close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

bd000100093

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ПОПОВА ЕЛЕНА ВИКТОРОВНА
СТРУКТУРА И СВОЙСТВА
АМОРФНЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ,
ЛЕГИРОВАННЫХ НИКЕЛЕМ, ЖЕЛЕЗОМ И ЛАНТАНОМ
Специальность 05.16.01 -Металловедение
и т^>мическая обработка мепгаллов
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва-2005
Работа выполнена в Институте металлургии и материаловедения
им. А.А. Байкова Российской академии н^к.
Научный руководитель:
академик РАН, доктор технических наук,
профессор Ковнеристый Юлий Константинович
Официальные оппоненты:
доктор физико-математических наук,
профессор Шамрай Владимир Федорович
кандидат технических наук,
Петржик Михаил Иванович
Ведущая организация:
Московский государственный технический
университет им. Н.Э. Б^^ана
Защита состоится « 7 » декабря 2005 г в 14-00 часов на заседании
диссертационного совета Д 002.060.01 Института металлургии и
материаловедения им. А.А. Байкова РАН по адресу: 119991, Г С П - 1 ,
Москва, Ленинский проспект, 49.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института
металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН.
Автореферат разослан («лЬу,
^/jTi^/U-^
Ученый секретарь
Диссертационного совета
доктор технических наук, профессор
2005 г.
^^""^—-»—и—•
Блинов В.М.
JtjOOQ^r
TJm
imb^Qu
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность проблемы. Аморфные металлические сплавы играют
важную роль среди новых материалов, создаваемых на базе современных
фундаментальных исследований.
В лаборатории "Физикохимия аморфш.1х и микрокристаллических сплавов"
ИМЕТ им. А.А. Байкова РАН ведутся систематические исследования, целью
которых является разработка обобщенной теории синтеза металлических
материалов, объединяющей иерархию структур с их макро-, микро- и
наномеханическими свойствами, магнитными, электрическими и другими
характеристиками. А с практической точки зрения в связи с развитием
энергетики, космической, авиационной и других областей техники возрастает
потребность в новых высокопрочных, особенно легких сплавах. К такому классу
материалов относятся исследуемые в данной работе сплавы на алюминиевой
основе. В настоящее время исследуются принципиально новые способы
получения уникальных свойств таких материалов, включая закалку из жидкого
состояния, с целью получения аморфной, нанокристаллической и аморфнонанокристаллической структуры.
Актуальность исследования новых аморфных сплавов на основе алюминия
связана прежде всего с их особыми свойствами, в частности, с высокой удельной
прочностью. Работами зарубежных и российских исследователей, прежде всего
в И М Е Т РАН, показано, что формированию и стабилизации аморфного
состояния способствует легирование таких сплавов переходными и
редкоземельными металлами. Важным этапом создания подобных сплавов
является изучение их структуры и свойств.
Кроме того, с целью обеспечения высокой прочности, пластичности и
вязкости разрушения совершенствуются традиционные и разрабатываются
новые способы обработки сплавов па основе алюминия в твердом состоянии.
Так, наряду с термической обработкой может быть использована интенсивная
пластическая деформация (например, метод сдвига под давлением), которая
способствует созданию определенных структурных состояний, обеспе­
чивающих необходимый уровень эксплуатационных характеристик новых
материалов.
Цель и задачи работы. Изучение структуры и свойств аморфных сплавов
на основе алюминия, легированных переходными металлами и редкоземель­
ными элементами, перспективных для применения в качестве высокопрочных
материалов.
в связи с этим в работе были поставлены следующие задачи:
— изучить структуру и свойства алюминиевых аморфных сплавов после
закалки расплавов и после последующей термической обработки по
различным режимам с учетом особенностей процессов релаксации и
кристаллизации;
— изучить закономерности эволюции структуры аморфных сплавов при
воздействии больших пластических деформаций;
— исследовать и оценить механические свойства полученных аморфных
алюминиевых сплавов в исходном состоянии, после термической
обработки и в результате воздействия больших пластических деформаций.
Научная новизна. Показано, что струюурная стабильность алюминиевых
сплавов, легированных никелем, железом и лантаном, сохраняется при
температурах отжига ниже 250 °С. Установлено, что потеря устойчивости
аморфного состояния при изотермических отжигах происходит при 250 ° С и
выше в результате развития кристаллизации с образованием нанокристаллического алюминия и интерметаллидньге фаз на основе Al-Ni, Al-Fe, Al-La
различного химического состава: LaAl4, ЬазА111, Ali3Fe4, А1зЫ12, AljNi, LaAlj,
La^M, АЦРсз, AlNi, AlNi3, La2Ni3. Кристаллизация исследованных сплавов
происходит в несколько этапов с одновременным выделением нанокристаллического алюминия и интерметаллидов.
Установлено, что воздействие механических нафузок в условиях сдвига
под давлением с углами закручивания ф от 90° до (360°хЗ)х2 вызывает
частичную кристаллизацию сплава с образованием нанокристаллического
алюминия с размером зерен ~10 им. Последовательность струетурно-фазовых
превращений в аморфных сплавах при нагреве и при воздействии пластической
деформации различна: в первом случае кристаллизация алюминия происходит
одновременно с выделением в сплавах интерметаллидов, во втором случае
наблюдается только выделение алюминия.
Практическая ценность. Изучены структура и свойства ряда сплавов на
основе алюминия, лепфованныхМ (5-9 % ) , Ре (1-7 % ) и La (3-5 % ) , обладающих
высокой структурной стабильностью при отжиге до 250 ° С . Результаты
диссертации используются при чтении курса лекций "Аморфные и
микрокристаллические материалы" в Московском государственном техни­
ческом университете им. Н.Э. Баумана.
На защиту выносятся следующие положения:
— установленная в работе последовательность структурно-фазовых
превращений в процессе кристаллизации аморфных сплавов при отжиге
и сдвиге под давлением;
— зависимость структурной стабильности аморфных сплавов от со­
держания железа;
— способы получения наноструктурного состояния путем термической
обработки и больших пластических деформаций, критические условия
(Г^ = 250 °С, угол закручивания ф > 90°) перехода из аморфного состояния
в аморфно-нанокристаллическое состояние.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены
на Международной н^^но-технической конференции "Теория и технология
процессов пластической деформации - 2004", Москва, Московский институт
стали и сплавов, октябрь, 2004 г.; Конференции молодых сотрудников и
аспирантов Института металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН,
Москва, декабрь, 2004 г.; Научно-технической конференции молодых
специалистов и аспирантов отрасли "Материалы и технологаи для авиационнокосмической техники - 2005", Москва, Всероссийский научно-иссле­
довательский институт авиационных материалов, сентябрь, 2005 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ [1-6].
Описания основных ре^ьтатов, полученных в диссертации, включались в
н^^ные отчеты по проектам Р Ф Ф И 02-03-33274, Р Ф Ф И 05-03-32726,
Объем работы. Диссертация состоит из введения, семигаав,общих выводов,
списка литературы и приложения. Работа изложена на 155 страницах, содержит
65 рисунков, 44 таблицы. Список литературы включает 91 источник.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
В первой главе дан обзор литературных материалов, посвященных
особенностям структуры и свойств аморфных сплавов на основе алюминия,
полученных методом закалки из жидкого состояния. Рассмотрены основные
принципы выбора химического состава алюминиевых сплавов, влияющие на
их способность к аморфизации. Проведен анализ систем сплавов на основе
алюминия: А1 - РЗМ (редкоземельный элемент) - П М (переходный металл).
Рассмотрены явления, происходящие при нагреве аморфных сплавов,
включающие релаксацию структуры, формирование наноструктур и процессы
кристаллизации. Обсуждены механические свойства сплавов в аморфном и в
аморфно-нанокристаллическом состоянии.
На основании обзора литературных данных поставлены задачи настоящего
исследования.
Во второй главе дано обоснование выбора материалов и описаны методы
экспериментальных исследований.
Химические составы сплавов приведены в таблице 1. Влияние легирующих
элементов никеля, железа и лантана изучалось при постоянном содержании
алюминия 85 % во всех сплавах.
Таблица 1
Химический состав сплавов
№
п/п
А1
1
2
3
4
5
б
85
85
85
85
85
85
Содержание элементов, ат.%
Fe
1
М
9
7
5
8
6
9
1
4
7
3
6
2
La
5
4
3
4
3
4
Образцы в виде лент толщиной 0,015-0,025 мм и шириной 0,6-1,0 мм
получали методом закалки из расплава на вакуумной установке конструкции
СКБ ИМЕТ с использованием инертной атмосферы - аргона.
В работе исследовали ленты из сплавов, визуально имеющие блестящую
поверхность, хорошее качество, постоянную толщину и ширину на больших
отрезках длины.
Для оценки термической стабильности аморфного состояния полученные
ленты нагревали до различных температур от 150 до 400 °С с интервалом 50 °С
и выдержкой 15,30,60 и 360 минуг при каждой температуре с последующим
охлаждением на воздухе.
Структуру образцов изучали методами рентгеноструктурного анализа,
металлографии и электронной микроскопии. Рентгеновскую съемку
производили на дифрактометре ДРОН-ЗМ в медном Ка-излучении.
Морфологию и структуру образцов изучали методом металлографии на
микроскопе фирмы Reichert (Австрия). Изучение микроструктуры проводили
методом электронной микроскопии на просвет на микроскопах JEM-200CX и
JEM-1000 (JEOL) с ускоряющим напряжением 160 кВ и500 кВ соответственно.
Процессы кристаллизации при непрерывном нагреве исследовали методом
термического анализа и дифференциальной сканирующей калориметрии на
микрокалориметре UNIPAN DSC, тип 605. Скорость сканирования составляла
5 К/мин.
Плотность сплавов определяли методом гидростатического взвешивания.
Микротвфдость сплавов определяли на приборе ПМТ-3 с нагрузкой 0,098 Н
для лент и 0,981 Н для кристаллических слитков исследуемых сплавов в
неаморфизированном состоянии. Механические свойства при растяжении лент
длиной 100 мм определяли на испытательной машине Instron 1251 при скорости
нагружения, равной 1,67-10"^ с~'.
Поведение сплавов под действием высоких нагрузок исследовали с
использованием нагружения при сдвиге под давлением 8 ГПа при комнатной
температуре по методу Бриджмена. Степень деформации (угол закручивания
ф) изменяли от 45° до (З60''х3)х2.
В третьей главе изложены результаты исследований особенностей
структуры аморфных алюминиевых сплавов после закалки из жидкого
состояния.
Рентгеноструктурным методом установлено, что все исследуемые в работе
сплавы после быстрого охлаждения со скоростью до ~10^ К/с имеют в основном
рентгено-аморфное состояние, для которого характерно наличие на
дифрактограммах двух сильно размытых гало.
Для примера на рис. 1 приведена характерная дифрактофамма (кривая А),
полученная для аморфного сплава Al85Ni9Fe2La4 (№ 6).
На фоне гало обнаружены отдельные дифрак1щонные линии, интен­
сивность которых слабо превышает фоновую, обусловленные образованием
небольшого количества интерметаллидных кристаллических фаз на основе
алюминия. Совпадение межплоскостных расстояний и слабая интенсивность
указанных линий не позволяют однозначно идентифицировать интерметаллиды,
присутствующие в сплавах после закалки. Наличие алюминия в кристаллическом
состоянии рентгеноструктурньпй методом не обнаружено.
Металлографически в структуре лент сплавов после закалки наблюдали
отдельные, редко расположенные частицы различной морфологии: частицы с
правильной кристаллографической огранкой, вытянутые частицы стержне-
15
25
35
45
55
65
75 26"
Рис. 1. Дифрактофаммы сплава Alg5Ni9Fe2La4 (№ 6):
А - исходное состояние; Б - отжиг при 250 ° С , 15 мин;
В - отжиг при 400 °С, 15 мин (1 - ЬаЛЦ; 2 - LajAl,,;
3 - А1; 4 - А1,зРе4; 5 - AljNij; 6 -AljNi; 7 - LaAlj)
образной формы и крупные глобули неправильной формы. Небольшие области,
обогащенные такими выделениями, чередуются с обширными областями,
свободными от них.
Электронно-микроскопическое исследование сплавов после закалки из
жидкого состояния показало, что сплавы имеют аморфную структуру с
небольшой объемной долей кристаллических фаз.
Светлопольные изображения аморфной матрищ>1 на основе алюминия
представляют собой однородное поле с характерным пятнистым контрастом.
На дифракционных картинах, полученньпс с таких участков, формируется гало
с двумя кольцевыми максимумами интенсивности.
8
Рис.2. Электронно-микроскопические изображения микро­
структуры craiaeaAlgsNigFeiLaj (№ 1) после закалки:
а - светлопольное изображение;
б-г-темнопольные изображения в рефлексах [006] А1, зРе4, [004] - p-Laj^i i и [ П 2] - LaAlj, соответственно
Как показал электронно-микроскопический анализ, в аморфной матрице
присутствуют отдельные, редко расположенные частицы интерметаллидных
фаз различного типа и морфологии. Наблюдаемые частицы формируют
точечные дифракционные картины, что свидетельствует об их кристаллическом
строении. Бьшо установлено, что крупная частица, в форме шестигранника
(рис. 1 а,6) является интерметаллидом А1]зРе4 с моноклинной решеткой,
стержнеобразная частица (рис. 2 в) идентифицируется как метастабильная
интерметаллидная Р-фаза La3Alii с тетрагональной решеткой, а конгаомерат
частиц, темнопольное изображениегазторыхприведено на рис. 2 г, является
интерметаллидом LaAIj. Объемная доля подобных частиц в аморфной матрице
не превышает 5 % . Выделению интерметаллидов при столь высоких скоростях
охлаждения способствует малая растворимость никеля, железа и лантана в
алюминии.
На дифракционной картине, полученной отражением от аморфной
матрицы, наблюдали гало вокруг центрального пятна, а в случае совмещения
отражений от аморфной матрицы и кристаллической фазы формируется
картина наложения гало на точечную дифракцию обратной решетки.
В четвертойгаавеизучена термическая стабильность аморфного состояния
в исследуемых сплавах при непрерывном нагреве в калориметре. Два
несимметричных пика тепловыделения, наблюдаемые на калориметрических
кривых сплавов, характеризуют многостадийный процесс кристаллизации. На
рис. 3 приведена калориметрическая кривая сплава Alg5Ni9Fe2La4 (№ 6).
Рис. 3. Термограмма сплава AlgjNi9Fe2La4 (^^ 6)
Оба экзотермических пика асимметричны, что свидетельствует о
многофазной кристаллизации в соответствующих температурньге интервалах.
Внешний вид калориметрических кривых свидетельствует о том, что при
непрерывном нагреве в системе не происходит первоначального выделения
нанокристаллического алюминия, т.к. кривые не содержат широкого
экзотермичесюго пика, предшествующего пикам, соответствующим основным
кристаллизационным процессам, происходящим в системе. Темпфатуры обоих
экзотермических пиков 73с, и TJcj и соответствующие энтальпии кристаллизации
10
Таблица 2
Тепловые эффекты превращений при непрерывном нафеве сплавов
в калориметре и размерный критерий X
Сплавы
№1
№2
№4
№6
Первый экзотер­
мический пик
Я,,кДж/моль
2,67
299
1^7
310
1,48
306
220
289
Второй экзотер­
H j , кДж/моль
Тх^-С
U1
345
2,87
229
357
1,96
344
0,0%
0,086
0,087
0,087
мический пик
X
374
Я , и Я г сплавов приведены в таблице 2. Энтальпия низкотемпературной
кристаллизации исследуемых сплавов существенно превышает величину
тепловыделения при выделении нанокристаллов чистого алюминия,
рассчитанную для подобных сплавов. Температуры обоих пиков тепло­
выделения повышаются с увеличением железа в сплавах. В наиболее
устойчивом к кристаллизации сплаве Alg5Ni7Fe4La4 ( № 2) содержится
наибольшее галичество железа. Характерно, что повышение стабильности
соответствует понижению в них доли никеля и повышению доли железа.
Первоначальное выделение нанокристаллического алюминия в процессе
непрерывного нагрева определяется его концентрацией в сплаве, а также
размерным критерием X, зависящим от атомного объема элементов, входящих
в состав сплава. Так для рассматриваемой четьфехкомпонентной системы
Al-Ni-Fe-La, критерий X можно определить следующим образом:
^= Сре k^'Al- У?с)/Ум I + C N , I ( К Д , - V^/VJ^ I + С и 1 ( К Д , - V^/V^
I,
где С - атомная концентрация растворенных атомов, V - атомные объемы
легирующих элементов.
В многокомпонентных аморфных системах на основе алюминия
нанокристаллический алюминий выделяется первым в структуре сплавов в том
случае, если его содержание составляет от 82 до 90 ат.%, а значение критерия X
лежит в интервале от 0,04 до 0,07. В нашем случае содержание алюминия во
всех сплавах составляет 85 % , а X нахо^цится выше верхней фаницы этого
интервала. Очевидно, что такое превышение расчетных значений X является
11
значимым, поскольку первоначальное выделение нанокристаллического
злюминяя из аморфной фазы Б процессе непрерывного кагрева в ходе
калориметрических исследований не было зафиксировано.
Изотермический отжиг приводит к изменениям энтальпий первого и
второго пиков. Долю кристаллической фазы (К^). образовавшейся в ходе нагрева,
можно оценить по формуле Vj^ = {АН - АЛ^УАН, где АН — общая (полная)
энтальпия, выделившаяся во время нагрева полностью аморфного образца,
АЯ^ — общая (полная) энтальпия, выделившаяся во время нагрева частично
закристаллизованного образца, подвергнутого отжигу при температуре Т.
Расчетным путем установлено, что после отжига при температуре 250 °С, т. е.
ниже температуры Гх, происходит релаксация аморфной структуры, и
начинается выделение алюминия и интерметаллидов в количестве 0,64-1,21 %.
После отжигов при температурах 300 и 350 ° С , т. е. на первой стадии
кристаллизации доля кристаллизовавшейся фазы составляет от 30 до 60 %.
В пятой главе приведены результаты исследования превращений в структуре
аморфных лент после отжига. На дифрактограммах, полученных после
изотермических отжигов при температурах ниже 250 °С, сохраняются два
диффузных гало, сформированных при отражении от аморфной матрицы.
Увеличение доли кристаллических фаз обнаружено в сплавах после отжига
при 250 °С в течение 15 минут. При этом, как показывает рентгеноструктурный
анализ (рис. 1 Б), изотермическая выдержка приводит к развитию нанокристаллизации с образованием интерметаллидных фаз и алюминия. Крайне
неравновесное состояние сплава после быстрого охлаждения приводит к его
кристаллизации при отжиге с образованием различных интерметаллидных
соединений — как стабильных, так и метастабильных. На дифрактограммах,
полученных с отожженных образцов, на фоне размытых гало появляются четко
выраженные максимумы от ГЦК-алюминия и интерметаллидных фаз на основе
Al-La, Al-Fe, Al-Ni. Как было показано и рассчитано в главе 4 работы,
нанокристаллический алюминий в сплавах выделяется одновременно с
интерметаллидными фазами.
Металлографически и электронно-микроскопически в структуре сплавов
после отжига при 250 ° С в течение 15 минут наблюдали неоднородно
распределенные в объеме частицы интерметаллидных фаз. Отжиг при 250 ° С в
течение 15 минут не обеспечивает завершения кристаллизации сплавов. Большая
часть матрицы сохраняется в аморфном состоянии.
Сопоставление данных калориметрии, металлографии и рентгеноструктурного анализа показывает, что кристаллизация с образованием
12
нанокристаллического алюминия и интерметаллидных фаз в условиях
изотермического отжига происходит при более низкой температуре (примерно
на 50 °С ниже), чем в случае непрерывного нагрева в калориметре. Процессы
кристаллизации и фазовые превращения связаны с диффузией легирующих
элементов и являются термически активируемыми. При непрерывном нафеве
недостаточно времени для их развития, поэтому первый экзотермический пик,
наблюдаемый на термограммах, расположен при более высокой температуре.
При повышении температуры отжига до 400 °С количество кристаллической
составляющей в сплавах растет. На дифрактограммах при этом появляется
большое количество пиков интенсивности, полученных отражением от
различньк интерметаллидных фаз (рис. 1 В). Соотношение этих фаз по объему
по мере повышения температуры отжига от 250 до 400 "С изменяется. С
повышением температуры отжига (от 250 до 400 °С) наблюдается увеличение
стабильной а-фазы Ьа^Мц и Ali3Fe4 и уменьшение объемной доли LaAlj,
А15ре2, А1з№2. Металлографически в отожженных сплавах также наблюдали
многофазное состояние.
После отжига при 400 ° С в течение 15 минут на электронно-микро­
скопических изображениях наблюдали точечные дифракционные картины с
большим количеством рефлексов, расположенных на кольцах вокруг
центрального пучка.
Для сравнения исследовали микроструктуру сплавов в слитках после
охлаждения в условиях, близких к равновесным. Результаты металло­
графического и рентгеноструктурного анализа показали, что в сплавах
формируется сложная многофазная структура с большим количеством
интерметаллидов различного типа.
Комплексное применение рентгеноструктурного и электронно-микро­
скопического анализа аморфных сплавов позволило обнаружить, что в
результате отжига в них выделяется большое число фаз, которые представляют
собой соединения легирующих элементов, входящих в состав сплавов с
алюминием.
Было также установлено, что изученные в настоящей работе сплавы
AlgjNigFeiLaj (№ 1), Alg5Ni7Fe4La4 (№2) и Alg5Ni9Fe2La4 (№6) отличаются
длительной стабильностью свойств. Об этом свидетельствуют проведенные
через два и четыре года с момента получения ленты повторные ренттеноструктурные и калориметрические исследования, а также исследования
микротвердости аморфизированньпс образцов, результаты которых оказались
идентичны первоначально полученным результатам.
13
в шестойгаавеизучены микротвердость и механические свойства сплавов.
В исходном состоянии микротвердость лент сплавов AlgjNigFejLaj (№ 1),
Alg5Ni7Fe4La4 (№ 2) и AIg5NigFe3La4 (№ 4) практически одинакова и составляет
4,06-4,07 ГПа. Несколько большую твердость имеет сплав Alg5Ni9Fe2La4(№ 6)
(4,22 ГПа). Значения микротвердости сплавов, полученные при индентировании
контактной (прилегающей к дис!^') поверхности и свободной поверхности ленты,
близки.
450
Рис.4. Влияние температуры отжига различной продол­
жительности на микротвердость закаленного сплава
Alg5Ni,Fe2La4(№6)
Микротвердость всех исследованных сплавов после термической обработки
сначала снижается (см. рис. 4, на котором представлены, в частности, данные,
относящиеся к сплаву Alg5Ni9Fe2La4 (№ 6)), а затем по мере повышения
температуры отжига и достижения температур, соответствующих первому пику
экзотермических превращений, повышается. Минимальные значения на кривых
микротвердости наблюдали при температурах отжига несколько ниже
температур, соответствующих первой стадии кристаллизации при непрерывном
нагреве. Максимальную микротвердость -5,85 ГПа, имеют сплавы после
изотермического отжига в интервале температур 300-350 °С. Таким образом,
низкотемпературная релаксация структуры понижает микротвердость, а
кристаллизация с выделением наночастиц алюминия и дисперсных интерметаллидов ее увеличивает. На второй стадии кристаллизации из оставшейся
14
аморфной матрицы образуются интерметаллидные кристаллические фазы в
различном процентном соотношении, которые в зависимости от состава сплава
повышают его твердость (сплавы Alg5Ni9Fe|La5 (№ 1) и Al85Ni7Fe4La4 (№ 2)),
или в сплавах наблюдается некоторое снижение твердости (сплавы Alg5NigFe3La4
(№ 4) и AlgjNi9Fe2La4 (№ 6)), при этом полученные значения остаются выше
исходных значений. При отжиге выше 350 °С одновременно развиваются
кристаллизация в тех объемах, в которых сохранилась аморфная матрица, и
коагуляция ранее выделившихся кристаллических фаз. Увеличение объемной
доли дисперсных кристаллических фаз приводит к повышению микротвердости,
а коагуляция ее снижает. В зависимости от вклада этих двух процессов в
структурные изменения, развивающиеся в сплавах при отжиге выше 350 °С,
микротвердость в изученных алюминиевых сплавах либо возрастает, либо
понижается.
Ленты из сплавов AlgjNigFejLas (№ 1), Alg5Ni7Fe4La4 (№ 2), Alg5NigFe3La4
(№ 4) и Alg5Ni9Fe2La4 (№ 6) подвергали испытаниям на растяжение в исходном
состоянии. Несколько ббльшие знапения прочности в исходном состоянии имеют
сплавы № 1 и № 6 (9 ат.% никеля в каждом) - 681,5 МПа и 658,2 МПа,
соответственно. При незначительном уменьшении содержания никеля и
повышении содержания железа (при неизменном содержании лантана) в
сплавах уменьшается предел прочности, однако это уменьшение в этих
оценочных испытаниях можно объяснить пониженным качеством поверхности
лешы.
Были проведены механические исследования сплавов AlgjNigFe,Las (^^ О
и Alg5Ni9Fe2La4 ( ^ 6) "Ри температурах от 50 до 200 °С с выдержкой в течение
5 минут при каждой температуре с последующим испытанием на разрыв.
Значения предела прочности являются максимальными в исходном состоянии
при 20 "С. При повышении температуры испытания значения предела
прочности в обоих сплавах постепенно снижаются. Повышение температуры
испытания до 220-250 °С приводит к хрупкому разрушению.
Были проведены также испытания образцов при комнатной температуре
после отжига в интервале от 50 до 200 °С с выдержкой 15 минуг. Ход полученньк
кривых в целом аналогичен зависимости после испытаний при повышенных
температурах. В условиях сохранения неизменным количества выделившихся
фаз в структуре сплава в ходе его охлаждения величина ст„^ с увеличением
температуры отжига убывает практически линейно (аналогично снижению
микротвердости) вследствие протекания релаксационных процессов.
Таким образом, термическая обработка алюминиевых сплавов влияет на
их механические свойства, которые тем не менее в интервале температур до
15
150 ° C остаются на достаточно высоком уровне и превышают аналогичные
показатели большинства кристаллических атюминиевых сплавов.
Термическая обработка при температурах от 250 °С, как было показано
выше, значительно изменяет структуру лент, что приводит к дефо}»1адаи
(вызванной нагревом) и сильному охрупчиванию аморфных лент и затрудняет
процесс измерения прочности сплавов.
В седьмой шаве изучено поведение сплавов под действием высоких
нагрузок, для чего исследовали влияние больших пластических деформаций
(сдвигом под давлением) на их структуру и свойства.
Рентгеноструктурные исследования показали, что структура сплавов,
исследованная после сдвига под давлением с углом 45°, практически не
отличается от структуры в исходном состоянии. Идентифицируемость фаз
происходит на грани чувствительности метода, и их наличие можно подтвердить
только электронно-микроскопически. Начиная с угла закручивания 90°, в
аморфной основе сплавов выделяется нанокристаллический алюминий, а также
возможно выделение интерметаллидов, которые наблюдали в исходных
(недеформированных) образцах.
После сдвига под давлением с углом закручивания 90° при комнатной
температуре обнаружено выделение нанокристаллического алюминия (рис. 5).
На темнопольном изображении, полученном в рефлексах двух первых колец
А1 <111> и <200>, наблюдаются наночастицы алюминия (со средним диаметром
~',ш1^ '' " '
'
• Т~Г^,-Г
Г"*..' Л'*'
.
'
•
v.
-
-
'
'
а)
*'-^.\^
.
,
*
• '
M'^'
■
'
— '
■
■
*'
•
<
*
'
.
•'
*
,
^
•
Щ
-
6)
-
Рис.5. Электронно-микроскопические изображения микро­
структуры сплава AlgjNi7Fe4La4 (№ 2) после сдвига под
давлением ф = 90°: а — дифракционная картина, 6 —
темнопольное изображение
16
p .
•
0Д MKM
'
'-^
'>'•■■■•>-'',
-*»
\л",'. . " ■ * • '
.
•
П'^
'■^i;>M-'.t i ' " ->
' *
'
»
—
■
-10 нм) на фоне аморфной матрицы. Аналогичные картины получены и для
бьльших углов закручивания. Интерметаллидные фазы в большом количестве в
структуре сплавов не обнаружены.
При измерении микротвердости деформированных образцов было
установлено, что наиболее интенсивно этот показатель возрастает при
увеличении угла закручивания примерно до 360° (рис. 6). Последующее
увеличение степени деформации не дает значительного прироста твердости. В
целом пластическая деформация позволяет получить более высокую прочность
по сравнению с прочностью термически обработанных образцов.
Рис. 6. Микротвердость сплава Alg5Ni9Fe2La4 (№ 6) после сдвига
под давлением в зависимости от угла закручивания
Выявлены определенные последовательности структурно-фазовых
превращений аморфных сплавов, протекающие при нафеве и при воздействии
пластической деформации и проявляющиеся в том, что в первом случае
кристаллизация алюминия происходит од1ювременно с выделением в сплавах
интерметаллидов, а во втором случае наблюдали только выделение алюминия.
ОБЩИЕ ВЬЮОДЫ
1. Выполнен комплекс рентгеноструктурных и электронно-микро­
скопических исследований аморфных и аморфно-нанокристаллических
алюминиевых сплавов, легированных никелем (5-9 % ) , железом (1-7 % )
и лантаном (3-5 % ) .
Z Установлено, что в изученных аморфных алюминиевых сплавах,
легированных никелем, железом и лантаном, в результате закалки
формируется рентгено-аморфное состояние с небольшой объемной
17
3.
4.
5.
6.
7.
8.
18
долей неоднородно распределенных в объеме интерметаллидных фаз.
Аморфная матрица, оставаясь в целом неупорядоченной, имеет
расслоение по составу, о чем свидетельствуют данные рентгеноструктурного ("двугорбое" гало на дифрактофаммах) и электронномикроскопического (два кольцевых максимума интенсивности в пределах
гало на дифракциях) анализа.
Показано, что структурная стабильность алюминиевых сплавов,
легированных никелем, железом и лантаном, сохраняется при темпе­
ратурах отжига ниже 250 °С. При этом в сплавах развиваются процессы
структурной релаксации. Потеря устойчивости аморфного состояния
при изотермических отжигах наблюдается при 250 ° С в результате
развития кристаллизации с образованием нанокристаллического
алюминия и интерметаллидных фаз на основе Al-Ni, Al-Fe, Al-La
различного химического состава: LaAl4, LajAlu, A!i3Fe4, А1зЫ12, AljNi,
LaAlj, ЬазА1, AljFe^, AlNi, А1К1з, Ьзг^зУстановлено, что кристаллизация всех исследованных сплавов при нафеве
происходит в несколько этапов с одновременным выделением
нанокристаллического алюминия и интерметаллидов. При этом
термическая стабильность алюминиевых сплавов возрастает с повы­
шением содержания железа и, соответственно, с понижением содержания
никеля.
Показано, что микротвердость алюминиевых сплавов после аморфизации
незначительно зависит от их химического состава и находится на уровне
4 Ш а . По мере повышения температуры отжига микротвердость сначала
понижается на 25-30 % , а затем при достижении температур,
соответствующих началу нанокристаллизации, повышается и может
достигать значений ~5,85 ГПа.
Установлено, что воздействие механических нагрузок в условиях сдвига
под давлением с углами закручивания ф от 90° до (360°хЗ)х2 вызывает
кристаллизацию сплава с образованием нанокристаллического алюминия
с размером зерен ~10 нм.
Сдвиг под давлением с углами закручивания ф > 360° приводит к более
существенному увеличению твердости, чем отжиг
Последовательность структурно-фазовых превращений в аморфных
сплавах при нагреве и при воздействии пластической деформации
различна: в первом случае кристаллизация алюминия происходит
одновременно с выделением в сплавах интерметаллидов, во втором
случае наблюдается только выделение алюминия.
9. На основе выполненного комплекса исследований структуры и
механических свойств определены сплавы (AIg5Ni9Fe|La5, Alg5Ni7Fe4La4
и Alg5Ni9Fe2La4), обладающие наиболее высокими прочностными
характеристиками и структурной стабильностью при термических
воздействиях, что позволяет использовать эти сплавы в ряде изделий
космической, авиационной и других областей техники.
Основное содержание диссертации отражено в работах:
1. Ковнеристый Ю.К., Белоусов O.K., Попова Е.В, 1&ршунова А.В. Исследование
стабильности аморфных сплавов на основе алюминия с РЗМ // Металлы. 2003.-№3.-С. 116-121.
2. Ковнеристый Ю.К., Бахтеева Н.Д., Белоусов O.K., Попова Е.В. Струетура и
механические свойства сплавов системы Al-Ni-Fe-La после быстрой
закалки и отжига. Часть I. Структура // Металловедение и термическая
обработка металлов.-2004.-№ 8.-С. 16-21.
3. Ковнеристый Ю.К., Бахтеева Н.Д., Белоусов O.K., Попова Е.В. Структура и
свойства сплавов системы Al-Ni-Fe-La после быстрой закалки и отжига:
Тез. докл. Международная научно-техническая конференция "Теория и
технология процессов пластической деформации - 2004", 26-27 октября
2004 г., Москва, МИСиС, С. 286-288.
4. Белоусов O.K., Ковнеристый Ю.К., Попова Е.В. Аморфные сплавы:
формирование, временная стабильность и прочностные свойства //
Деформация и разрушение металлов. - 2005. - № 8. - С. 29-37.
5. Ковнеристый Ю.К., Бахтеева Н.Д., Белоусов O.K., Попова Е.В. Влияние
термической обработки на структуру и механические свойства быстрозакаленных сплавов системы Al-Ni-Fe-La: Тез. докл. Н^чно-техническая
конференция молодых специалистов и аспирантов отрасли "Материалы и
технологии для авиационно-космической техники - 2005", 20-22 сентября
2005 г., Москва, ВИАМ, С. 15-16.
6. Ковнеристый Ю.К., Бахтеева Н.Д., Белоусов O.K., Попова Е.В. Влияние
термической обработки на структуру и микротвердость быстрозакаленных
сплавов системы Al-Ni-Fe-La // Деформация и разрушение металлов. 2005.-№10.-С. 13-17.
Подписано в печать 24.10.2005 г. Заказ №32. Тираж 100 экз. Объем I п.л.
Отпечатано в ООО «Интерконтакт н^ка», Москва, Ленинский пр. 49.
1|S212 78
РНБ Русский фонд
2006-4
19450
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
874 Кб
Теги
bd000100093
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа