Упрочнение магниевых сплавов при поверхностном пластическом деформировании

Для расширения возможностей использования магниевых сплавов в современном машиностроении все большее значение приобретают различные способы повышения их механических, технологических и эксплуатационных свойств. Одним из наиболее эффективных путей решения этой задачи является способ обработки деталей из магниевых сплавов поверхностным пластическим деформированием (ППД). При этом значительно снижается шероховатость поверхности, в поверхностном слое возникают остаточные напряжения сжатия и образуется упрочненный слой.

Однако механизм формирования поверхностного слоя и причины его упрочнения при ППД изучены мало. Поэтому целью настоящей работы явилось исследование влияния ППД на упрочнение магниевых сплавов в зависимости от их состава и строения.

Исследования проводили на наиболее распространенных промышленных сплавах магния (MЛ5, MЛ10, MЛ12, МА2-1, МА5, МА12, MA14), а для изучения влияния отдельных легирующих добавок в качестве моделей использовали двойные сплавы с различным характером физико-химического взаимодействия компонентов (Mg—Cd, Mg—Zr, Mg—Al, Mg—Zn, Mg—Nd). Сплавы исследовали в литом, деформированном и термически обработанном после деформирования состояниях.

Было установлено, что для всех сплавов в трех структурных состояниях ППД приводит к упрочнению поверхностного слоя, что было показано сравнением микротвердости твердого раствора сплавов до и после обработки.

Упрочнение сплавов с однофазной структурой в результате ППД незначительно. Так, степень упрочнения литых сплавов системы Mg—Cd практически постоянна (около 3%) и почти не зависит от состава (рис. 1, а). Степень упрочнения деформированных сплавов этой системы также не зависит от состава и составляет около 5% (рис. 1, б). Увеличение степени упрочнения деформированных сплавов по сравнению с литыми связано со значительным возрастанием протяженности границ зерен вследствие их измельчения при деформировании. Эти границы зерен играют роль внутренних дислокационных барьеров.

Аналогичные закономерности наблюдаются и в сплавах системы Mg — Zr также с однофазной структурой. Вследствие модифицирующей роли циркония литые зерна сплавов этой системы соизмеримы с деформированными, и поэтому степень поверхностного упрочнения литых и деформированных сплавов примерно одинакова и составляет 4—6% в зависимости от содержания циркония. Укрупнение зерна при отжиге приводит к снижению степени упрочнения до 2—3%.

Появление в структуре сплавов частиц второй фазы приводит к более заметному упрочнению поверхностного слоя. Так, при увеличении содержания алюминия от 1 до 16% степень упрочнения литых сплавов возрастает от 5,5 до 10,5%, т. е. почти вдвое (рис. 2, а). Подобные закономерности наблюдаются и у деформированных и термообработанных сплавов (рис. 2, б, в). Это, очевидно, связано со значительным ростом количества мелких частиц второй фазы Mg17Al12 по мере увеличения концентрации алюминия. Эти частицы также играют роль эффективных дислокационных барьеров.

Присутствие в структуре сплавов систем Mg—Zn и Mg—Nd частиц второй фазы MgZn или Mg9Nd также приводит к увеличению степени упрочнения по сравнению с однофазной структурой. Следовательно, влияние ППД на упрочнение поверхностного слоя более ощутимо у сплавов, имеющих в структуре частицы второй фазы.

Степень упрочнения промышленных сплавов оказалась выше, чем двойных с тем же содержанием основного легирующего элемента, что связано с более высоколегированным твердым раствором. Однако для всех исследованных сплавов она не превышала 15% (табл. 1).

Было высказано предположение, что это связано с малым числом систем легкого сдвига в ГПУ-решетке. Для проверки высказанного предположения была определена степень упрочнения при ППД сплавов системы Mg—Li: ИМВ2 (кристаллическая решетка которого состоит из ГПУ и ОЦК) и ИМВЗ (ОЦК-решетка). Искомые величины действительно оказались выше, чем в сплавах с ГПУ-решеткой. Они составили 18 и 25 % соответственно (табл. 1).

Измерение микротвердости твердого раствора с помощью косых срезов позволило не только определить глубину упрочненного поверхностного слоя в зависимости от различных факторов, связанных со структурой и свойствами сплавов, но и оценить влияние этих факторов на степень упрочнения по глубине.

Сплавы с однофазной структурой характеризуются незначительным изменением степени упрочнения в зависимости от глубины поверхностного слоя. По мере легирования твердого раствора и перехода к сплавам с двухфазной структурой все более отчетливо выделяется наиболее упрочненная часть поверхностного слоя. Она составляет приблизительно 40—50 мкм в зависимости от твердости сплава и его структуры. Затем следует зона менее упрочненного металла толщиной также около 50 мкм, которая переходит в металл исходного состояния. Все зоны четко видны на фотографиях, полученных с помощью электронного сканирующего микроскопа.

Электронно-микроскопическое исследование поверхностного слоя методом тонких фольг подтвердило снижение упрочнения по мере удаления от поверхности. На рис. 3 показано, что в поверхностных слоях наблюдается высокая плотность дислокаций. По мере удаления от поверхности плотность дислокаций уменьшается. Следует отметить, что для выяснения истинной дислокационной структуры, создаваемой за счет обработки ППД, образцы предварительно подвергали отжигу для снятия внутренних напряжений по режиму: температура 280° С, выдержка 40 ч, охлаждение на воздухе.

В некоторых местах дислокации после обработки ППД выстраиваются в сетки. Наличие дислокационных сеток, очевидно, можно объяснить тем, что локальный нагрев при ППД приводит к частичной релаксации внутренних напряжений за счет перераспределения дислокаций с образованием более стабильных конфигураций.

Рентгенографическим исследованием было показано, что в результате ППД возникают дополнительные искажения кристаллической решетки поверхностного слоя по сравнению с необработанными образцами (табл. 2), о чем судили по изменению ширины фотометрической кривой.

Таким образом, проведенное рентгенографическое исследование подтверждает, что в результате обработки ППД увеличивается степень наклепа, которая, в конечном счете приводит к повышению механических свойств поверхностного слоя магниевых сплавов.

Выводы

1. С помощью рентгенографического и электронно-микроскопического исследований методом тонких фольг показано, что в результате обработки ППД деталей из магниевых сплавов в поверхностных слоях возникают дополнительные искажения кристаллической решетки и наблюдается высокая плотность дислокаций и их упорядоченное расположение.

2. Экспериментально показано, что обработка ППД магниевых сплавов приводит к упрочнению поверхностного слоя и образованию деформированного слоя глубиной около 100 мкм.

3. Установлено, что степень поверхностного упрочнения зависит от состава сплава, его структуры, размера зерен, количества и размера частиц второй фазы и типа кристаллической решетки матричной фазы.