected to Intense Plastic Straining // Metallurgical and materials transactions A. - 2004. - №35A. - Р. 2383-2392.
6. Nieh T. G., Wadsworth J., Sherby O. D. Superplasticity in Metals and Ceramics, first ed. - New York: Cambrige University Press, 1997. - 270 p.
7. Nikulin I., Kipelova A., Malopheyev S. Effect of second phase particles on grain refinement during equal-channel angular pressing of an Al-Mg-Mn alloy // Acta materialia. - 2012. - №60. - Р. 487-497.
8. Park K.-T., Hwang D.-Y., Chang S.-Y. Low-Temperature Superplastic Behavior of a Submicrometer-Grained 5083 Al Alloy Fabricated by Severe Plastic Deformation // Metallurgical and materials transactions A. - 2002. - № 33A. - Р. 2859-2867.
9. Park K.-T., Hwang D.-Y., Lee Y.-K. High strain rate superplasticity of submicrometer grained 5083 Al alloy containing scandium fabricated by severe plastic deformation // Materials science and engineering: A. - 2003. - № 341. - P. 273-281.
10. Takayama Y., Itoh T., Kato H. Watanabe H. Deformation and Fracture at High Temperatures in an Al-Mg-Mn Alloy Sheet Consisting of Coarse- and Fine-Grained Layers // Materials transactions. - 2002. - Vol.43. - №10. - P. 2378-2384.
Введение

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 m0.33 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

  1. 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.
  2. 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.
  3. 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: 24.09.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074