Влияние режимов старения и низкотемпературной термомеханической обработки на строение, характер выделения упрочняющих фаз, механические и коррозионные свойства сплавов системы Al-Mg-Si-Cu Сбитнева Светлана Викторовна

Введение к работе

Актуальность работы

Свариваемые коррозионностойкие сплавы типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu, содержащие 0,8-1,2 масс. % Cu, обладают уникальным сочетанием прочностных, эксплуатационных и технологических свойств. Поэтому в последние годы их применение в авиационной промышленности, в автомобильном транспорте и в других передовых отраслях все более расширяется. Однако, после старения на максимальную прочность, сплавы проявляют склонность к межкристаллитной коррозии (МКК). Для получения в этих сплавах сочетания высокой прочности с отсутствием склонности к МКК, необходимо установить закономерности формирования упрочняющих выделений, их морфологию, характер выделений и разработать соответствующие режимы старения и низкотемпературной термомеханической обработки (НТМО).

Согласно фазовой диаграмме для равновесного состояния сплавов системы Al-Mg-Si-Cu характерно присутствие двух фаз: кубическая Р - фаза (Mg₂Si) и гексагональная Q - фаза (Al₅Cu₂Mg₈Si₆). Фазы, в которых мотив расположения атомов Mg и Si напоминает их расположение в Р - фазе, называют фазами Р - типа. Фазы, в которых координация атомов Al, Mg, Si и Cu близка к координации этих атомов в равновесной Q - фазе, называют фазами Q - типа. Сведения об особенностях кристаллической структуры фаз Q - типа весьма противоречивы. Данные о том, какие тем-пературно-временные области соответствуют выделениям фаз Q - типа, в литературе отсутствуют. В настоящей работе вопросы кристаллической структуры фаз, формирующихся в процессе старения, изучаются в связи с прикладными задачами улучшения комплекса свойств сплавов системы Al-Mg-Si-Cu.

Цель работы

Научной целью работы является установление закономерности изменения кристаллической структуры упрочняющих выделений, механических и коррозионных свойств листов из сплавов типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu в зависимости от режимов старения и низкотемпературной термомеханической обработки. Для достижения поставленных целей сформулированы следующие задачи:

1. Разработать метод определения характеристик кристаллической структуры фаз Q - типа в сплавах типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu.

2. Для сплавов типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu построить диаграммы фазовых превращений при старении (ДФПС) и температурно-временные карты механических и коррозионных свойств. Установить тем-пературно-временные области существования упрочняющих фаз - и Q - типа.

3. На основе построенных диаграмм фазовых превращений при старении и температурно-временных карт механических и коррозионных свойств листов из сплавов типа 6013 и 1370 выбрать режимы ступенчатого старения и низкотемпературной термомеханической обработки, обеспечивающие при отсутствии склонности к межкристаллитной коррозии высокий уровень прочностных свойств ( 7 %, а_в 385 МПа, а_о2 340 МПа).

Научная новизна работы

1. С применением просвечивающей электронной микроскопии высо
кого разрешения и метода дефокусировки в сплавах типа 6013 и 1370 си
стемы Al-Mg-Si-Cu установлено существование неравновесных фаз
Q - типа (Qi', Q₂', Q₃', Q₄) с гексагональной кристаллической решеткой и
ориентационным соотношением [100]_Ai||[0001]_Q. Определены характери
стики кристаллической структуры (морфология, периоды решетки, габи
тус) упрочняющих выделений Q - типа (Qi', Q₂', Q₃', Q₄').

2. Методами просвечивающей электронной микроскопии, дифференциальной сканирующей калориметрии и рентгеновского фазового анализа в сплавах типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu установлены температурно - временные области существования неравновесных фаз Q - типа (Qi', Q₂', Q₃', Q₄'), образующиеся при распаде пересыщенного твердого раствора.

3. Установлено, что применение низкотемпературной термомеханической обработки в сплавах типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu приводит к смещению областей существования ''-, '- фаз и Qj'-, Q₂'-, Q₃'-, Q₄'- фаз в сторону более низких температур и коротких выдержек.

Практическая значимость работы

1. Для сплавов типа 6013 и 1370 системы Al-Mg-Si-Cu построены диаграммы фазовых превращений при старении и температурно-временные карты механических и коррозионных свойств.

2. На основании анализа построенных диаграмм фазовых превращений при старении и температурно-временных карт механических и коррозионных свойств для листов сплава типа 6013 выбран ступенчатый режим старения 170 С, 1,5 ч + 200 С, 4 ч, обеспечивающий снижение чувствительности к межкристаллитной коррозии при высоких прочностных характеристиках.

Для сплава типа 6013 выбран режим низкотемпературной термомеханической обработки 170 С, 1,5 ч + = 20 % + 200 С, 4 ч, позволивший исключить склонность сплава к межкристаллитной коррозии при сохранении высокого уровня прочностных характеристик.

3. На основании анализа построенных диаграмм фазовых пре
вращений при старении и температурно-временных карт механических и
коррозионных свойств для листов сплава 1370 выбран ступенчатый режим
старения 145 С, 17 ч + 165 С, 15 ч, позволивший понизить чувствитель-

ность сплава к межкристаллитной коррозии и повысить прочностные характеристики. Режим рекомендован для изготовления корпусов приборов космической техники, применяемой в системе «ГЛОНАСС».

Для сплава 1370 выбран режим низкотемпературной термомеханической обработки 145 С, 17 ч + = 20 % + 165 С, 15 ч, позволивший исключить склонность к межкристаллитной коррозии при сохранении высокого уровня прочностных характеристик.

Положения, выносимые на защиту

1. Определение кристаллической структуры, ориентационных соот
ношений, морфологии и габитуса неравновесных Q₁'-, Q₂'-, Q₃'-, Q₄'- фаз.

2. Построение диаграмм фазовых превращений при старении сплавов
типа 6013 и 1370 системы Al–Mg–Si–Cu, температурно-временных карт
механических и коррозионных свойств, выбор на их основе режимов сту
пенчатого старения и низкотемпературной термомеханической обработки.

Личный вклад автора состоит в обобщении структурных данных, разработке метода определения характеристик фаз Q - типа, сходных по кристаллической структуре, установлении связи структурных особенностей материала со свойствами. Это позволило осуществить системный подход к выбору ступенчатого старения и низкотемпературной термомеханической обработки.

Достоверность полученных результатов обеспечивается применением современных методов исследований, использованием современного испытательного, аналитического, исследовательского оборудования, методик, аттестованных государственной и международной службами стандартизации и метрологии.

Апробация работы

По материалам диссертации сделано 8 докладов: на 15 Уральской школе металловедов–термистов, г. Екатеринбург, 2000 г.; на Международной конференции по Al-сплавам «International Conference on Aluminum Alloys, ICAA» 2002 г.; на Международной конференции JUNIOR EUROMAT, Lausanne, 2004 г.; на Международную научно-техническую конференцию «Современные проблемы металловедения сплавов цветных металлов», г. Москва, МИСиС, 2009 г.; на 12 международной конференции по алюминиевым сплавам «ICAA-12», Йокогама, Японский Институт легких металлов, 2010 г.; на VIII Всероссийской конференции по испытаниям и исследованиям свойств материалов «ТестМат», ФГУП «ВИАМ», 2016 г.; на научно-технической конференции «Металловедение и современные разработки в области технологий литья, деформации и термической обработки легких сплавов», ФГУП «ВИАМ», 2016 г.;

на XXVI Российской конференции по электронной микроскопии, г. Москва, Зеленоград, 2016 г.

Публикации

По результатам исследований опубликовано 10 печатных работ, из них 8 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации