Онно-твердеющих сплавов в основе своей связано с разработкой и исследованием высокопрочных алюминиевых сплавов, начиная от работ Гинье-Престона и других

Вид материала

Исследование

Содержание Материалы и методы исследования. Химический состав сплавов системы Al–Mn Результаты и обсуждение. Фазово-структурные диаграммы Список литературы

Подобный материал:

• Тема: сварка алюминия и его сплавов, 56.75kb.
• Технические возможности производств Литейное производство, 219.58kb.
• Флюсы и рециклинг алюминия, 130.43kb.
• «производство отливок из сплавов цветных металлов», 38.25kb.
• Жаропрочность платины, палладия и их сплавов, 427.22kb.
• Гост 1639-78: лом и отходы цветных металлов и сплавов общие технические условия, 1661.44kb.
• Рекомендовано Минобразованием России для направления подготовки диплом, 88.34kb.
• Особенности упругих констант жаропрочных сплавов, 208.21kb.
• Технологические и металлургические особенности лазерной сварки современных авиационных, 212.71kb.
• Тема: «изменение агрегатных состояний вещества» интересно и полезно знать, что, 127.05kb.

А.В. ШУЛЬГА

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ»


МЕТАСТАБИЛЬНЫЕ РАВНОВЕСИЯ И ОБРАЗОВАНИЕ

ВЫДЕЛЕНИЙ КВАЗИКРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ ФАЗЫ

В БЫСТРОЗАКАЛЕННЫХ СПЛАВАХ СИСТЕМЫ Al-Mn


В работе используется термодинамический подход к анализу структурно-фазового состояния с использованием понятия быстрозакаленных сплавов. Анализ данных по электронной микроскопическопии сплавов системы Al–Mn в виде тонких фольг, полученных расплющиванием капли расплава, позволил установить образование квазикристаллической фазы и, следовательно, подтвердил обоснованное использование термина быстрозакаленные, а не быстрозакристаллизованные сплавы.


Физическое металловедение дисперсионно-твердеющих сплавов в основе своей связано с разработкой и исследованием высокопрочных алюминиевых сплавов, начиная от работ Гинье–Престона и других авторов. Разработка новых современных перспективных высокопрочных сплавов, получаемых методами высокоскоростного охлаждения расплава, также в значительной степени определяется результатами исследования алюминиевых сплавов. Значительный вклад в этом актуальном направлении внесен Всероссийским институтом легких сплавов, который представлен рядом монографий по изучению структуры, свойств и метастабильных равновесий в широком спектре сплавов на основе алюминия, в частности систем Al–Mn, Al–Cr, Al–Cr–Zr. В этих трудах объект исследования определяют термином быстрозакристализованные сплавы 1, 2, и сплавы систем Al–Mn, Al–Cr, Al–Cr–Zr, изучению которых уделено достаточно большое внимание, при скоростях охлаждения расплава до 10⁸ К/с классифицируются как быстрозакристализованные.

В то же время в научно-технической литературе имеются работы по исследованию сплавов системы Al–Mn, полученных с высокими скоростями охлаждения расплава, в которых приводятся результаты, свидетельствующие о формировании метастабильных квазикристаллических фаз 3–5.

Термодинамический подход к анализу структурно-фазового состояния таких сплавов с использованием понятия быстрозакаленные позволяет использовать представления о метастабильных диаграммах равновесия, об устойчивости расплавов к переохлаждению, критической скорости охлаждения при закалке (склонности к аморфизации, образованию наноразмерных структур), применять обобщенные T-T-T-диаграммы. В связи с этим в настоящее время в литературе 4, 5 обоснованно используют термин «быстрозакаленные сплавы», определяющий расширение классического металловедческого понятия закалки как операции, фиксирующей при низкой температуре высокотемпературное состояние. В соответствии с этим возможны условия осуществления этой операции, когда имеет место неполное (частичное) подавление нормального фазового превращения, т.е. предполагается возможность фиксирования не только истинно быстрозакаленного аморфного состояния, но и квазикристаллического, нанокристаллического и микрокристаллического состояний. Для примера, подтверждающего возможность такого подхода, можно привести операции бейнитной и изотермической закалки при традиционной термической обработке сталей 6. В связи с этим весьма важным и актуальным является вопрос об уточнении представлений о структуре сплавов и метастабильных равновесиях в системе Al–Mn при использовании методов высокоскоростного охлаждения расплава.

Материалы и методы исследования. В работе проведен анализ результатов исследования структуры и фазового состава сплавов системы Al–Mn, полученных методом высокоскоростного охлаждения тонкой пленки расплава при расплющивании ее между массивными металлическими пластинами и на быстровращающемся медном диске. Химический состав исследованных сплавов системы Al–Mn охватывает широкий интервал составов: 0,5; 1,5; 3; 5; 8,7; 10,1; 11,7; 15,9; 16,7; 20; 23,5 % мас. Mn. Химический состав некоторых сплавов системы Al–Mn приведен в таблице.

Образцы в виде фольг-чешуек толщиной 20–40 мкм, характеризуются скоростью охлаждения 10⁶ К/с, а участки чешуек толщиной 0,1–0,3 мкм более высокой скоростью –10⁸ К/с. Для охлаждения алюминия на медной подложке принимался коэффициент теплоотдачи 200 кВт/м²  К.


Химический состав сплавов системы Al–Mn

Состав	Al, масс %	Mn, масс %	Al, ат %	Mn, ат %
Сплав 1	88,3	11,7	93,9	6,1
Сплав 2	84,1	15,9	91,5	8,5
Сплав 3	80	20	89,1	10,9

Применение метода просвечивающей электронной микроскопии при ускоряющем напряжении 100 кВ позволяло исследовать тонкую (электронно-микроскопическую) структуру участков чешуек толщиной 0,1–0,3 мкм без их дополнительного утонения, поскольку фольги алюминиевых сплавов такой толщины прозрачны для электронов с энергией 100 кэВ.

Результаты и обсуждение. Высокоскоростное охлаждение расплава приводит к формированию структурно-фазового состояния сплавов системы Al–Mn характеризующегося наличием метастабильного равновесия, которое представлено в виде диаграммы метастабильного равновесия на рис. 1,а.





Рис. 1. Диаграмма метастабильного равновесия сплавов системы Al–Mn (а). Линии метастабильного равновесия проведены пунктиром. Фазово-структурная диаграмма системы Al–Mn (б)


В зависимости от скорости охлаждения положение эвтектической горизонтали изменяется, причем линии ликвидуса и солидуса метастабильной диаграммы состояния являются продолжением в направлении второго компонента соответствующих линий равновесной системы. Сравнение равновесной и метастабильной диаграмм состояния приводит к следующим выводам. Во-первых, при высоких скоростях охлаждения в заэвтектических сплавах можно предотвратить образование первичных кристаллов второго компонента или его соединения и получить квазиэвтектику или даже квазидоэвтектическую структуру. Во-вторых, в твердом растворе может быть повышена концентрация второго компонента по сравнению с максимальной растворимостью по равновесной диаграмме состояния и получен твердый раствор для составов, которые при кристаллизации по равновесной диаграмме состояния имеют в структуре эвтектику. Аномальное пересыщение при теоретическом рассмотрении с использованием диаграмм состояний может быть результатом бездиффузионной кристаллизации.

Влияние скорости охлаждения расплава на структуру быстрозакаленных сплавов алюминия эвтектических систем имеет немонотонный характер. Количество неравновесной эвтектики в зависимости от скорости охлаждения меняется по кривой с максимумом, что согласуется с общим немонотонным характером зависимости химической неоднородности сплавов от скорости охлаждения.

Фазово-структурные диаграммы, которые составляются по результатам микроструктурного, электронно-микроскопического, рентгеноструктурного, исследования структуры в координатах: скорость охлаждения – состав сплава и дают представление о некоторых областях метастабильных диаграмм состояния быстрозакаленных сплавов на основе алюминия, также под­тверждают этот вывод. Их можно назвать также диаграммами фазовых областей кристаллизации, поскольку определяют области, через которые проходит сплав в процессе затвердевания. Фазово-структурная диаграмма системы Al–Mn представлена на рис. 1,б. Заэвтектический (по равновесной диаграмме) сплав при определенной скорости охлаждения начинает кристаллизоваться как доэвтектический, а затем при дальнейшем ее повышении – по типу твердых растворов.

Электронно-микроскопические снимки прозрачных для электронов 100кэВ фольг сплавов 1– 3 системы Al–Mn приведены на рис. 2 и 3.





а

б




Рис. 2. Квазикристаллические выделения в быстрозакаленном сплаве системы Al–Mn

(сплав состава 1, 94Al–6Mn): а, б – звездообразная форма


В системе Al–Mn выявлен ряд метастабильных фаз с составом, близким к соединению (стехиометрии) Al₄Mn. В зависимости от условий затвердевания образуются декагональная и икосаэдрическая квазикристаллические, аморфная фазы. Упорядочение ближнего порядка в переохлажденном расплаве с образованием кластеров-икосаэдров способствует образованию квазикристаллических фаз. Объединение одного и того же икосаэдрического элемента (кластера типа икосаэдра Маккея) приводит к образованию различных фаз, близких по составу Al₄Mn и различной морфологии выделений, например для икосаэдрической фазы: в ограненном виде додекаэдра 0,5 мкм в сплаве Al–4 ат.% Mn или или пятиконечной звезды 0,5 мкм с повышением содержания, при большем содержании Mn образуются неограненные кораллоподобные (coral-like) или цветообразные (flower-shaped ветви без предпочтительной их кристаллографической ориентации с характерным дырчатым контрастом. При ориентационном упорядочении икосаэдрических кластеров и отсутствии трансляционной симметрии образуются указанные квазикристаллические фазы, а при нарушении ориентационного упорядочения – аморфная фаза, что связывают с формированием икосаэдрических кластеров в переохлажденном расплаве. Эти результаты можно трактовать тем, что в переохлажденном расплаве происходит короткодействующее икосаэдрическое упорядочение. Это упорядочение может препятствовать зарождению стабильных фаз и стать причиной достижения большого переохлаждения расплава. Образование квазикристаллических фаз более вероятно вследствие того, что их структура более близка к структуре расплава, чем у кристаллических фаз.





б

а




Рис. 3. Квазикристаллические выделения в быстрозакаленных сплавах системы Al–Mn:

а – цветообразные (flower-shaped, сплав состава 2, 91Al–9Mn); б – кораллоподобные (coral-like) дендритные ветви с перфорированным контрастом (сплав состава 3, 89Al–11Mn)


Таким образом, анализ структурно-фазового состояния сплавов системы Al-Mn, полученных методом высокоскоростного охлаждения расплава, позволил установить наличие метастабильных выделений, атомарная структура которых не является кристаллической, поскольку не отвечает требованию трансляционной инвариантности. Ориентационное упорядочение структурных элементов-кластеров этих выделений приводит к образованию выделений, в частности с симметрией оси 5-го порядка, квазикристаллической структуре с новыми характерными типами цветообразной (flower-shaped) кораллоподобной (coral-like) морфологии. Полученные результаты подтверждают необходимость использования для алюминиевых сплавов, полученных высокоскоростным охлаждением расплава, термина «быстрозакаленные сплавы» вместо «быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы».


СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ


1. Бондарев Б.И., Шмаков Ю.В. Технология производства быстрозакристаллизованных алюминиевых сплавов. М.: ВИЛС, 1997.

2. Добаткин В.И., Елагин В.И., Федоров В.М. Быстрозакристаллизованные алюминиевые сплавы.
М.: ВИЛС, 1995.

3. Murray J.L., McAlister A.J., Schefler R.J. et al. // Met. Trans. 1987. V. 18A. P. 385.

4. Фаткуллин О.Х., Строганов Г.Б., Ильин А.А. и др. Металловедение и технология быстрозакаленных сплавов: Учебник для вузов в 2 кн. М.: Изд-во МАИ, 2007.

5. Ильин А.А. Строганов Г.Б., Фаткуллин О.Х., и др. Структура и свойства быстрозакаленных сплавов:под общ. ред. чл.-корр. РАН А.А. Ильина. М.: Альтекс, 2008.

6. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.: Металлургия, 1986.