ВОЗДЕЙСТВИЕ ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА МАГНИЕВО-АЛЮМИНИЕВОГО КОМПОЗИТА

Часть I
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
УДК 62-419.5:620.172.224:519.876.5
Л. М. Гуревич, В. Н. Арисова, Ю. П. Трыков, И. А. Пономарева, А. Ф. Трудов, Е. В. Мирошникова
ВОЗДЕЙСТВИЕ ДЕФОРМАЦИИ ИЗГИБА И ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА СВОЙСТВА МАГНИЕВО-АЛЮМИНИЕВОГО композита*
Волгоградский государственный технический университет e-mail: mv@vstu.ru
Исследовано влияние деформации изгиба и последующей термической обработки на характер изменения микромеханических свойств и структуру магниево-алюминиевого композиционного материала MA2-1-АД1, полученного сваркой взрывом.
Ключевые слова: магний, алюминий, деформация, термообработка, микротвердость, интерметаллиды, диффузия.
Influence of deformation of a bend and the subsequent heat treatment on character of change micromechanical properties of the magnesium-aluminum composite material MA2-1-AD1welded by explosion is investigated.
Keywords: magnsium, aluminium, deformation, heat
На современном этапе развития материаловедения значительное внимание уделяется вопросам создания, изучения и использования композиционных материалов. Важное место в этой области занимают получаемые сваркой взрывом (СВ) слоистые металлические композиционные материалы (КМ), широко применяемые в различных отраслях промышленности. Система Mg-Al является одной из перспективных в области создания КМ и применяется для изготовления переходников, предназначенных для сварки различных конструкций из разнородных металлов, корпусов, узлов и деталей космической аппаратуры, летательных аппаратов, химической, криогенной и атомной техники и т. д. [1-3].
Для применения в различных конструкциях и изделиях сваренные взрывом листовые заготовки КМ часто подвергают дальнейшим технологическим переделам (прокатке, гибке, штамповке и т. п.) в сочетании с термической обработкой (ТО), а их эксплуатация под нагрузкой сопряжена с возникновением упругих и пластических деформаций. Поэтому необходимо учитывать влияние пластических
* Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания № 2014/16 проект 1183 и гранта РФФИ 13-08-97025.
treatment, microhardness, intermetallic, diffusion.
деформаций на структуру и свойства КМ при расчете
и проектировании деталей и узлов.
Целью данной работы являлось исследование влияния деформации изгиба и последующей ТО на структуру и микромеханические свойства полученного сваркой взрывом КМ MA2-1 - АД1.
Двухслойный КМ МА2-1-АД1 был получен СВ по параллельной схеме на оптимальном режиме, гарантирующем реализацию максимальной прочности соединения. Из полученных заготовок МА2-1-ЛД1 вырезали образцы размерами 60 х 5 х 10 мм с одинаковой толщиной магниевого и алюминиевого слоев (2,5 мм). Одну из боковых поверхностей полировали, а затем наносили сетку реперных линий с интервалом 1 мм. Влияние напряженно-деформированного состояния на характер упрочнения околошовной зоны (ОШЗ) композита исследовали на образцах после изгиба по трехточечной схеме в холодном состоянии с инденторами
010 и 20 мм на гидравлической испытательной машине УММ-10 при максимальной нагрузке 80 кН. Первую серию образцов подвергали изгибу с преимущественной локализацией деформаций растяжения в MA2-1, а вторую - в АД1. Изменение свойств магниево-алюминиевого
композита в зависимости от величины и знака деформации оценивали по перераспределению микротвердости по сечению образцов, которую определяли с помощью прибора ПМТ-3 при нагрузке 0,2 Н по результатам замера трех отпечатков, расположенных на одной линии, параллельной границе соединения. ТО проводили в печи СНОЛ-1.6.2.51/11-И3 при температуре 400 °С и времени выдержки 4 ч. Металлографические исследования микроструктуры производили на микроскопе «Olympus BX-61» при увеличениях от *50 до х500. Распределение химического состава по сечению, перпендикулярному границе соединения, исследовали на растровом двухлучевом электронном микроскопе Versa 3D Dual Beam.
В [4] установлено, что при изгибе с преимущественной локализацией деформаций растяжения в АД1 в зоне касания индентором 020 мм образца при максимальной нагрузке пластическая деформация на линии соединения незначительна, а при использовании индентора 010 мм
деформации возрастают до 16 %. Пластическая деформация вблизи зоны соединения магниевоалюминиевого КМ при изгибе с локализацией деформаций растяжения в МА2-1 составляет 15-16 %. Экспериментальные значения хорошо согласовывались с расчетными, которые определялись с использованием программного комплекса SIMULIA/Abaqus: на удалении 4,5 мм от границы степень деформации увеличивается до
11 % по слою магния, и до 22 % по слою алюминия (рис. 1, а) при изгибе с деформациями растяжения в сторону АД1 индентором 020 мм. При изгибе индентором 010 мм деформация достигает 27 % по слою магния, 9 % по слою алюминия на удалении 4,5 мм от линии соединения (рис. 1, б). При изгибе с деформациями растяжения в МА2-1 инденторами 020 мм и 010 мм максимальная деформация на удалении 4,5 мм от линии соединения увеличивается до 26-28 % по слою алюминия, и до 9-10 % по слою магния (рис. 1, в, г).
Рис. 1. Изменение расчетной пластической деформации при моделировании различных видов нагружения: а, б - с деформациями растяжения в АД1 инденторами 020 и 010 мм; в, г - с деформациями растяжения в МА2-1 инденторами 020
и 10 мм соответственно
Деформация при изгибе приводит к сущест- вого профиля границы соединения по сравне-венным изменениям формы завихрений волно- нию с состоянием после СВ (рис. 2, а, б).
Рис. 2. Микроструктура композиционного материала МА2-1-АД1 в состоянии после: а - сварки взрывом; б - деформации изгиба
Термообработка при температуре 400 °С направлен в сторону алюминия. Выявлено, что
и времени выдержки 4 ч приводит к образова- диффузионная прослойка состоит из двух про-
нию диффузионной зоны, профиль которой по- слоек, различающихся по степени травимо-
вторяет волнообразный контур сварного соеди- сти. Установлено, что микротвердость про-
нения, при этом толщины прослоек растут слойки, образовавшейся после ТО, составляет
с увеличением времени выдержки (рис. 3). 0,9—1,0 ГПа вне зависимости от направления
Формирование диффузионных прослоек при и величины изгиба. Толщина темной составля-
данной температуре начинается одновременно ющей прослойки достигает 30 мкм, а светлой -
по всей длине границы соединения, и их рост 100 мкм.
ил


-
3
*

4 / 5
7
к л —1 Г" ‘ 1


4* -I * -I -1 * 1 н * I
Деформ шин, %
я
3
V
с
,
V
я

г
а.
*
я
0,15
од
**
/ с
г541^ < н —Н / '« / 7
п Г а -44
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28
Деформации, %
Рис. 4. Зависимость микротвердости после ТО от деформации при изгибе на различном удалении от линии соединения: а, б - магний в сжатом состоянии, алюминий в растянутом, инденторы и 020 и 10 мм соответственно; в - алюминий в сжатом состоянии, магний в растянутом, индентор 020 мм; 1 - линия соединения; 2, 3, 4 - 0,5 мм, 1,0 мм, 1,5 мм от линии соединения в магнии; 5, 6,
7 - 0,5 мм, 1,0 мм, 1,5 мм от линии соединения в алюминии
На рис. 4 представлены распределения микротвердости после изгиба и последующей ТО при температуре 400 °С с выдержкой 4 ч. Анализ распределения микротвердости показал, что вблизи границы соединения магния и прослойки при изгибе с деформациями растяжения
в АД1 индентором 020 мм микротвердость составляет 0,23 ГПа. На удалении 1,5 мм от зоны соединения в МА2-1 микротвердость составляет 0,34 ГПа, в АД1 - 0,22 ГПа. При степенях деформации е = 2 % в магниевом слое формируются участки разупрочнения до 0,30 ГПа,
а в алюминиевом - до 0,19 ГПа. При изгибе образца индентором 010 мм микротвердость вблизи границы МА2-1 - диффузионная прослойка не изменилась. На удалении 1,5 мм от зоны соединения МА2-1 - прослойка микротвердость по магниевому слою снизилась до 0,2 ГПа, по алюминиевому - увеличилась до 0,3 ГПа по сравнению с деформацией индентором 020 мм. При изгибе с деформациями растяжения в сторону МА2-1 индентором 010 мм микротвердость на границе соединения МА2-1 - прослойка составила 0,4 ГПа, на расстоянии 1,5 мм от зоны соединения по слою АД1 - 0,15 ГПа, по МА2-1 - 0,35 ГПа.
Таким образом, анализ распределения микротвердости алюминия АД1 и магниевого сплава МА2-1 показал, что на различном расстоянии от зоны соединения наблюдаются участки локального разупрочнения при малых степенях деформации е = 20 %. Изменение микромеха-
нических свойств происходит за счет образования диффузионных зон.
Изменение содержания элементов в сформировавшейся в процессе термической обработки при 400 °С диффузионной прослойке в сечении, перпендикулярном границе соединения, представлено на рис. 5. К слоям основных металлов композита (АД1 и МА2-1) примыкают зоны ограниченных твердых растворов Al(Mg) - участок I и Mg(Al) участок IV. Между ними формируется многослойная структура, включающая дальтонид P-Mg2A13 с 60 ат.% А1 (участок II) и бертолид y-Mgl2All7 с содержанием А1 от 52 до 58 ат.% (участок III) [5]. Значительные колебания химического состава вблизи границы с твердым раствором Mg(A1) (участок IV) объясняются сохранением не полностью гомогенизированного оплава. Анализ микроструктуры показал, что диффузия направлена в сторону слоя алюминия.
Рис. 5. Распределение элементов по толщине композита МА2-1-АД1
Выводы
1. Экспериментально и методами математического моделирования изучено распределение деформации при различных условиях изгиба магниево-алюминиевого композита.
2. Получены зависимости распределения микротвердости после отжига при 400 °С в течение 4 ч от деформации изгиба. При малых степенях деформации (е = 2 %) в магниевоалюминиевом композите наблюдаются участки разупрочнения неустановленной природы.
3. В процессе отжига на границе соединения формируется многослойная диффузионная структура, которая включает твердые растворы A1(Mg) и Mg(A1) и интерметаллиды (дальтонид P-Mg2A13 и бертолид y-Mgl2A1l7). Анализ микроструктуры показал, что диффузия направлена в сторону алюминия.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трыков, Ю. П. Композиционные переходники : монография / Ю. П. Трыков, Л. М. Гуревич, Д. В. Проничев. -ВолгГТУ. - Волгоград : РПК «Политехник», 2007. - 328 с.
2. Трыков, Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов : монография / Ю. П. Трыков, В. Г. Шмор-гун, Л. М. Гуревич. - М. : Металлургиздат, 2004. - 230 с.
3. Трыков, Ю. П. Деформация слоистых композитов : монография / Ю. П. Трыков, В. Г. Шморгун, Л. М. Гуревич. - ВолгГТУ. - Волгоград, 2001. - 242 с.
4. Гуревич, Л. М. Влияние деформации изгиба на мик-ромеханические свойства композита системы магний-алюминий, полученного сваркой взрывом / Л. М. Гуревич, В. Н. Арисова, Ю. П. Трыков, А. Ф. Трудов, И. А. Пономарева, Е. В. Мирошникова // Известия ВолгГТУ : межвуз. сб. науч. ст. № 8 / ВолгГТУ. - Волгоград, 2013 -(Серия «Проблемы материаловедения, прочности и сварки в машиностроении»). - С. 35-40.
5. Диаграммы состояния двойных металлических систем : справочник: В 3 т. Т. 1 / под общ. ред. Н. П. Лякише-ва. - М. : Машиностроение, 1996. - 992 с.