Влияние микроструктуры на электропроводность и прочность алюминиевых сплавов после интенсивной пластической деформации Мавлютов Айдар Марселевич

Введение к работе

Актуальность работы

Алюминиевые сплавы являются перспективными материалами для электротехнических применений благодаря высокой удельной электропроводности, легкости, стойкости к коррозии и низкой стоимости. Основным недостатком алюминия является его низкая прочность. Использование традиционных методов повышения прочности, таких как легирование и различные виды деформационно-термической обработки, зачастую приводит к резкому снижению удельной электропроводности, что обусловлено повышением плотности дефектов кристаллического строения. В последнее десятилетие достигнут значительный прогресс в упрочнении проводниковых сплавов системы Al–Mg–Si при сохранении высокого уровня электропроводности за счет формирования в них ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры с зернами, свободными от примесей и содержащими дисперсные наноразмерные частицы вторичной фазы. Формирование такой структуры достигается применением двухэтапной обработки сплава интенсивной пластической деформацией (ИПД) последовательно при комнатной и повышенной температурах. Дальнейшее повышение прочностных свойств при сохранении высокого уровня электропроводности сплавов системы Al–Mg–Si, несомненно, является важной задачей. Длительная эксплуатация сплавов системы Al–Mg–Si при температурах, превышающих 90 ^оС, приводит к деградации их прочностных свойств из-за прохождения в них процессов возврата и рекристаллизации. Эффективным способом повышения термостабильности алюминиевых сплавов является их легирование небольшим количеством (до 1 мас.%) Zr. Однако для сплавов системы Al–Zr характерны низкие показатели прочности, в связи с этим в последнее время большое внимание уделялось ее увеличению путем различной деформационно-термической обработки, а также дополнительного легирования. Влияние ИПД на результирующие прочностные свойства сплавов системы Al–Zr исследовано весьма слабо. Таким образом проблема дальнейшего улучшения механических свойств проводниковых алюминиевых сплавов, а также повышения их термостабильности при сохранении высокого уровня электропроводности остается важной и актуальной задачей современного физического материаловедения. Решение данной задачи представляется крайне сложным без выявления особенностей упрочнения и механизмов рассеяния электронов в УМЗ структурах. Относительно недавно для УМЗ Al, структурированного ИПД методом многократной прокатки, были обнаружены новые эффекты – упрочнение при отжиге (увеличение предела текучести на ~8%) и разупрочнение, сопровождаемое увеличением пластичности в результате последующей малой деформации, что не наблюдается для крупнозернистого (КЗ) Al и указывает на существование новых механизмов упрочнения и пластичности, характерных только для УМЗ структур. Однако в ряде случаев, в которых УМЗ структура в Al была сформирована альтернативными методами ИПД, эти эффекты отсутствовали. До сих пор природа этих эффектов и ключевые микроструктурные параметры, ответственные за их проявление, не были выяснены, не было предложено каких-либо физических моделей, описывающих эти явления. Таким образом, исследование взаимосвязи микроструктуры и результирующих функциональных

свойств (прочности, пластичности и электропроводности) технически чистого алюминия (далее Al) и сплавов систем Al–Mg–Si (сплав Al 6201) и Al–Zr, подвергнутых интенсивной пластической деформации, и выявление ключевых микроструктурных параметров, контролирующих прочностные свойства и электропроводность этих материалов в УМЗ состояниях, а также связанных с ними особенностей механизмов упрочнения и механизмов рассеяния электронов в УМЗ структурах, является важной и актуальной задачей физического материаловедения.

Цель работы. Определение роли микроструктурных параметров и связанных с ними физических механизмов упрочнения и механизмов рассеяния электронов в формировании повышенных прочностных и электрических свойств Al и сплавов систем Al–Mg–Si и Al–Zr в ультрамелкозернистом состоянии.

Задачи работы

1. Формирование УМЗ состояний с различными параметрами микроструктуры в Al и сплавах на его основе посредством интенсивной пластической деформации кручением под давлением (ИПДК), отжигов и дополнительной деформации.

2. Исследование микроструктуры, механических и электрических свойств полученных УМЗ образцов.

3. Анализ взаимосвязи микроструктура–свойства и выявление ключевых параметров микроструктуры, контролирующих прочностные и электрические свойства. Теоретическое обоснование особенностей механизмов упрочнения и рассеяния носителей заряда в УМЗ структурах.

Научная новизна

4. В работе впервые экспериментально продемонстрировано влияние состояния границ зерен (ГЗ) на их удельную электропроводность в Al с УМЗ структурой, полученной обработкой ИПДК. Установлено, что удельное сопротивление неравновесных ГЗ в УМЗ структуре, образовавшейся в результате ИПДК, по крайней мере в ~1.5 раза выше, чем удельное сопротивление ГЗ в КЗ структуре.

5. Обнаружено значительное повышение микротвердости (до 15%), условного предела текучести (до 50%) и предела прочности (до 30%) УМЗ Al в результате кратковременного отжига в интервале температур 90–200 ^оС, что указывает на существование особого механизма упрочнения в УМЗ структуре, полученной ИПДК. Показано, что упрочнение отжигом связано с релаксацией неравновесного состояния ГЗ, сопровождаемой уменьшением в них плотности дислокаций.

6. Впервые достигнуто одновременное увеличение прочности (в 3.6 раза) и пластичности (до 42%) Al за счет формирования УМЗ структуры и введения дополнительной плотности дислокаций в релаксированную отжигом структуру ГЗ.

7. Разработаны теоретические модели микромеханизма пластической деформации в УМЗ Al после низкотемпературного отжига и после отжига и дополнительной деформации. Построены теоретические зависимости напряжения течения от величины сдвиговой пластической деформации, которые показали хорошее качественное и количественное совпадение с экспериментальными данными.

8. В рамках туннельной модели впервые проведена оценка ширины потенциального барьера s на ГЗ в УМЗ Al. Полученное значение s9 нм значительно превышает кристаллографическую ширину ГЗ, что объясняется наличием упругих искажений вблизи ГЗ.

6. Экспериментально показано, что дополнительная деформация (в диапазоне zfy=0.012-0.024) структурированных методом ИПДК образцов сплава Al-Mg-Si приводит к увеличению предела прочности на ~14% при сохранении электропроводности на уровне 56% IACS, что обусловлено повышением плотности дислокаций в ~4 раза при сохранении остальных параметров микроструктуры. При большей дополнительной деформации (zfy~0.036) происходит снижение электропроводности, что обусловлено частичным растворением наночастиц вторичной фазы Mg₂Si.

7. Впервые показано, что прочностные свойства сплава Al-0.4Zr, подвергнутого длительному отжигу и последующей обработке ИПДК, главным образом контролируются зернограничным упрочнением, а упрочнение по механизму Орована подавляется в этой УМЗ структуре, несмотря на наличие наноразмерных дисперсных частиц вторичной фазы Al₃Zr.

Практическая значимость работы

1. Дополнительная обработка УМЗ Al, полученного ИПДК, включающая в себя отжиг при 150 оС и последующую деформацию кручением (на 0.25 оборота при КТ), позволяет существенно повысить пластичность до значений, характерных для КЗ Al, при сохранении высоких значений условного предела текучести и предела прочности.

2. Выявлен оптимальный режим дополнительной деформации (zfy~0.024) УМЗ сплава Al-Mg-Si, обеспечивающий наилучшее сочетание прочностных и электрических свойств: повышение предела прочности на ~14% (ег_UTS 276 МПа) при сохранении значения электропроводности на уровне ~56% IАСS.

3. Продемонстрирована термостабильность повышенных механических свойств сплава Al-0.4Zr в УМЗ состоянии, полученном ИПДК, до 230 оС, что открывает возможности улучшения функциональных свойств проводниковых материалов на основе алюминиево-циркониевых сплавов.

Основные положения, выносимые на защиту

4. Кратковременный низкотемпературный отжиг УМЗ А1, полученного ИПДК, приводит к значительному повышению прочностных свойств (предела текучести до 50% и предела прочности до 30%), что обусловлено перестройкой дислокационной структуры большеугловых ГЗ из неравновесной в более равновесную, приводящей к затруднению испускания дислокаций из границы в тело зерна.

5. Рекордное повышение пластичности (до значений, характерных для КЗ образцов) при сохранении высокого уровня прочности УМЗ Al может быть достигнуто путем введения дополнительной плотности дислокаций в релаксированную отжигом зернограничную структуру посредством малой дополнительной деформации кручением.

6. Удельное электрическое сопротивление ГЗ в УМЗ А1 существенно зависит от степени неравновесности их дислокационной структуры. Удельное сопротивление ГЗ в неравновесном состоянии в УМЗ А1 по крайней мере в 1.5 раза выше, чем в равновесном.

7. Дополнительная деформация наноструктурного сплава А1 6201 в диапазоне значений Ау=0.012-0.024 обеспечивает значительное увеличение прочности при сохранении высокого уровня электропроводности за счет введения дополнитель-

ной плотности решеточных дислокаций при сохранении значений остальных параметров микроструктуры. Бльшие степени дополнительной деформации повышают удельное сопротивление наноструктурного сплава, что обусловлено частичным растворением вторичных фаз.

5. Основным механизмом, определяющим прочностные свойства УМЗ сплава Al–0.4Zr, подвергнутого длительному отжигу и ИПДК, является зернограничное упрочнение, а упрочнение по механизму Орована подавляется, несмотря на наличие наноразмерных дисперсных частиц вторичной фазы Al₃Zr.

Достоверность полученных результатов

Использование современных взаимодополняющих прецизионных методов исследования микроструктуры позволили надежно охарактеризовать полученные образцы. Интерпретация полученных результатов основана на известных теоретических представлениях о механизмах упрочнения и рассеяния заряда. Согласованность полученных экспериментальных данных с результатами теоретических оценок свидетельствуют о достоверности результатов исследований. Полученные в работе результаты хорошо согласуются с литературными данными в той части, где они пересекаются.

Личный вклад автора

Представленные в диссертации результаты (за исключением математических расчетов энергетических характеристик и критического напряжения эмиссии решеточных дислокаций из тройных стыков) получены автором лично или при его определяющем участии. Соискатель принимал участие в постановке задач исследования, проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, теоретической разработке физических моделей и сравнении расчетных деформационных кривых с полученными экспериментальными зависимостями, подготовке публикаций. Все экспериментальные исследования механических свойств и электропроводности проведены соискателем лично. Он лично представлял результаты работы на научных конференциях.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были представлены на следующих конференциях: Международный симпозиум «Перспективные материалы и технологии», Витебск, Белоруссия, 2015; Международная конференция «Advance Materials Week», Тольятти–Санкт-Петербург, 2015; XLV, XLVI, XLVII научная и учебно-методическая конференция Университета ИТМО, Санкт-Петербург, 2016, 2017, 2018; XXII, XXIII Петербургские чтения по проблемам прочности, Санкт-Петербург, Россия, 2016, 2018; V Всероссийский конгресс молодых ученых, Санкт-Петербург, 2016; Международная конференция «Intergranular and interphase boundaries in materials» Москва, 2016; Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», Пермь, 2017; LUT – ITMO joint seminar on Solid State Physics, Лаппеэнранта, Финляндия, 2017; Международный семинар «New trends in research of UFG materials produced by SPD», Санкт-Петербург, 2017; Международная школа-конференция «Advanced Problems in Mechanics» Санкт-Петербург, 2018, а также на научных семинарах в Университете ИТМО и в Санкт-Петербургском Государственном Университете.

Публикации. Основное содержание диссертации представлено в 11 работах, включая 6 публикаций в журналах, входящих в перечень ВАК или приравненных к перечню ВАК.

Структура и объем диссертации