Особенности распада твёрдого раствора высокопрочного литейного алюминиевого сплава, подвергнутого пластической деформации

Улучшение комплекса свойств металлов и сплавов, обеспечивающих надежность и долговечность работы машин и механизмов является важнейшей научно-технической задачей. Для снижения собственного веса конструкций при высокой удельной прочности и жесткости широко применяют легкие сплавы на алюминиевой и магниевой основах [1–3]. С целью повышения прочностных характеристик этих сплавов могут быть использованы деформационная и термическая обработки.

Деформационной упрочняющей обработке, в основном, подвергаются сплавы, не склонные к дисперсионному твердению. Для повышения прочностных свойств деформируемых алюминиевых сплавов чаще всего используется умеренная холодная пластическая деформация (до 20…40 %).

Для дисперсионно-твердеющих сплавов на основе алюминия и магния могут быть использованы различные схемы термомеханической обработки. К основным видам такой обработки относят низкотемпературную и высокотемпературную термообработки (НТМО и ВТМО).

В случае НТМО [4] сплав после закалки подвергается холодной деформации и последующему естественному или искусственному одно- или двухступенчатому старению. При оптимально подобранных режимах деформации и старения можно получить повышенные прочностные характеристики при сохранении достаточно высокой пластичности.

Некоторое увеличение прочностных характеристик при одновременном повышении пластичности ударной вязкости дисперсионно твердеющих сплавов обеспечивается ВТМО [4], которая предполагает пластическую деформацию при температурах нагрева под закалку или несколько ниже нее и последующее быстрое охлаждение с целью получения не только пересыщенного твердого раствора, но и исключение рекристаллизации деформированной матрицы. Окончательной операцией является старение алюминиевого сплава.

При создании технологических процессов обработки, включая ВТМО, важно знать, как изменится прокаливаемость сплава под влиянием высокотемпературной деформации. Как известно [5, 6], горячая пластическая деформация, проводимая при температуре нагрева под закалку, интенсифицирует распад пересыщенных твердых растворов деформируемых алюминиевых сплавов в процессе последующего охлаждения и уменьшает их прока-ливаемость.

Подавляющее большинство исследований по термической обработке выполнено на полуфабрикатах и изделиях, которые на стадии металлургического передела подвергались пластической деформации. В то же время в промышленности находят широкое применение литейные алюминиевые сплавы. Представляется важным выяснить возможность осуществления термомеханической обработки этих сплавов, отличающихся от деформируемых особенностями легирования, склонностью к дисперсному твердению и типом выделяющихся фаз.

В работе [7] исследовались структура и свойства литейного сплава АЛ9, подвергнутому термомеханическому упрочнению при различных температурах и степенях деформации. Установлено, что НТМО существенно повышает прочностные свойства сплава при заметном снижении пластичности. Возможно повышение пределов текучести и прочности сплава на 22 и 18 % соответственно. В отличие от НТМО высокотемпературная механическая обработка данного сплава приводит к заметно меньшему упрочнению, но сопровождается повышением пластичности и снижением склонности к хрупкому разрушению.

В работе [8] изучено влияние деформации на механические свойства высокопрочного литейного алюминиевого сплава при различных степенях деформации и температурах. Материалом исследования служил литейный алюминий-магниевый сплав, характеризую щийся высокой прочностью при комнатной

Химический состав литейного алюминиевого сплава (масс. %) Chemical composition of cast aluminum alloy (wt. %)

Al Si Cu Mn Mg Ti Cd Zr Zn Fe Ост. 0,11 4,50 0,49 0,03 0,26 0,11 0,05 0,09 0,14 температуре и повышенной жаропрочностью, применяемый в качестве конструкционного материала для изготовления ряда деталей ответственного назначения. Химический состав сплава приведен в таблице.

В результате проведенных экспериментов было установлено, что сплав можно подвергать термомеханической обработке с умеренными (до 30 %) степенями деформации независимо от исходного структурного состояния (литая структура, закаленное состояние). Показано, что наибольший эффект упрочнения сплава достигается при НТМО со степенью деформации 30 % в районе температур оптимального старения, при этом пластичность литейных сплавов снижается в меньшей мере, чем при проведении холодной деформации. Также было установлено, что пластическая деформация оказывает интенсифицирующее влияние на процессы старения литейного алюминиевого сплава, причем наибольшая скорость распада твердого раствора достигается при проведении пластической деформации при температуре дисперсионного твердения.

При создании технологических процессов ВТМО важно знать характер изменения про-каливаемости сплава под влиянием высокотемпературной деформации. Для оценки про-каливаемости построена С-образная диаграмма изотермического распада пересыщенного твердого раствора высокопрочного литейного алюминиевого сплава по методике, изложенной в работе [9]. Заготовки сечением 30 х 15 мм и 4,3 х 15 мм после 7-часовой гомогенизации при 545 °С переохлаждали в соляной ванне до 400…250 °С с последующей изотермической выдержкой и закалкой в воде. Часть заготовок толщиной 4,3 мм перед изотермической выдержкой подвергали прокатке со скоростью 1 с^–1 и степенью деформации 30 %. После деформации они имели такую же толщину, что и недеформированные заготовки. Окончательной операцией являлось 10-часовое старение при 170 °С, обеспечивающее получение максимальной прочности. Из заготовок изготавливались плоские образцы для испытаний на растяжение. Начало распада пересыщенного твердого раствора фиксировали при меха- 24

нических испытаниях по снижению прочностных характеристик на 2 % по сравнению с уровнем свойств закаленного и состаренного сплава.

Характер изотермического распада пересыщенного твердого раствора высокопрочного литейного алюминиевого сплава, подвергнутого горячей пластической деформации и недеформированного, иллюстрирует С-образные кривые (см. рисунок).

Пластическая деформация при температуре гомогенизации существенно ускоряет распад пересыщенного твердого раствора высокопрочного алюминиевого сплава, что проявляется как в уменьшении инкубационного периода (для недеформированного сплава – 12 с, а для деформированного 5 с), так и увеличении скорости распада. Уменьшение минимального инкубационного периода превращения приводит к увеличению критической скорости закалки, рассчитанной из С-образных диаграмм по формуле согласно [9]:

у _ 1 зак ^mm кр “(1,1.. .1,2) ’ Tmin , где tзак – температура нагрева под закалку, °С; tmin – температура минимальной устойчивости твердого раствора, °С; тшш - инкубационный период при температуре tmin ; (1,1…1,2) – коэффициент, учитывающий запаздывание превращений по сравнению с изотермическими в условиях непрерывного охлаждения.

Проведенные расчеты показывают, что для недеформируемого сплава Г кр _ 14,2 град./с, а для деформированного (545 °С, 30 %) – Г _кр _ 34,16 град./с.

Аналогично горячая деформация влияет и на распад пересыщенного раствора сплава АЛ9 [10]. Проведенные эксперименты и расчеты показывают, что для недеформирован-ного сплава АЛ9 критическая скорость закалки Г кр _ 13,78 град./с, а для деформированного - V p _ 29,54 град./с.

Таким образом, установлено, что пластическая деформация оказывает интенсифици-

Кривая изотермического распада пересыщенного твердого раствора. Цифры у кривых показывают количество твердого раствора. □ , ○ – без деформации; ■ , • – деформация 30 %

Isothermal decomposition curve of a supersaturated solid solution. The numbers on the curves show the amount of solid solution. □ , ○ – without deformation; ■ , • – 30 % deformation

рующее влияние на процессы старения литейных алюминиевых сплавов. Особенно интенсивно ускоряет распад твердого раствора при старении предварительная деформация, проводимая при температурах дисперсионного твердения.

Выводы

• 1.    Рассчитаны критические скорости закалки недеформированных и подвергнутых деформации сплавов.

• 2.    Экспериментально определены критические скорости закалки для деформированных и недеформированных сплавов при оптимальной степени деформации.

• 3.    Построена диаграмма распада пресыщенного твердого раствора высокопрочного алюминиевого сплава.

• 4.    Установлено хорошее соответствие скоростей закалки, определенных расчетным путем, скоростям закалки, найденным экспериментально.

• 5.    При осуществлении ВТМО горячая пластическая деформация, проводимая при температуре гомогенизации, интенсифицирует распад пересыщенного твердого раствора высокопрочных литейных алюминиевых сплавов в процессе последующего охлаждения и уменьшает прокаливаемость.