Влияние холодной прокатки на механические свойства ультрамелкозернистого алюминиевого сплава 1570С

 

Кулицкий В.А.¹, Малофеев С.С.²

(Лаборатория механических свойств и наноструктурных материалов, НИУ БелГУ, ул. Победы 85, Белгород 308015, РФ)

E-mail: ¹kulickiy.v@mail.ru, ²malofeev@bsu.edu.ru

 

В результате проделанного исследования было показано, что использование холодной прокатки сплава 1570С, с предварительно сформированной ультрамелкозернистой микроструктурой, позволяет добиться высокой прочности и удовлетворительной пластичности.

In the results of this study showed that the use of cold-rolled alloy 1570С, with a preformed ultrafine microstructure, achieving high strength and satisfactory ductility.

 

Ключевые слова: Равноканальное угловое прессование (РКУП), Холодная прокатка, Ультрамелкозернистая микроструктура, Механические свойства, Алюминиевый сплав.

Key words: Equal-channel angular pressing (ECAP), Coll rolling, Ultrafine-grained microstructure, Mechanical properties, Aluminum alloy.

 

В данной работе в качестве материала исследования использовали модификацию алюминиевого сплава 1570, сплав 1570С, с химическим составом: Al-6,4%, Mg-0,4%Mn-0,2%Sc-0,08%Zr. Алюминиевый сплав 1570С по уровню прочностных, пластических характеристик, сопротивляемости образованию и распространению трещин при статистических и циклических нагрузках в большинстве случаях превосходит современные сплавы. Принимая также во внимание, что коррозионная стойкость и свариваемость рассматриваемого сплава довольно высоки, то перспективность его применения в авиационной промышленности очевидна. В самолетостроении основными предметами внимания являются уменьшение веса и увеличение долговечности используемых в самолете деталей, поэтому повышение прочности материалов играет важную роль в обеспечении надежной работы изделий. Повышение служебных свойств возможно за счет формирования в металлах определенной микроструктуры и свойств. Одним из таких методов является холодная прокатка с большими степенями обжатия. Особенно высокие механические свойства демонстрируют алюминиевые сплавы после холодной прокатки с предварительно сформированной ультрамелкозернистой микроструктурой [1,2].

Прокатка позволяет сформировать в сплаве 1570 микроструктуру, состоящую из трех элементов: 1) ультрамелкие зерна, содержащие относительно низкую плотность дислокаций, 2) крупные зерна с высокой плотностью дислокаций и 3) ультрамелкие зерна с высокой плотностью дислокаций [3]. Полученная структура показала высокие показатели прочности, при хорошей пластичности.

Целью данной работы является определить влияние холодной прокатки со степенью обжатия 80% на микроструктуру и механические свойства сплава 1570С в ультрамелкозернистом состоянии.

Ультрамелкозернистая структура в сплаве 1570С была сформирована методом РКУП при температуре 300°С до истинной степени деформации 12 по маршруту В_сz. В результате деформации в сплаве была сформирована однородная рекристаллизованная микроструктура с размером зерен и кристаллитов 0,9 мкм и 0,6 мкм, соответственно (рис. 1а и 1б). Плотность дислокаций составила 5×10¹³ м^-2 (табл. 1).

 

Рисунок 1- Микроструктура сплава 1570С в УМЗ состоянии: а - карта ориентировок; б – ПЭМ. На EBSD-карте малоугловые и высокоугловые границы показаны белыми и черными линиями, соответственно

 

Таблица 1 - Влияние РКУП и холодной прокатки на микроструктуру сплава 1570С

Состояние	dзерен*, мкм	K	dкристал**, нм	ρ, м-2	Θ, °	VБУГ, %
РКУП	0,9	-	600	5×1013	38	93
РКУП ɛ~12 +ХП-80%	1/0,3	3,3	110	6×1014	34	85

*-вдоль и поперек направления прокатки, **-поперек направления прокатки

 

В дальнейшем заготовка была подвергнута прокатке при комнатной температуре до степени деформации 80%, в несколько проходов с обжатием 5-10% за проход.

Исследования на растровом-электронном микроскопе образца после холодной прокатки показали, что зерна приобрели вытянутую форму по сравнению с образцом после РКУП (рис. 2а), Средний поперечный размер зерен составил около 0,3. По данным просвечивающей электронной микроскопии средний размер кристаллитов уменьшился до 110 нм (рис. 2б).

Рисунок 2- Микроструктура сплава 1570С в после холодной прокатки со степенью обжатия 80%: а - карта ориентировок; б – ПЭМ. На карте ориентировок малоугловые и высокоугловые границы показаны белыми и черными линиями, соответственно

 

Плотность дислокаций возросла до значения ~6×10¹⁴ м^-2. Средний угол разориентировки и доля большеугловых границ немного снижаются до 34° и 85%, соответственно (табл.1).

Механические испытания образцов при комнатной температуре (рис.3) показали, что в результате холодной прокатки предел текучести значительно возрастает на 200 МПа, тогда как предел прочности – на 155 МПа. Схожим образом изменяется и микротвердость (табл.2). Холодная прокатка РКУП-образцов снижает пластичность сплава в 8 раз.

Рисунок 3- Кривые растяжения при комнатной температуре образцов из алюминиевого сплава 1570С

 

Таблица 2-Влияние РКУП и холодной прокатки на механические сплава 1570С

Состояние	σ0,2, МПа	σв, МПа	δ,%	HV 0,1
РКУП ɛ~12	355	420	28	128
РКУП ɛ~12 +ХП 80%	555	575	3,5	169

На кривой растяжения в области деформационного упрочнения наблюдается осцилляция по напряжению, что является признаком эффекта Портвена-Ле-Шателье (Рис. 3). Зубчатый вид инженерных кривых связан с влиянием магния, присутствующим в твердом растворе и вызывающим деформационное старение.

Существенное возрастание прочности и снижение пластичности сплава в большей степени связанно с увеличением плотности дислокаций и в меньшей с уменьшением размера зерен. Однако измельчение зерна является необходимым условием для сохранения достаточной пластичности этого материала.

 

Выводы

1.  Холодная прокатка ультрамелкозернистого сплава позволяет дополнительно измельчить микроструктуру, средний размер зерен и кристаллитов (по сравнению с РКУП) уменьшается в три и шесть раз, соответственно. Уменьшение размера зерен позволяет повысить плотность дислокаций в зернах на порядок. При холодной прокатке до 80% в микроструктуре сплава наблюдается формирование полос сдвига.

2.  Тонкие листовые заготовки из сплава 1570С с УМЗ структурой были получены холодной прокаткой со степенью деформации ~80%. Они продемонстрировали высокие показатели статической прочности для термически неупрочняемых алюминиевых сплавов (предел текучести составил ~555 МПа, предел прочности ~575 МПа).

Список литературы

1.  R. Kaibyshev, A. Mogucheva, A. Dubyna. Strategy for Achieving high Strength in Al-Mg-Sc alloys by Intense Plastic Straining. Materials Scince Forum (2012), 706-709, 55.

2.  Achieving high strength in an Al-Mg-Sc alloy produced by equal channel angular pressing followed by cold rolling. E. Avtokratova, O. Sitdikov, A. Mogucheva, R. Kaibyshev. Materials Scince Forum Vol. 710 (2012) 223-228.

3.  O. Sitdikov, T. Sakai, E. Avtokratova, R. Kaibyshev, Y. Kimura, K. Tsuzaki, Mater.Sci.Eng.A444 (2007) 18-30.

 

Работа выполнена на оборудовании ЦКП НИУ «БелГУ» при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, государственный контракт № П654.