CC BY
33
УДК 669.715:621.771.23
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВЕЛИЧИНЫ ЗЕРНА В ХОЛОДНОКАТАНЫХ ЛИСТАХ ИЗ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
В.В. Телешов, докт. техн. наук (ОАО ВИЛС, e-mail:[email protected])
Сопоставлены директивные указания по определению величины зерна в холоднокатаных листах из алюминиевых сплавов. На основе анализа директивных указаний и практики определения величины зерна показана целесообразность определения среднего условного размера зерна (средняя хорда) отдельно для долевого, поперечного направлений и по толщине листа согласно ГОСТ 21073.3.
Ключевые слова: алюминиевые сплавы, холоднокатаные листы, определение величины зерна.
On Determination of Grain Size in Cold-Rolled Aluminium Alloy Sheets. V.V. Teles ho v.
Directives concerning determination of grain size in cold-rolled aluminium alloy sheets are compared. Based on the analysis of the directives and practice of grain size determination, it is recommended to determine mean conventional grain size (mean chord) in the sheets separately for longitudinal, transverse and short-transverse orientations in accordance with GOST 21073.3 Standard.
Key words: aluminium alloys, cold-rolled sheets, grain size determination.
Листы из алюминиевых сплавов широко применяют в авиационной промышленности в качестве обшивочного материала, подвергаемого пластическому деформированию при формовании оболочек с криволинейной поверхностью [1]. Наличие у листов крупнозернистой структуры затрудняет изготовление деталей обтяжкой или штамповкой и приводит после существенного деформирования к появлению шероховатости на их поверхности, предельным случаем которой является появление «апельсиновой корки», ухудшающей декоративные характеристики изделия [2-7]. В связи с этим в ОСТ 1 90070-92 на обшивочные листы из алюминиевых сплавов был предусмотрен визуальный контроль величины зерна как в плакирующем слое, так и в основном металле, с недопустимостью наличия зерна, видимого невооруженным глазом [8]. Это требование, согласно разрешающей способности человеческого глаза, фактически ограничивает величину зерна линейным размером около 200 мкм [6].
С 2006 г. изменением № 5 к ОСТ 1 90070 это положение визуального контроля допол-
нено регламентацией и количественным определением среднего размера зерна, которое проводят в случае предварительного выявления зеренной структуры, видимой невооруженным глазом.
Среди обшивочных холоднокатаных листов, применяемых в авиационной промышленности, наиболее распространены листы из алюминиевых сплавов типа Д16чТ(1163Т) и В95пчТ2, которые в термически обработанном состоянии имеют рекристаллизованную структуру с разной величиной зерна [6, 911]. При этом для листов из сплава Д16чТ характерно получение рекристаллизованной структуры с относительно равноосным зерном, а листы из сплава В95пчТ2 отличаются наличием неравноосного зерна, вытянутого в направлении деформирования [6, 10, 11]. Особенно большая неравноосность, вплоть до получения волокнистой структуры на долевых и поперечных шлифах (в плоскостях ДВ и ПВ), наблюдается у листов из сплава В95пчТ2 с крупным зерном.
Получение волокнистой структуры затрудняет определение величины зерна и вносит
определенную некорректность ее количественного анализа. Целью настоящей работы является рассмотрение и сопоставление директивных указаний по определению величины зерна в листах из алюминиевых сплавов и возможности их применения для листов с крупным «блинообразным» зерном.
Директивное обоснование процесса проведения измерений
Изменение № 5 к ОСТ 1 90070 требует количественного определения среднего размера зерна в плоскости прокатки (плоскость ДП) и в продольном направлении для продольного сечения листа (плоскость ДВ), которое для листов толщиной до 3 мм из сплава В95пчТ2 должно быть менее 150 мкм в основе листов и менее 100 мкм в плакирующем слое. Указывается, что фактический средний размер зерна определяется на шлифах в соответствии с методом подсчета пересечений зерен по ГОСТ 21073.3 «Определение величины зерна методом подсчета пересечений зерен» [12] и Методическим материалам ФГУП ВИАМ ММ 1.2.061-2005 «Контроль величины зерна в листах из алюминиевых сплавов».
В [12] для оценки величины практически равноосных зерен предложен ряд параметров, которые, как графически показано в работе [13], однозначно связаны между собой. Одним из параметров, который применяют для количественной характеристики размеров равноосных или неравноосных зерен, является рассматриваемый в ГОСТ 21073.3 средний условный размер зерна -, определяемый методом секущих по формуле
(1)
где - - длина секущей;
N - число пересечений с границами зерен, с использованием секущих линий в виде двух непараллельных прямых или окружности. При этом расположение плоскости шлифа устанавливается соответствующими стандартами на металлопродукцию. Фактически материалы и конкретные структуры, рассмотренные в [12], относятся к равноосному зерну, средний условный размер которого - практически не зависит от ориентации секущих. Для неравно-
осных зерен в изменении № 1 к ГОСТ 21073.3, выпущенному в 1983 г., уточняется методология проведения измерений. Указывается, что определение величины неравноосных зерен проводят на шлифах, изготовленных вдоль и поперек главной оси симметрии изделия, на секущих в виде прямых, проводимых параллельно осям симметрии. При этом не обращают внимание на то, что вдоль главной оси симметрии изделия можно провести две плоскости разной ориентации, например, для листов это продольная по ширине (плоскость прокатки ДП) и продольная по толщине (плоскость ДВ). На этих плоскостях методом секущих можно определить средний условный размер зерна в долевом и поперечном направлениях (на плоскости ДП) или в долевом направлении и по толщине (на плоскости ДВ). Очевидно, что размер зерна в долевом направлении не должен зависеть от ориентации используемого шлифа. На плоскости шлифа, изготовленном поперек главной оси симметрии изделия (на плоскости ПВ), можно определить средний условный размер зерна в поперечном направлении и по толщине изделия.
Таким образом, согласно ГОСТ 21073.3, следует определять средний условный размер зерна в направлении трех осей симметрии для последующего сравнения величины зерна разных полуфабрикатов. Некоторые аспекты применения ГОСТ 21073-75 рассмотрены в работе [14]. Указывается, что средний условный размер зерна - по ГОСТ 21073.3 является средней хордой, т. е. средним отрезком случайной прямой внутри зерна, достоинством которой считается ее прямое измерение методом секущих.
Этот принцип определения среднего условного размера зерна как средней хорды используется в методических материалах ФГУП ВИАМ, являющихся, как в них указано, руководством для контроля величины зерна в листах, поставляемых по ОСТ 1 90070 и по другой технической документации. После визуального контроля и выявления зеренной структуры, видимой невооруженным глазом, на шлифах определяют фактический средний размер зерна. Здесь среднюю величину зерна рекомендовано определять в двух плоскостях - в плоскости прокатки ДП и на продоль-
ных шлифах в плоскости ДВ, т. е. в плоскости, где можно оценить длину и толщину неравноосных зерен. Указывается, что предпочтительно определение размера зерна в плоскости ДВ, причем рекомендовано определять размер зерна не только в долевом направлении и по толщине, но и на секущих, проводимых под углом 45° к направлению прокатки. Для получения средней величины зерна используется формула (1). Из текста методических материалов неясно, следует ли давать отдельно оценку величины зерна в каждом направлении секущих, или определять их среднее значение для всех направлений и получать какую-то условную величину зерна.
Таким образом, директивные документы в случае полуфабрикатов с различной величиной зерна рекомендуют следующую методику определения его размера. По ОСТ 1 90070 измерения следует проводить в плоскости прокатки и в плоскости ДВ в соответствии с ГОСТ 21073.3 методом подсчета пересечений зерен на секущих в виде прямых, проведенных параллельно осям симметрии, с определением среднего условного размера зерна в каждом направлении, т. е. характеристикой зерна являются его средние размеры (средняя хорда) в трех направлениях. Однако, согласно изменению № 5 к ОСТ 1 90070, регламентирована только величина зерна в долевом направлении. Методические материалы ФГУП ВИАМ вносят еще одно направление измерений (под углом 45° к направлению прокатки), отсутствующее в основных директивных документах [8, 12].
Таким образом, директивные документы указывают на определение размера зерна в различных направлениях относительно главной оси симметрии, хотя регламентируют только средний размер зерна в долевом направлении, который для большинства полуфабрикатов имеет максимальную величину.
Из практики определения
величины зерна в различных работах
Наличие нескольких директивных документов и отсутствие в них полной согласованности в подходе к определению среднего размера зерна приводит к недостаточно исчерпывающему изложению методики определения вели-
чины зерна в различных публикациях, что затрудняет сопоставление искомых характеристик с нормативными требованиями.
В [9, 10] при изучении холоднокатаных листов из сплавов типа В95 показано, что они имеют полностью рекристаллизованную структуру с близким к равноосному зерном размером около 15 мкм. В данном случае не уточняется, измеряли величину каждого зерна отдельно с дальнейшим расчетом среднего значения или средний размер получали методом секущих. Аналогичная рекристаллизо-ванная структура со средней толщиной зерна (средняя хорда) около 25 мкм, полученной методом секущих, отмечена в холоднокатаных листах толщиной 2,5 мм из сплавов типа В95пч в работе [11]. При этом в продольном направлении размер зерна в несколько раз больше.
В работе [15] в исследовании структуры плакированных листов толщиной 2 мм из сплава В95пчАМВТ2 в основе листа за пределами плакировки приводятся значения среднего условного размера зерна и среднего размера зерна в долевом направлении, которые существенно отличаются друг от друга. Получены соответственно значения около 80 и 320 мкм без описания процедуры определения среднего условного размера зерна. Средний размер зерна в долевом направлении в этом случае существенно превышает установленную в ОСТ 1 90070 (изменение № 5) величину в 150 мкм. Из соотношения получаемых величин можно предположить, что средний условный размер зерна в работе [15] не учитывает размер зерна в долевом направлении и не соответствует искомой характеристике по ОСТ 1 90070 (изменение № 5). Отсутствие точного определения среднего условного размера зерна не позволяет в этом случае говорить о возможности его использования для установления соответствия структуры исследованных листов требованиям ОСТ 1 90070.
Существует также металлографическая особенность структуры листов из сплава В95пчТ2 с крупным зерном, затрудняющая получение объективной характеристики их размеров в случае использования линейного анализа по ГОСТ 21073.3.
На рисунке показана крупнозернистая структура листов из этого сплава. Крупные зерна имеют на всех трех ортогональных плоскостях шлифов неправильную криволинейную форму граничной межзеренной поверхности с образованием отдельных выступов, которыми соседние зерна проникают друг в друга. При этом длина отдельных зерен существенно выше 500 мкм. Использование в этом случае линейного способа определения величины зерна при продольной или
соответствия листов с крупным неравноосным зерном требованиям этого ОСТа. Использование для этой цели средней хорды неравноосного зерна в долевом направлении является относительно объективным параметром только в случае мелкого зерна. Чем выше неравноосность зерна в полуфабрикате, тем неопределеннее характеристика величины зерна, получаемая линейным металлографическим анализом для долевого и поперечного направлений секущих.
Микроструктура основы листа из сплава В95пчТ2 в продольной (а) и поперечной (б) плоскостях по толщине, х200. Микроструктура получена в поляризованном свете после анодного оксидирования электрополированного шлифа
поперечной ориентации секущих на любой плоскости шлифа будет приводить к получению существенно заниженной средней величины зерна из-за попадания на секущую отдельных мелких фрагментов крупных зерен, которые будут приниматься за отдельные зерна. В этом случае получение относительно небольшой величины зерна (менее 150 или 200 мкм) не будет характеризовать структуру как допустимую мелкозернистую, поскольку она на самом деле будет состоять из значительно более крупных зерен, видимых в плоскости прокатки невооруженным глазом.
Таким образом, приведенные в изменении № 5 к ОСТ 1 90070 рекомендации в части определения среднего размера зерна не позволяют их использовать в случае оценки
Заключение
Изложенное в изменении № 5 к ОСТ 1 90070 требование получения в плакировке обшивочных листов среднего размера зерна менее 100 мкм находится за пределами чувствительности визуального контроля и требует во всех случаях проведения микроструктурных исследований с определением размера зерна линейным методом на поверхности плакировки. Одновременно визуальный контроль шлифов в плоскости ДП позволяет сделать качественный вывод о наличии крупнозернистой структуры в основном металле. Количественные измерения следует проводить только при наличии сомнения в получении в контролируемом месте листа величины зерна, соответствующего требуемому среднему условному раз-
меру зерна в долевом направлении. Измерять величину среднего размера зерна в случае, когда размер отдельных зерен более 500 мкм, вообще нецелесообразно в связи с получением необъективных критериев.
Применительно к обшивочным листам из алюминиевых сплавов это приводит к следующему порядку операций в процедуре оценки величины зерна и ее соответствия требованиям ОСТ 1 90070.
1. Изготовление шлифов в плоскости прокатки в плакирующем слое и в основном металле, а также шлифа в плоскости ДВ.
2. Травление шлифов для выявления зе-ренной структуры.
3. Определение среднего условного размера зерна (средняя хорда) в плакировке при долевой и поперечной ориентации секущих.
4. Визуальная оценка величины зерна в основном металле на плоскости прокатки. При размере отдельных зерен более 500 мкм количественное определение размера зерна не проводится и лист бракуется.
5. При визуальном выявлении зерна в основном металле в плоскости прокатки на границе чувствительности глаза или невозможности визуального определения размера зерна, размер зерна определяется согласно п. 3.
6. При необходимости предоставления характеристики размера зерна в основном металле следует указывать средний условный размер зерна отдельно в долевом, поперечном направлениях и по толщине (средняя хорда), измеренный согласно требованиям ГОСТ 21073.3 на плоскостях ДП и ДВ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алюминиевые сплавы. Применение алюминиевых сплавов. Справ.//Альтман М.Б., Андреев Г.Н., Арбузов Ю.П. и др. 2-е изд. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.
2. Фридляндер И.Н. Алюминиевые деформируемые конструкционные сплавы. - М.: Металлургия, 1979. - 208 с.
3. Алюминий. Свойства и физическое металловедение. Справ./Пер. с англ. - М.: Металлургия, 1989. - 422 с.
4. Мацнев В.Н., Комарова Л.Г., Ланцова Л.П. Предотвращение крупнокристаллической структуры при изготовлении обшивок двойной кривизны//Технология легких сплавов. 1999. № 6. С. 7-13.
5. Сенаторова О.Г., Сухих А.Ю., Сидельни-ков В.В. и др. Развитие и перспективы применения высокопрочных алюминиевых сплавов для катаных полуфабрикатов//Технология легких сплавов. 2002. № 4. С. 28-33.
6. Фридляндер И.Н., Берстенев В.В., Ткачен-ко Е.А. и др. Влияние термической обработки и деформации на величину зерна и механические свойства сплавов типа дуралюмин//Металло-вед. и терм. обраб. металлов. 2003. № 7. С. 3-7.
7. Мацнев В.Н. Исследование структуры и свойств сплава 1163 и организация производства листовых деталей из этого материала// Авиационная промышленность. 2008. № 4. С. 7-13.
8. ОСТ 1 90070-92. Листы обшивочные из алю-
миниевых сплавов.Технические условия.
9. Сенаторова О.Г., Жегина И.П., Рязанова Н.А.
Структура и характер разрушения листов из сплава В95 в зависимости от содержания примесей и режимов старения//Металловед. и терм. обраб. металлов. 1982. № 3. С. 30-33.
10. Сенаторова О.Г., Рязанова Н.А., Копнов В.И. и др. Зеренная структура и свойства листов из сплава В95//В кн.: Металловедение легких сплавов. - М.: ВИЛС, 1985. С. 93-98.
11. Телешов В.В., Штовба Ю.К., Нешпор Г.С. и др. Влияние химического состава на много- и малоцикловую усталость при отнулевом растяжении листов из сплавов Д16 и В95//Изв. АН СССР. Металлы. 1983. № 2. С. 171-175.
12. ГОСТ 21073.0-75 - ГОСТ 21073.4-75 Металлы цветные. Определение величины зерна.
13. Телешов В.В., Сетюков О.А., Ходаков С.П. и др. Влияние величины зерна на сопротивление срезу и расклепываемость проволоки из сплава В65//Технология легких сплавов. 2008. № 2. С. 21-31.
14. Штремель М.А., Карабасова Л.В. О выборе характеристик зеренного строения//Заводс-кая лаборатория. 1984. № 8. С. 37-41.
15. Арышенский В. Ю., Гречникова А. Ф., Дриц А.М. и др. Выбор технологических параметров для снижения размера зерна в основе и плакировке обшивочных листов из алюминиевых сплавов//Технология легких сплавов. 2010. № 3. С. 22-30.
