Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время достаточно активно исследуются метастабильные конденсированные системы, обладающие рядом новых физико-механических свойств, отличных от свойств равновесных систем. Особое место среди них занимают наноструктурные материалы, у которых значительную часть объема составляют границы зерен. Традиционно неравновесные (аморфные, нано - и микрокристаллические) состояния в алюминиевых сплавах получали такими методами, как быстрая закалка расплава, механическое сплавообразование и др.
С развитием новой техники и с повышением качества продукции предъявляются особые требования к конструкционным материалам, в частности к алюминиевым сплавам с переходными металлами, которые обладают высокими эксплуатационными и специальными физическими свойствами (такими как жаропрочность, пластичность, вязкость разрушения и ряд других). Для достижения этих целей совершенствуются способы обработки материалов в жидком и в твердом состояниях. К первым можно отнести высокоскоростную кристаллизацию и температурно-временную обработку расплава [1], ко вторым - интенсивную пластическую деформацию и термическую обработку [2, 3].
Известно, что быстрозакаленные алюминиевые сплавы, содержащие 1 -5% (здесь и далее вес.%) переходных металлов (Zr, -Fe, Сг), хорошо зарекомендовали себя в качестве основы перспективных жаропрочных гранулируемых сплавов в основном за счет формирования пересыщенных твердых растворов. Однако их получение способами высокоскоростной кристаллизации сопряжено с большими техническими трудностями. В связи с этим возникает необходимость изыскания дополнительных внешних воздействий, которые бы способствовали созданию определенных структурных состояний, обеспечивающих необходимый уровень эксплуатационных характеристик данных материалов.
Например, эффективным методом воздействия на структурное состояние и механические свойства алюминиевых сплавов является метод интенсивной пластической деформации (ИПД). Он имеет ряд преимуществ, в частности, при ИПД имеется возможность контролировать степень деформации образцов и управлять, таким образом, их физико-механическими свойствами и фазовым составом. Кроме того, только этот метод в настоящее время позволяет избежать остаточной пористости и загрязнения примесями, а также получить объемные, необходимые для практики, образцы новых материалов.
Многие служебные характеристики А1 сплавов определяются существованием в них алюминидов переходных металлов. В исследованиях последних лет показано, что при быстрой закалке расплавов можно получать
дисперсные метастабильные алюминиды, которые дают дополнительные возможности для варьирования и улучшения эксплуатационных свойств таких материалов. В связи с этим, значительный интерес вызывает изучение деформационного поведения при кручении под давлением различных по составу и строению интерметаллидов, т.к. экстремальные воздействия могут привести к созданию эффективного способа регулирования структуры и свойств А1 сплавов, легированных переходными металлами.
Изучению влияния условий кристаллизации на структурообразование алюминиевых сплавов с хромом, цирконием и железом посвящено значительное число работ, в которых показаны эффективность применения быстрой закалки расплава. Однако практически отсутствуют экспериментальные данные о возможности использования в качестве дополнительной обработки этих материалов интенсивной пластической деформации. В связи с этим, диссертационная работа, безусловно, актуальна. Цель работы: изучение особенностей фазовых и структурных превращений при интенсивной пластической деформации кручением под давлением быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов с переходными металлами (Cr, Zr, Fe).
Для достижения намеченной цели в работе поставлены следующие задачи:
-
Изучить влияние скорости охлаждения и перегрева расплава на особенности кристаллизации бинарных и тройных А1 сплавов с ПМ (Сг, Zr,Fe);
-
Изучить особенности фазовых и структурных превращений при ИПД кручением под давлением быстрозакристаллизованных заперитектических AI сплавов с Сг и Zr;
-
На примере Al-Fe сплавов исследовать особенности формирования ультрамикрокристаллической структуры в сплавах с эвтектической диаграммой состояния;
-
Определить влияние интенсивной пластической деформации на формирование пересыщенных тугоплавкими элементами твердых растворов на основе алюминия;
-
Определить кинетику деформационного растворения стабильных и метастабильных алюминидов в алюминиевой матрице;
-
Оценить термическую устойчивость ультрамикрокристаллической (УМК) структуры.
Научная новизна.
1. Определены условия образования метастабильных структур при быстрой
закалке алюминиевых сплавов с переходными металлами, имеющих
разные диаграммы состояния.
-
Впервые рассмотрены особенности формирования ультрамикрокристаллической и нанокристаллической структуры в двухфазных быстрозакаленных алюминиевых сплавах с цирконием, хромом и железом при интенсивной пластической деформации кручением под давлением.
-
Получены сравнительные данные о деформационном растворении метастабильных алюминидов циркония и железа и стабильных алюминидов хрома, и определены критические степени деформации, при которых происходит образование пересыщенных алюминиевых твердых растворов.
-
Обнаружены высокая термическая стабильность ультрамикрокристаллической структуры и сохранение высокопрочного состояния при нагреве до температур Т~0,5Т„„., что обусловлено распадом пересыщенных твердых растворов, образованных при быстрой закалке расплава и интенсивной пластической деформации кручением под давлением.
Практическая ценность.
-
Полученные результаты и их анализ позволяют систематизировать и расширить представления о закономерностях фазовых и структурных превращений, протекающих в алюминиевых сплавах при различных внешних воздействиях;
-
Установленные особенности деформационного растворения алюминидов и образования пересыщенных твердых растворов могут быть использованы при получении объемных ультрамикрокристаллических и нанокристаллических материалов;
-
Обнаруженные эффекты высокой термической стабильности ультрамикрокристаллических материалов и сохранения высокопрочного состояния при их нагреве до 300С могут быть положены в основу разработки перспективной технологии производства конструкционных материалов на алюминиевой основе.
Основные результаты и положения, выносимые на защиту:
-
Экспериментальные данные об образовании метастабильных структурных состояний при быстрой закалке алюминиевых сплавов с переходными металлами, имеющих разные диаграммы состояния.
-
Особенности формирования ультрамикрокристаллической и нанокристаллической структуры в двухфазных быстрозакаленных алюминиевых сплавах с цирконием, хромом и железом при ИПД кручением под давлением.
-
Сравнительные данные о деформационном растворении метастабильных алюминидов Zr и Fe и стабильных алюминидов Сг, которое приводит к образованию пересыщенных алюминиевых твердых растворов.
4. Аномальное поведение деформированного материала при
низкотемпературном отжиге и его высокая термическая стабильность. Личный вклад автора
В работе при непосредственном участии автора получена значительная часть экспериментального материала:
подготовлены литые и быстрозакристаллизованные образцы бинарных и тройных алюминиевых сплавов с железом, цирконием и хромом для металлографических и электронно-микроскопических исследований; проведены изохронные и изотермические отжиги образцов из сплавов А1-Fe, Al-Cr, Al-Cr-Zr после их интенсивной пластической деформации кручением под давлением;
измерена твердость исследованных материалов после всех видов обработок (быстрой закалки расплава, интенсивной пластической деформации и отжига);
проведены исследования структуры быстрозакаленных и деформированных сплавов методами просвечивающей электронной микроскопии и сканирующей электронной микроскопии; выполнена математическая обработка полученных результатов с помощью материаловедческого комплекса с компьютерной приставкой «SIAMS-700», и построены зависимости линейных размеров и количества структурных составляющих сплавов после различных обработок материалов в жидком и твердом состояниях. Кроме того, диссертант внес вклад в обсуждение полученных результатов эксперимента.
Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием современных методов исследования структуры и фазового состава, включая просвечивающую электронную микроскопию, сканирующую злектронігую микроскопию и рентгеноструктурныи анализ, а также корреляцией основных результатов, полученных на сплавах различного состава. Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях: 22 Международный симпозиум по материаловедению (Дания, Роскиллд, 2001); VI Всероссийская конференция «Структура и свойства аустенитных сталей и сплавов» (Екатеринбург, 2001); XVI и XVII Уральские Школы металловедов -термистов (Уфа, 2002 и Киров, 2004); IX и X Международные семинары по дислокационной структуре и механическим свойствам металлов и сплавов (Екатеринбург, 2002, 2005); II, III, IV, V, VI и VII Молодежных семинарах по проблемам физики конденсированного состояния вещества (Екатеринбург, 2001, 2002, 2003, 2004, 2005 и 2006); XV и XVII Международные конференции «Физика прочности и пластичности материалов» (Тольятти, 2003 и Самара, 2006); X Семинар Азиатско-тихоакеанической академии
материалов и III Конференции «Материалы Сибири» (Новосибирск, 2003); Международная конференция по фазовым превращениям и прочности кристаллов (Россия, Черноголовка, 2004); I Всероссийская конференция по наноматериалам (Москва, 2004); 43 и 45 Международная конференция «Актуальные проблемы прочности» (Россия, Вологда, 2005 и Белгород, 2006); III Международная конференция по наноматериалам (Япония, Фукуоко, 2005).
