РАЗДЕЛ 2
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Поскольку в данной диссертационной работе предполагалось исследовать особенности механического поведения, структурного состояния и механизмов деформации образцов сплавов на основе алюминия, деформированных при высоких гомологических температурах, в тех температурно-скоростных условиях, при которых они проявляют эффект ВССП, то в качестве объектов исследований были выбраны высокопрочный алюминиево-литиевый сплав 1460, обладающий стабильной к огрублению ультрамелкозернистой структурой и термически неупрочняемый сплав АМг6, для образцов которого, кроме наличия ультрамелкозернистой структуры, характерна также и относительная стойкость поверхности рабочей части к окислению в ходе СПД.
2.1. Механические характеристики, структура, химический и фазовый составы образцов высокопрочного алюминиево-литиевого сплава 1460
Для конструкционных материалов, которые применяются в авиастроении и транспортном машиностроении, важными характеристиками являются плотность и удельный модуль упругости. Именно поэтому конструкционные многокомпонентные алюминиевые сплавы, содержащие в качестве легирующих добавок литий и другие элементы, находят все более широкое применение в данных отраслях машиностроения, поскольку они обладают пониженной плотностью и повышенным удельным модулем упругости по сравнению с другими, традиционно используемыми конструкционными алюминиевыми сплавами [117-122]. Такие их свойства, прежде всего, обусловлены тем, что каждый массовый процент лития, введенного в алюминий, снижает плотность алюминия на 3% и повышает его модуль упругости на 6% [117,119,122]. Анализ литературы по проблеме практического использования эффекта ССП показывает, что некоторые из этих сплавов являются перспективными для использования в новых безотходных технологических процессах формовки деталей со сложной формой, основанных на использовании эффекта ССП [119-121].
В [117,119,120,122] указано, что научным коллективом под руководством академика И.Н. Фридляндера разработаны промышленные алюминиевые сплавы с литием трёх систем Al-Li-Mg, Al-Li-Cu-Mg, Al-Li-Cu. Они характеризуются пониженной плотностью (2,52-2,63 г/см3) и повышенным модулем упругости (80 ГПа).
К системам Al-Li-Cu-Zr и Al-Li-Cu-Zr-Sc относятся сплавы 1450 (Al-2,64%Cu-2,2%Li-0,12%Zr, % массовые) и 1460 (Al-2,64%Cu-2,2%Li-0,12%Zr-0,12%Sc-0,15%Fe-не более 0,1%Si, % массовые) ?117,119,120?, один из которых, а именно, сплав 1460 исследован в настоящей работе. Эти сплавы уже нашли применение в аэрокосмической промышленности и являются перспективными для дальнейшего использования.
Поскольку все сложнолегированные алюминиево-литиевые сплавы в обычных условиях обладают малой пластичностью ?117,119?, то актуальными являются исследования, направленные на установление температурно-скоростных условий проявления ими эффектов ССП и ВССП и на изучение влияния их структурного состояния и фазового состава на прочность, пластичность и стабильность УМЗ структуры в ходе СПД.
В бинарных дисперсионно-твердеющих сплавах на основе алюминия, как правило, трудно сформировать термически стабильную ультрамелкозернистую структуру и избежать увеличения среднего размера зерна во время их СПД. Разработчики СП сплавов для предотвращения огрубления зеренной структуры при высоких гомологических температурах легируют сплавы элементами, которые образуют с алюминием дисперсные частицы второй фазы. Для этого, прежде всего, используют цирконий, образующий фазу Al3Zr, дисперсные частицы которой при температуре вплоть до 773 К огрубляются очень медленно. Установлено, что цирконий особенно хорошо измельчает зерно в алюминиевых сплавах в присутствии меди [2,4,5].
К алюминиевым сплавам цирконий добавляют в количестве 0,1?0,2% (массовый состав) как антирекристаллизатор и модификатор, измельчающий зерно. Но уже при этом количестве он может создавать с алюминием когерентную метастабильную фазу Al3Zr [4,5,117,119]. В литературе её называют ??-фазой [117,119].
Легирование алюминиевых сплавов 0,2% Sc существенно повышает их прочностные характеристики. Скандий, как и цирконий, является интенсивным модификатором сплавов Al-Li, измельчающим зерно ?119,123,124?. Он имеет малую растворимость в алюминии (массовый состав 0,2?0,3%Sc) [119,123,124]. В сплавах Al-Sc, в богатой алюминием части диаграммы состояния в равновесии с алюминиевым твердым раствором находится интерметаллидное соединение Al3Sc [119,123,124]. Условно его называют ??-фазой, так как оно изоморфно ?-твердому раствору. Поэтому первичные частицы ??-фазы обладают сильнейшим модифицирующим действием при кристаллизации легированных скандием алюминиевых сплавов и вызывают измельчение зеренной структуры слитка. Наряду с сильным модифицирующим эффектом скандий оказывает в сплаве и антирекристаллизационное воздействие, которое превышает соответствующий эффект, который обычно проявляется при наличии в алюминиевых сплавах наиболее часто используемых антирекристаллизаторов алюминия: Mn, Cr и Zr [5,119,123,124]. Вторичные дисперсные частицы ??-фазы, выпадающие из пересыщенного твердого раствора при термической обработке, долго сохраняют когерентную связь с матрицей и очень медленно растут. Они закрепляют границы зерен и дислокационные субграницы, что способствует формированию в деформированных образцах сплавов мелкой равномерной ячеистой дислокационной субструктуры и ультрамелкозернистой зеренной структуры, обладающих высокой термической стабильностью при повышенных температурах. Это приводит к резкому возрастанию температуры рекристаллизации, что позволяет сохранять в полуфабрикатах и изделиях мелкозернистую структуру и, в частности, обеспечить сверхпластичное поведение сплавов при очень высоких гомологических температурах, то есть в тех условиях, в которых образцы других алюминиевых сплавов, легированных обычными элементами - антирекристаллизаторами, уже не проявляют эффект ССП из-за интенсивного роста зерен в результате осуществления соби