Повышение свойств жаропрочных магниевых сплавов, содержащих неодим, методом термомеханической обработки

17.07.2019

В настоящее время магниевые сплавы находят все большее применение в качестве жаропрочных материалов. Основное упрочнение жаропрочных магниевых сплавов достигается благодаря выделению из пересыщенного твердого раствора упрочняющих фаз в процессе старения. Однако существенным недостатком такой обработки магниевых сплавов является заметное понижение предела текучести в деформированных полуфабрикатах при нагреве их под закалку.

Ряд работ, опубликованных за последние годы, посвящен вопросу упрочнения магниевых сплавов методом термомеханической обработки. Повышенный интерес к упрочнению этих сплавов методом термомеханической обработки (TMO) объясняется возможностью резкого увеличения характеристик прочности, особенно предела текучести при растяжении и сжатии как при комнатной, так и повышенной температурах.

Повышение свойств жаропрочных магниевых сплавов в результате TMO основано на использовании особого структурного состояния, которое возникает в материале при специальной обработке, исключающей развитие рекристаллизации.

Нами было проведено исследование влияния различных режимов термомеханической обработки на свойства сплавов МАИ и МА12. Работа проводилась в производственных условиях на катаных, прессованных, кованых и штампованных полуфабрикатах.

Термомеханическая обработка для сплава МА12 заключалась в нагреве слитков до температуры закалки (530—540° С), выдержке при этой температуре в течение времени, необходимого для наиболее полного растворения фаз (1—2 ч), подстуживании на воздухе до температуры ниже температуры рекристаллизации и деформации при этой температуре с последующим охлаждением на воздухе (ВТМО).

Термомеханическая обработка сплава МАИ включала в себя закалку с температуры твердого раствора (490° С), теплую деформацию на 10—15% и искусственное старение (НТМО).

Механические свойства сплавов МА11 и МА12, подвергнутых различным видам термомеханической обработки, указаны в табл. 1. Из представленных в таблице данных следует, что термомеханическая обработка позволяет существенно повысить характеристики прочности сплавов при кратковременных испытаниях до 250—300° С. При этом наиболее сильно возрастают пределы текучести на растяжение и сжатие. Так, предел прочности на деформированных полуфабрикатах по сравнению с обычной термической обработкой Т6 при комнатной температуре повысился на 1—3 кгс/мм2, предел текучести при растяжении и сжатии — в 1,5—2,0 раза. При температуре 250° С предел прочности увеличился на 1—3 кгс/ /мм2, а предел текучести — на 2—5 кгс/мм2. На сплаве МА11 преимущество термомеханической обработки сохраняется до более высокой температуры — 300-350° С.

Представляет также интерес эффект упрочнения магниевых сплавов с неодимом путем сочетания высокотемпературной и низкотемпературной деформации, а именно максимальный эффект упрочнения сплавов MA11 и МА12 достигнут при обработке по режимам: нагрев слитков до температур закалки, подстуживание на воздухе, деформация при 350—400° С с последующим охлаждением на воздухе, дополнительная деформация без нагрева на 5—10%, искусственное старение при 150° — 10 ч.

Указанный режим обработки представляет собой комбинированную термомеханическую обработку (КТМО). По данному режиму в производственных условиях изготовлены партии тонкостенных профилей, прутков (ф 20 мм), листов и штамповок со следующим уровнем механических свойств (табл. 2).

Учитывая, что сплавы МА11 и МА12 рекомендованы для изготовления деталей, работающих при длительном воздействии повышенных температур и нагрузок, за основу испытаний полуфабрикатов были приняты методы, приближенно характеризующие режимы эксплуатации. Первым приближением к таким условиям работы материала являются испытания длительной прочности, сопротивления ползучести, а также прочности при кратковременном растяжении после продолжительных нагревов. В работе влияние длительных нагревов на стабильность механических свойств исследовалось на образцах, вырезанных из листов сплава МА12 (Nd — 2,8%, Zr — 0,42%, Mg — остальное) толщиной 1,5 мм после термической обработки Т6 и ВТМО.

Длительные нагревы производили при 100, 150 и 200° С в течение 2000 ч в лабораторных печах. После нагрева образцы испытывали на растяжение при комнатной температуре и 250° С.

Испытания показали (рис. 1), что образцы после BTMO имеют при невысоких температурах нагрева несколько большую прочность, чем после термической обработки Т6. С увеличением температуры нагрева это различие уменьшается, и при температуре 200° С образцы практически равнопрочны.

Нагрев в течение 2000 ч при температурах 100 и 150° С не вызывает значительного изменения прочности сплава, что говорит о хорошей стабильности механических свойств материала в состоянии Т6 и после BTMO при исследованных температурах. Более высокая температура нагрева приводит к понижению прочности, особенно на листах, изготовленных по режиму ВТМО, и это снижение тем интенсивнее, чем длительней выдержка. Так, после нагрева при 200° С в течение 2000 ч предел прочности при 20° С на закаленных и искусственно состаренных образцах уменьшился с 32 до 31,2 кгс/мм2, при 250° С — с 17,8 до 13 кгс/мм2, а на листах, изготовленных по режиму ВТМО, — с 33,6 до 30,2 кгс/мм2 и с 17,6 до 12,3 кгс/мм2 соответственно.

На рис. 2—4 приведены данные о длительной прочности и ползучести листов из сплавов МА11 и МА12 после термической обработки Т6 и ТМО, полученные в результате 500-часовых испытаний при различных температурах. Можно видеть, что пределы длительной прочности сплава МА12 при температуре 100° С с увеличением времени испытания от 100 до 500 ч остаются постоянными и практически равны пределам прочности сплава при кратковременном испытании. При температурах 175 и 200° С интенсивность разупрочнения сплава с увеличением длительности испытания от 100 до 500 ч значительно возрастает и особенно после обработки по режиму ВТМО.

Пределы ползучести при 100° после закалки и искусственного старения находятся на уровне 14—15 кгс/мм2, после ВТМО — не менее 15—16 кгс/ /мм2. При 150° С пределы ползучести понижаются с увеличением времени испытания от 100 до 500 ч с 13 до 12 кгс/мм2 после термической обработки Т6 и с 12,8 до 11,0 кгс/мм2 после ВТМО. При более высоких температурах снижение сопротивления ползучести материала, особенно после обработки по режиму ВТМО, еще значительнее. Для сплава МА11 преимущество термомеханической обработки при испытаниях на длительную прочность проявляется до 250° С. Длительная прочность прутков после обработки по режиму TMO при 250° С за 100 ч возрастает на 10—12%, а при 300° С практически не изменяется. Пределы ползучести при температурах испытания 200—300° С снижаются на 1—1,5 кгс/мм3 по сравнению с обработкой Т6 (рис. 4).

Представляет интерес выяснение вопроса, какие структурные изменения в данном случае являются характерными для термомеханической обработки. Исследование структурных изменений проводилось при помощи электронной микроскопии, рентгеновского анализа и измерения удельного электросопротивления.

Рентгеноскопическое исследование проводилось с целью выявления искажений в строении кристаллической решетки магниевого твердого раствора в процессе ТМО. На рентгенограммах, снятых с образцов, подвергнутых закалке, были получены тонкие линии, состоящие из большого числа точек, указывающих на полностью рекристаллизованную структуру. Рентгенограммы, снятые с образцов, прошедших термомеханическую обработку, характеризовались наличием сплошных и размытых линий, свидетельствующих о сильном искажении кристаллической решетки магниевого твердого раствора.

Изучение изменения электропроводности позволило провести качественный анализ структурных процессов, обусловливающих упрочнение металла в результате ТМО. Полученные пониженные значения электросопротивления на образцах, прошедших термомеханическую обработку, дают основание судить об изменении процесса распада пересыщенного твердого раствора в процессе ТМО.

Свойства сплава при термомеханической обработке обусловливаются также тонкими структурными изменениями. В процессе обработки в зависимости от параметров (температуры, степени, скорости и вида деформации) возникает определенный характер субструктуры, а именно при термомеханической обработке происходит изменение мозаичной структуры — дробление блоков и их угловая разориентировка. Наиболее полная картина субструктуры получена с помощью электронной микроскопии (рис. 5). Получение метастабильной субструктуры, состоящей из большого числа микроблоков, и является характерной особенностью изменения субструктуры при термомеханической обработке. Такая субструктура кристаллов, состоящая из совокупности большого числа разориентированных микроблоков, характеризуется большой плотностью дислокаций (рис. 5, б), а следовательно, и высокой прочностью. Процесс фазовых превращений в условиях сильно развитой субструктуры, безусловно, должен иметь свою специфику, так как фазовые превращения в отдельных микроблоках протекают обособленно от превращений в соседних блоках.

Таким образом, наблюдаемое изменение механических свойств магниевых сплавов при термомеханической обработке можно объяснить действием следующих факторов:

а) искажением кристаллической решетки;

б) повышенной плотностью дислокаций;

в) фрагментацией зерен твердого раствора, т. е. образованием ячеистой структуры;

г) изменением характера и интенсивности распада пересыщенного твердого раствора.

Исходя из этих наблюдений, стало возможным научно обосновать режимы термомеханической обработки жаропрочных магниевых сплавов, содержащих неодим. На базе этих исследований разработана опытнопромышленная технология получения профилей, прутков, листов, поковок и штамповок из сплавов MA11 и МА12 с высокими механическими свойствами при нормальной и повышенной температурах.


Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2019
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна