CC BY
38
УДК 669.721.5
СООТНОШЕНИЕ ПРЕДЕЛОВ ТЕКУЧЕСТИ ПРИ СЖАТИИ И РАСТЯЖЕНИИ У ШТАМПОВАННЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ДВУХФАЗНЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Мд-Ы-А1
В.М. Елгин, А.А. Звонков, Ю.Д. Корягин,
Д.А. Мирзаев, Х.М. Ибрагимов, К.Ю. Окишев
Как правило [1,2], двухфазные сплавы системы М£>-1л-А1 имеют содержание лития между 5 и 11%. Двухфазными (а+Р) их называют, основываясь на фазовом составе после кристаллизации. В ходе охлаждения из каждой фазы может выделиться небольшое количество интерметаллидных фаз типа (А1, Zn)Li, М§1л2А1 или М^17А112. Поэтому термообработанные сплавы могут в действительности состоять из 4...5 фаз.
Важной механической характеристикой сплавов, необходимой для расчетов на прочность, является предел текучести. Конструкторы обычно считают, что пределы текучести на сжатие и растяжение равны. Но это допущение не вполне точно. Рассмотрим данные [1, 2] о пределах текучести подобных сплавов, представленные в табл. 1.
Обращает на себя внимание то, что отношение ст_0 2/ст0 2 Д1151 двухфазных сплавов оказывается того же типа, что и для Р-фазы. Среди про-
мышленных сплавов на двухфазной основе широкое распространение получили сплавы МА21 (7...10% 1л; 4...6% АЛ; 3...5 % Сс1; 0,8...2 %
0,15...0,5 %Мп) и МА21-1 (7...9 % 1л; 4...6 % А1; 2...4 % Бп; 0,8...2 % Ъп\ 0,15...0,5 % Мп).
Сплав МА21-1, по существу, эквивалентен сплаву МА21. Оба сплава легко поддаются обработке давлением при температурах 240...300 °С. По своим прочностным характеристикам они несколько уступают магниево-литиевым сплавам на основе а-фазы, но существенно превосходят богатые литием сплавы на основе Р-фазы. В табл. 2 приведены пределы текучести этих сплавов после различных обработок.
В лабораториях материаловедения КБМ и ЮУрГУ было проведено систематическое исследование механических свойств прессованных деталей из сплава МА21 в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Не приводя конкретных данных для пределов текучести, укажем только отно-
Таблица 1
Пределы текучести на сжатие и растяжение двухфазных (а+Р) сплавов на Мд-У основе
Состав сплавов Сто,2, МПа сг_0|2, МПа а-0,2/ст0,2
Термически обработанные сплавы
7Ьі-ЗА1 308 315 1,022
9ІЛ-2А1 203 224 1,103
9ІЛ-6А1 231 245 1,060
7Ьі-2А1-Згп 189 224 1,185
9Ьі-2А1-7гп 392 413 1,060
91л-6А1-72л 357 364 1,020
Термообработка + холодная прокатка + старение 108 °С, 48 ч
7Ьі-2А1-7гп 252 273 1,080
71л-4А1-72п 294 301 1,024
7Ьі-6А1 259 301 1,160
9Ьі-6А1-32п 203 224 1,103
9Ьі-8А1-12гп 238 287 1,206
Таблица 2
Пределы текучести сплавов МА21 и МА21-1
Состояние сплава МА21-1 МА21
ст0,2, МПа ст_о,2, МПа а-0,2/° 0,2 Сто,2, МПа ст_02) МПа ст-0,2/ст0,2
Г орячепрессованные прутки 180...220 240...280 1,33...1,27 170...210 220...260 1,23...1,24
Прутки, отожженные при 175 °С, 6 ч 160...200 190...230 1,19...1,15 160...200 180...220 1,13...1,10
Горячекатаные листы вдоль НП 170...210 200...240 1,18...1,14 170...210 200...240 1,18...1,14
Елгин В.М., Звонков А.А., Корягин Ю.Д., Мирзаев Д.А., Ибрагимов Х.М., Окишев К.Ю.
Соотношение пределов текучести при сжатии _____и растяжении у штампованных изделий...
шения ст_о 2 /о"о 2 Для трех взаимно перпендикулярных направлениях для большой серии образцов:
Ось I 1,34; 1,25; 1,33; 1,25; 1,33; 1,286; 1,179; 1,22; 1,36; 1,353; 1,271; 1,356
Ось II 1,25; 1,34; 1,20; 1,34; 1,21; 1,216; 1,349; 1,361; 1,408; 1,294; 1,267; 1,31
Ось III 1,27; 1,19; 1,31; 1,19; 1,247; 1,244; 1,337; 1,20; 1,459; 1,349; 1,367; 1,28
Средние значения отношения а_0 2//сг0 2 = 1,29;
1,30; 1,28 ± 0,02 соответственно вдоль каждой оси. По существу оказалось, что в среднем ~ 1,29
и не зависит от направления вырезки образцов. А это означает, что кристаллографическая текстура, которая существенно влияла на отношение пределов текучести сг_02/ст0 2 <1 для а-сплавов с
ГПУ решеткой, не оказывает такого воздействия в случае двухфазных сплавов. Более того, сама текстура а-фазы после прессования проявляется слабо. Хотя систематических дифракционных исследований текстуры мы не проводили, но оценочный эксперимент был выполнен. Головка разрывного образца была помещена плоской гранью в держатель образца дифрактомера ДРОН-О.5, а затем счетчик и образец были установлены в отражающее положение для рефлекса 004 (20 = 96°). Затем счетчик и образец разъединили и пронаблюдали за изменением интенсивности по мере поворота образца. Изменение было относительно слабым и обусловлено, главным образом, эффектом дефокусировки. Текстура а-фазы почти отсутствовала, вероятно, потому, что деформация в процессе прессования при 280 °С происходила главным образом в Р-фазе. Сплав М§-5 % 1л (а-сплав) имеет при комнатной температуре предел текучести около 140 МПа, Р-сплав М§-14 % У - около 80 МПа, то есть в 1,7 раза ниже. Но при температуре испытания 200 °С для первого а-сплава оь>2~25 МПа, а для второго р-сплава менее 5 МПа [2]. С повышением температуры р-фаза разупрочняется существенно сильнее, что обусловлено более низкими температурами плавления и меньшей энергией активации диффузии вакансий. Особенности микроструктуры исследуемого сплава МА21 также дают основания заключить, что пластическая деформация при прессовании проходила в основном в Р-фазе. Ее кристаллы вытянуты, сплющены, часто окаймляют тонкой прослойкой зерна а-фазы. Напротив, а-кристаллы приблизительно равноосны, они почти сохранили ту же форму, которая наблюдалась в литом состоянии. Деформация Р-фазы проходит неоднородно. Наряду с прослойками между а-зернами, утонеными до предела, имеются протяженные довольно широкие участки Р-фазы, как бы зажатые между а-зернами.
Мы можем указать несколько процессов, при-
водящих к росту отношения <7_0 2 /О’о 2 в двухфазных сплавах. Один, уже отмеченный, эффект подавления текстуры в ГПУ фазе, второй - выделение частиц интерметаллидных фаз в ходе штамповки. И, наконец, третий - это неодинаковый механизм начала деформации при сжатии и растяжении. В условиях сжатия нагрузку воспринимает жесткий каркас из зерен а-фазы, контактирующих непосредственно между собой или через упрочненные тонкие прослойки р-фазы. При растяжении деформируются, в первую очередь, мягкие округлые участки Р-фазы. Заметим, что отношение а_02/сг0 2 должно зависеть от объемной доли
р-фазы, а значит от содержания лития в сплаве. Колебания концентрации лития в пределах марочного состава будут приводить к изменению отношения СТ_о 2 / ст0 2 •
Рассмотрим количественные оценки. М.А. Штре-мель [3] показал, что если различие пределов текучести двух фаз порядка два или меньше, то некоторые зерна прочной фазы текут раньше, чем невыгодно ориентированные зерна мягкой. Тогда предел текучести линейно меняется в зависимости от объемных долей двух фаз в сплаве:
ст0,2 = ст0,2 ■ Уа + ст0,2 '/р ! О)
а-0,2 = ст-0,2 ' /а + ст-0,2 ‘ /р ’ (2)
где <То 2; ст“0 2; а^2; а^0 2 - пределы текучести
при растяжении и сжатии а- и р-фаз в сплаве. Таким образом
СТ-0,2 _ СТ-0,2 '/а + СТ-0,2 '/р СТ0,2 а0,2 ‘ /а + ст0,2 ‘ /р
Уже отмечено, что для исследуемого сплава МА21 соотношение между объемными долями фаз было измерено методами металлографической стереометрии, точнее, методами секущих. Как известно [4], отношение длин отрезков прямой, пересекающих участки разных фаз, равно отношению объемных долей. Было найдено /а = 0,666; /р = 0,333.
Далее будем считать, что в силу отсутствия текстуры в ГПУ а-фазе пределы текучести на растяжение и сжатие для этой фазы равны
а0,2 = ст-0,2 ■ (4)
У р-фазы предел текучести при сжатии выше, чем при растяжении, то есть
СТ-0,2 = т ‘ СТ0,2 > (5)
где т - коэффициент, постоянный для данного сплава, но несколько изменяющийся при переходе от одного сплава к другому в зависимости от количества Р-фазы. И, наконец, примем, что
^0,2 =Р-а 0,2 >(6)
где р - коэффициент, показывающий соотношение пределов текучести а- и Р-фаз; р> 1, так как а-фаза
Серия «Металлургия», выпуск 10
35
Связь параметра т и отношения ст.0,2/00,2
т 1 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6 1,7 1,8 1,9 2
ст-о,г/ао,2 1 1,04 1,075 1,112 1,15 1,19 1,225 1,262 1,3 1,337 1,375
более прочная. Проведенные нами исследования по перераспределению элементов между фазами, а также данные работ М.Е. Дрида с сотрудниками [1,2,5] позволили заключить, что состав Р-фазы близок к составу сплава МА18, тогда как а-фаза имеет состав, близкий к сплаву М§-5%1л-5%А1-4%Сс1. После горячего прессования и стабилизирующего отжига при 100 °С в течение 100 часов первый сплав имеет
предел текучести ст0 2 =137 МПа, а второй сплав
<70 2 = 163 МПа. Следовательно, р = 1,19. Рассчитаем предел текучести сплава МА21:
ст02 =137-0,333 + 163 0,666 = 154 МПа.
Именно такой предел текучести действительно наблюдается у исследуемого сплава в исходном состоянии. Преобразуем выражение (3) к общему
виду, разделив числитель и знаменатель на о$\2 '• Р-0,2 _и+тР-1\ъ . 2 + тр Щ,2 А+Р-^ 2 + Р
При^= 1,2
= 2 + 1,2 гп = 0 625 + 0 Ъ15.т (8)
*^о,2 3,2
Зависимость отношения а_0 2/а0 2 двухфазных сплавов от параметра т показана в табл. 3, которая позволяет на основе установленного в эксперименте отношения пределов текучести на сжатие и растяжение определить величину т, рав-
ную отношению пределов текучести на сжатие и растяжение, но только для Р-фазы. Для сплава МА21 величина т = 1,8, что позволяет надежно рассчитывать отношение ст_02/о02 на основе
формул (3), (6), (7).
Итак, показано, что анизотропия предела текучести в двухфазных А1-М§-1л сплавах имеет другую природу, чем у однофазных образцов. Она обусловлена различием прочности индивидуальных фаз и формированием структуры, в которой кристаллы одной фазы окружают зерна другой, а также подавлением текстуры ГПУ фазы.
Работа поддержана грантом НШ-5965.2006.3.
Литература
1. Сверхлегкие конструкционные ставы / М.Е. Дриц, З.А. Свидерская, Ф.М. Елкин, В.Ф. Тро-хова. - М.: Наука, 1972. -144 с.
2. Магниево-литиевые ставы / под ред. М.Е. Дрща. - М.: Металлургия, 1980. - 140 с.
3. Штремель, М.А. Прочность сплавов. Ч. II: Деформация/М.А. Штремель-М.: МИСиС, 1997. -527 с.
4. Салтыков, С.А. Стереометрическая металлография / С.А. Салтыков. - М.: Металлургия, 1976.-271 с.
5. Легкие ставы, содержащие литий / М.Е. Дриц, Е.М. Падежнова, Н.Л. Рохлин и др. - М.: Наука, 1982. -144 с.
