Влияние холодной деформации на структуру и механические

ВИАМ/1995-201964
Влияние холодной деформации на структуру и
механические свойства листов сплава 1430
В.С. Сандлер
Т.И. Никольская
Н.И. Колобнев
Л.Б. Хохлатова
Ноябрь 1995
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной
техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале «Металловедение и термическая обработка металлов»,
№4, 1996г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Влияние холодной деформации на структуру и механические
свойства листов сплава 1430
В.С. Сандлер, Т.И. Никольская, Н.И. Колобнев, Л.Б. Хохлатова
Всероссийский институт авиационных материалов
Алюминиевые сплавы с литием являются перспективным легким
металлическим сплавом для авиационной и космической техники. В
настоящее время уже разработано около 10 алюминиевых сплавов,
легированных литием. Эти сплавы выделяются среди других алюминиевых
сплавов повышенной жесткостью при пониженной плотности и высоком
уровне прочностных характеристик. Недостаток сплавов – пониженная
пластичность, в частности, низкое относительное удлинение. Этого
недостатка лишен сплав 1430, который характеризуется весьма высокой
пластичностью,
особенно
листы
с
полностью
рекристаллизованной
структурой. В статье исследовали влияние предварительной холодной
деформации на рост зерна в процессе закалки и свойства листов из сплава
1430 в различных состояниях. Кроме того, оценивали влияние деформации
между закалкой и искусственным старением на свойства этого сплава.
Исследования проводили на промышленных листах из сплава 1430
(2,7% Mg; 1,7% Li; 1,6% Сu; 0,1% Zr) толщиной 1,5 мм с технологической
плакировкой, полученных методом рулонной прокатки. Листы имели
полностью рекристаллизованную структуру с зерном, вытянутым в
сердцевине и близком к равноосному (d 3 =25 мкм) в приповерхностных слоях
толщиной, равной 1/3 толщины листа (рис. 1).
Рисунок 1. Микроструктура листа из сплава 1430, ×50
Склонность к росту зерен при собирательной рекристаллизации оценивали
после деформации листов в состоянии поставки вдавливанием стального
шарика или изгибом на 90° и последующей закалки от 525°С (10 мин).
Изменение размера зерна в зависимости от степени деформации обжатием
при
вдавливании
шарика
наблюдали
только
в
небольшой
области
приповерхностного слоя. Рост зерна незначителен: от 25 (в недеформированной
зоне) до 40 мкм (деформация с ε=30%). Заметный рост зерна до d max=60 мкм
происходит при критической степени деформации εкр =4%.
Сравнительно тонкие области (толщиной 0,5 мкм) выросшего зерна
наблюдали и в случае изгиба. Они обнаружены в приповерхностных слоях в
вогнутой и выпуклых участках образца с деформацией сжатия и растяжения
соответственно. Размер зерна при критической степени деформации также не
превышал 60 мкм.
На основании полученных результатов можно сделать вывод, что сплав
1430 с рекристаллизованной структурой малочувствителен к росту зерна.
Малая склонность к собирательной рекристаллизации характерна и для
других сплавов, легированных литием и цирконием.
Исследовали влияние нагартовки на свойства листов сплава 1430 в
зависимости от его исходного состояния. Листовые заготовки, вырезанные в
продольном направлении к направлению прокатки, подвергали деформации
растяжением со степенью от 0 до 12%. Заготовки деформировали в трех
состояниях: 1 – закалка (в лабораторных условиях); 2 – естественное
старение (Т); 3 – искусственное старение (T1) по оптимальному режиму *:
100°С 3 ч + 140°С 25 ч.
После легкой шлифовки заготовок в плоскости прокатки наблюдали
линии Людерса после нагартовки по всем исследуемым вариантам. Эти
линии ориентированы под углами ±60° к направлению прокатки. Во всех
случаях на одном и том же участке заготовки выявлялись только полосы
одной системы скольжения.
Скольжение в свежезакаленном и естественно состаренном состоянии
осуществляется более интенсивно, чем в искусственно состаренном. В
первом случае полосы уже заметны после деформации с ε=2–3% и хорошо
выявляются после деформации с ε=5–10%. В искусственно состаренном
состоянии полосы скольжения становятся заметны только после растяжения
со степенью ε≥5%.
На рис. 2 приведены кривые зависимости свойств листов из сплава 1430
от степени холодной деформации растяжением (кривые нагартовки). Как и у
традиционных алюминиевых сплавов, темп приращения предела текучести
сплава 1430 выше, чем временного сопротивления разрыву. Независимо от
состояния листов перед растяжением увеличение прочностных свойств
сплава во всех случаях примерно пропорционально степени деформации. В
интервале ε=0–8% коэффициент упрочнения составляет 0,4–0,45 (для σ в ) и
1,45–2,0 (для σ 0,2 ). Наибольшее увеличение предела текучести наблюдается в
свежезакаленном состоянии.
Колобнев Н.И., Хохлатова Л.Б. Свойства и структура листов из сплава 1430 // Технологии легких
сплавов. 1992. № 1. С. 47–50.
*
Рисунок 2. Зависимость механических свойств листов из сплава 1430
от степени холодной деформации при растяжении. Состояние листов
перед деформацией: • – закалка, правка, естественное старение (Т);
× – закалка, правка, искусственное старение (T1); ○ – повторная закалка
Кривые изменения прочностных свойств по мере увеличения степени
деформации сближаются, поэтому отношение σ 0,2 /σ в возрастает. У образцов
в состоянии Т и T1 при увеличении степени деформации от 0 до 8% σ 0,2 /σ в
растет от 0,65–0,7 до 0,9. При этом сохраняется высокое относительное
удлинение. Даже после растяжения состаренных образцов с ε=8%
относительное удлинение в продольном направлении на исследованном
материале составляет 16 и 12% для состояний Т и T1 соответственно.
Высокое
относительное
удлинение
свидетельствует
о
высокой
штампуемости сплава. На исследуемых листах минимальный радиус гиба
составляет 1,5S для состояния Т и 1,2S для свежезакаленного состояния (где S –
толщина листа).
Таким образом, нагартовка искусственно состаренного сплава является
возможным способом дополнительного упрочнения. Она обеспечивает
повышение прочностных свойств, особенно предела текучести, при
снижении относительного удлинения; δ уменьшается примерно на 0,7% на
каждые 10 Н/мм2 предела текучести.
Сплав 1430 в свежезакаленном состоянии, как и традиционные
алюминиевые сплавы, обладает пониженными прочностными свойствами
при наибольшей пластичности. Определяли эффект старения – изменение
свойств сплава в результате старения. Эффект искусственного старения
превышает эффект естественного старения. Так, ∆σ в =70 и 90 Н/мм2, а ∆σ 0,2 –
100 и 130 Н/мм2 для состояний Т и T1 соответственно. В обоих случаях
приращение предела текучести выше, чем временного сопротивления
разрыву. При переходе от естественного к искусственному старению
отношение σ 0,2 /σ в повышается незначительно: от 0,65 до 0,7. Это характерно
для сплавов, упрочняемых при искусственном старении преимущественно
частицами δ′-фазы с решеткой сверхструктуры, легко перерезаемыми
дислокациями. Сплав 1430 в обоих состояниях характеризуется высокой
пластичностью (δ=20–23%).
Исследовали влияние деформации между закалкой и старением на
свойства листов сплава 1430. В таблице приведены его свойства после
закалки от 525°С (10 мин), деформации с различной степенью и
искусственного старения при 100°С 3 ч + 140°С 25 ч.
ε, %
σв
σ 0,2
δ, %
285
320
350
360
375
390
21,5
19,0
17,0
15,5
15,0
14,5
Н/мм2
0
2
4
8
10
12
425
435
450
450
470
475
Видно, что при увеличении степени деформации временное сопротивление
разрыву увеличивается незначительно. Предел текучести и относительное
удлинение сплава изменяются более интенсивно, чем σ в (см. таблицу).
Если предположить, что упрочнение холоднодеформированного и
искусственно
состаренного
сплава
является
арифметической
суммой
эффектов нагартовки свежезакаленного сплава и последующего старения, то
появляется
возможность
выделить влияние
на
свойства
собственно
искусственного старения. Сравнение деформационных кривых изменения
суммарных и раздельных эффектов нагартовки и старения (рис. 3) показало,
что холодная деформация закаленного материала при выбранном режиме
старения уменьшает упрочнение при старении, особенно по пределу
текучести. Основной вклад в суммарный эффект упрочнения (∆σ 0,2 ) при
ε<4% вносит собственно старение, а при ε>4% – нагартовка. Влияние
деформации на ∆σ в незначительно.
Рисунок 3. Зависимость изменения временного сопротивления разрыву (∆σ в )
и предела текучести (∆σ 0,2 ) от степени холодной деформации растяжением между
закалкой и искусственным старением листов из сплава 1430: а – суммарный эффект
нагартовки и старения (×); б – раздельные эффекты нагартовки (•) и старения (○)
Следует отметить, что в процессе старения нагартованного материала при
140°С происходит определенная релаксация напряжений и, следовательно,
снижение эффекта нагартовки.
Таким образом, холодная деформация сплава 1430 после закалки не
приводит к увеличению эффектов упрочнения при старении по выбранному
режиму. Это связано с тем, что деформация перед старением по указанному
режиму мало влияет на последующее выделение полностью когерентной
σ′-фазы, образующейся, как правило, гомогенно и являющейся основной
упрочняющей фазой в сплаве 1430. В отличие от сплава 1430 другие сплавы,
также содержащие магний, медь и литий (1440 и 1441), но отличающиеся от
него по содержанию легирующих элементов и выбранных режимов старения,
упрочняются
не
только
но
σ′-фазой,
и
пластинчатыми
частицами
S′(Аl 2 СuMg)-фазы, зарождающейся преимущественно гетерогенно.
Таким образом, показано, что сплав 1430 с рекристаллизованной
структурой
мало
склонен
к
росту
зерен
при
собирательной
рекристаллизации: после критической деформации со степенью ε=4% в
процессе закалки рекристаллизованное зерно в листах растет от 25 до 60 мкм.
Увеличение степени деформации растяжением от 0 до 12%, проводимой
между закалкой и искусственным старением, вызывает монотонное
повышение σ в и σ 0,2 на 50 и 105 Н/мм2 соответственно и снижение
относительного удлинения на 7%.
Высокое относительное удлинение, характерное для сплава 1430,
особенно для листов с рекристаллизованной структурой, определяет его
высокие характеристики штампуемости в состоянии поставки (закалка,
правка,
естественное
значительными
старение)
степенями
в
и
возможность
естественно
деформации
состаренном
со
состоянии.
Ограниченная нагартовка возможна и в искусственно состаренном состоянии
для дополнительного упрочнения сплава.