Влияние микролегирования и модифицирования на структурное упрочнение и свойства сплавов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара

Приднепровская государственная академия строительства и архитектуры

Влияние микролегирования и модифицирования на структурное упрочнение и свойства сплавов

А.В. Калинин,Т.В. Носова, А.В. Давидюк, О.П. Юшкевич

Изучены структурное упрочнение и свойства деформированных алюминиевых сплавов, легированных скандием и переходными металлами. Определены кристаллогеометрические параметры скандия как микролегирующего элемента алюминиевых сплавов. Результаты выхода годного листа при добавлении 0,5 % скандия показали увеличение на 15 - 30 %.

Ключевые слова: деформированные алюминиевые сплавы, свойства, структурное упрочнение, скандий.

Вивчено структурне зміцнення та властивості деформованих алюмінієвих сплавів, легованих скандієм та перехідними металами. Визначено кристалогеометричні параметри скандію як мікролегуючого елементу алюмінієвих сплавів. Результати виходу придатного листа при додаванні 0,5 % скандію показали збільшення на 15 - 30%.

Ключові слова: деформовані алюмінієві сплави, властивості, структурне зміцнення, скандій.

Properties and strentching of structure deforming alloys treated by dispersed inoculation elements by scandium and connecting metal has been studied. Cristallometric parameters of scandium as inoculation element have been defined. The results of the suitable sheet on output at accompaniment scandium 0,5 % have shown increase on 15 - 30 %.

Key words: deforming aluminium alloys, properties, strentching of structure, scandium.

Введение

Чистый алюминий - мягкий и пластичный материал с пределом текучести о_т до 10 МПа и твердостью HV до 167 МПа. Вместе с тем промышленные алюминиевые сплавы имеют предел текучести о_т до 600 МПа и HV до 2000 МПа [1]. Уникальное повышение механических свойств алюминиевых сплавов обусловлено различными видами упрочнения: твердорастворным за счет образования в сплаве дисперсных фаз, структурным, а также деформационным упрочнением в результате пластической деформации. Перспективным способом упрочнения алюминиевых сплавов является модифицирование расплавов дисперсными композициями и микролегирование скандием.

Наибольшей прочностью в настоящее время обладают алюминиевые сплавы системы Al-Zn-Mg -Cu. Однако скрытые резервы повышения прочности алюминиевых сплавов заложены в микролегировании скандием и переходными металлами. Микролегирование скандием позволило не только повысить прочность и пластичность сплавов, но и улучшить технологические свойства: свариваемость, обрабатываемость резанием, а также коррозионные свойства [2].

Постановка задачи. Установление влияния и дисперсного модифицирования скандия на формирование структуры и свойств свариваемых промышленных алюминиевых сплавов и низколегированных сталей.

Метод решения и анализ полученных результатов

Промышленные алюминиевые сплавы являются многокомпонентными системами, поэтому легирование скандием имеет особенности, обусловленные взаимодействием скандия с легирующими элементами, входящими в состав сплавов.

Теоретические предпосылки и результаты исследования. Скандий (8е) - химический элемент III группы периодической системы, температура плавления 1540° С, температура кипения 2700° С, плотность 3020 кг/м. Скандий - полиморфный металл, имеет 2 аллотропные модификации: а- модификацию с ГПУ - решеткой и в - модификацию с ОЦК - решеткой. Температура полиморфного превращения составляет 1334° С. Электронная конфигурация атома скандия аналогична иттрию и РЗМ-металлам и соответствует 3ё 4б. Растворимость скандия в алюминии составляет 0,3 % мас., а в лигатуре присутствует упрочняющая фаза интерметаллид Л1₃8е, размеры которого должны быть не более 20 мкм, чтобы обеспечить растворимость в расплаве.

Согласно диаграмме состояния Л1-8е, эвтектическое превращение Ж ^ а - Л1 + Л1зБе происходит при 0,55 % 8е. В сплавах после охлаждения структура состоит из матрицы - а-Л1 и интерметаллидов Л1₃8е. В сплаве присутствуют другие легирующие элементы, в основном переходные металлы: Т1, 7г, Ш, то концентрацию скандия для получения мелкого зерна сплавов можно уменьшать[3].

В результате закалки сплавов системы Л1-8е, содержащих 0,3 % скандия, от температуры 620° С и резкого охлаждения со скоростью 100 ° С/с и выше не происходит распада твердого раствора с выделением частиц интерметаллида Л1₃8е. В процессе старения закаленных сплавов выделяются вторичные интерметаллиды Л1₃8е. Оптимальная температура старения составляет 300°С. Поскольку в сложнолегированных сплавах алюминия температура плавления ниже 600° С, закалка от предплавильных температур не приводит в этих сплавах к переводу скандия в твердый раствор. Образование вторичных выделений Л1₃8е возможно путем старения сплавов после ускоренной кристаллизации, а также путем деформационного старения.

Особенность влияния скандия на структурное образование сплавов алюминия объясняется электронным строением скандия. Так, интерметаллиды алюминия с решеткой типа ЛиСи₃, формируются только с тремя элементами периодической системы: Бг, Тт, УЬ, но они нерастворимы в алюминии. Существенно большую растворимость скандия в большинстве элементов связывают со значительно меньшим значением атомного радиуса скандия, обусловленного его электронным строением.

Скандий по физико-химическим свойствам является аналогом иттрия и редкоземельных элементов. При легировании алюминия скандием имеют место характерные черты, свойственные легированию переходными металлами: малый температурный интервал кристаллизации твердых растворов (5°С); относительно низкая растворимость в алюминии; переменная растворимость с понижением температуры.

Обладая всеми положительными качествами переходных металлов, используемых при легировании сплавов алюминия [2, 3], скандий имеет существенные преимущества в связи с уникальными свойствами интерметаллида Л1₃8с. В работе [4] методом электронной микроскопии изучена морфология вторичных выделений Л1₃8с в сплаве Л1 - 0,5 % 8е после старения при 300° С.

Кристаллическая решетка интерметаллида Л1₃8с изоморфна решетке алюминия при незначительном (на 1,4 %) превышении параметра решетки. Поэтому первичные кристаллы интерметаллида Л1₃8с обладают сильнейшим модифицирующим действием при кристаллизации легированных скандием алюминиевых сплавов и вызывают измельчение зеренной структуры отливок. Вторичные частицы Л1₃8с, выпадающие из пересыщенного твердого раствора при термической обработке, долго сохраняют когерентную связь с матрицей и способствуют упрочнению. Выделение вторичных частиц Л1₃8с обуславливает наибольшее удельное упрочнение алюминиевой матрицы по сравнению с другими элементами периодической системы. Прирост предела текучести алюминия на 1 ат.% 8с составляет 1000 МПа, что существенно превышает влияние других элементов. Наличие дисперсных когерентно связанных с матрицей частиц Л1₃8с закрепляет дислокационные субграницы и способствует формированию в деформированных сплавах мелкой ячеистой дислокационной структуры, обладающей высокой термической стабильностью. Эти свойства Л1₃8с открывают возможности для улучшения комплекса свойств сплавов методами термической обработки путем закалочного и деформационного старения. Дополнительное улучшение свойств сплавов получают при легировании их скандием в сочетании с другими переходными металлами (Мп, Т1) [3].

Атомы скандия в твердом растворе алюминия имеют максимальную энергию связи с вакансией (табл.1). Это может обеспечить дополнительное упрочнение при легировании алюминия скандием, однако этот вопрос изучен в настоящее время недостаточно. Энергия связи между вакансией и растворимыми атомами различных элементов в твердом растворе алюминия [6]

Таблица 1