ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ХАРАКТЕР НАГАРТОВКИ СПЛАВОВ АМГ10 И Д16

Гречников Ф.В.¹, Носова Е.А. ²

¹Доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАН, ² – кандидат технических наук, доцент, Самарский государственный аэрокосмический университет им.ак.С.П.Королёва (Национальный исследовательский университет)

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕКРИСТАЛЛИЗАЦИИ НА ХАРАКТЕР НАГАРТОВКИ СПЛАВОВ АМГ10 И Д16

Аннотация

В работе изучен характер упрочнения алюминиевых сплавов в зависимости от степени рекристаллизации и предварительной нагартовки. Установлено, что в зависимости от полноты протекания рекристаллизации изменяется характер кривых упрочнения первого рода. Полученные уравнения могут быть использованы в качестве оценки состояния сплавов касательно степени их рекристаллизации на этапе производства из них заготовок методами листовой штамповки.

Ключевые слова: алюминиевые сплавы, нагартовка, полигонизация, рекристаллизация, кривые упрочнения.

Grechnikov F.V.¹, Nosova E.A.²

¹Full Doctor in Technique, Professor, academician, ²Ph.D. in techniques, Associate Professor, Samara State Aerospace University (National Research University)

RESEARCH OF RECRYSTALLIZATION INFLUENCE ON THE TYPE OF COLD DEFORMATION OF ALLOYS AL-MG10 AND 2024

Abstract

In paper the of aluminum alloys hardening curves tendency depending on the recrystallization ratio and prior cold work is studied. It was found that, first type flow curves depending on the completeness of the recrystallization varies. These equations can be used as evaluation of alloys on their degree of recrystallization during the production by stamping methods.

Keywords: aluminum alloy, cold work, polygonization, recristallization, hardening curve.

Введение. Технологические свойства деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов после нагрева зависят от полноты протекания процессов возврата и рекристаллизации [1]. Её оценка по эффективности снижения механических свойств или изменения размера зерна не всегда корректна, т.к. размера зерна при рекристаллизации определяется многими факторами (степенью нагартовки, температурой и скоростью нагрева, продолжительностью выдержки при заданной температуре) и может вызывать как разурочнение, так и упрочнение за счёт увеличения дисперсности структуры. Кроме того, пороговые значения температуры первичной рекристаллизации определены в основном для чистых металлов, деформированных с большими степенями. Для сплавов эти сведения определяются на практике и зависят не только от технологических рекомендаций, но также и от принципа работы нагревательных устройств, предназначенных для отжига [2]. Целью данного исследования явилось изучение характера кривых упрочнения листовых заготовок из сплавов АМг10 и Д16, предварительно деформированных с различными степенями и отожжённых при температурах, соответствующих возврату и рекристаллизации.

Методика проведения исследований

Для проведения испытаний были выбраны листовые заготовки исследуемых сплавов, химический состав которых приведён в таблице 1, полученный в результате микроисследования образцов на электронном микроскопе. Из серединной части листа вырезались образцы (по ГОСТ 1487) в продольном и поперечном направлении относительно оси прокатки.

Далее образцы подвергались полному отжигу для выравнивания структуры. Температура отжига сплавов: Д16 - 360±5^ОС; АМг10 -470±5^ОС. Продолжительность выдержки – 30 минут для всех образцов.

Таблица 1 - Химический состав исследуемых сплавов [3]

Сплав	Массовая доля элементов, %
	Cu	Mg	Mn	Si	Zn	Ti	Fe
АМг10	-	10,1	Be 0,05	B 0,01	Zr 0,1	0,5	Co 0,015
Д16	4,1	1,5	0,4	0,3	0,05	-	0,3

Термически обработанные образцы растягивали на испытательной машине с регистрацией индикаторных диаграмм. Степени деформации выбирались таким образом, чтобы можно было создать не менее 3 вариантов нагартовки. Для этого образцы каждого сплава растягивали до разрушения, полученные значения делили на 3-5 (в зависимости от предельных характеристик сплавов), в результате чего получали необходимые для испытания значения предварительной деформаций.

Далее проводили отжиг при различных температурах, соответствующих полигонизации и первичной рекристаллизации:

- для сплава Д16: 1) нагрев печи до 450 ⁰С, выдержка в течение 30 минут, охлаждение в воде, 2) нагрев печи до 350 ⁰С, выдержка 30 минут, охлаждение в воде;

- для сплава АМг10: 1) нагрев печи до 430 ⁰С, выдержка в течение 30 минут, охлаждение в воде, 2) нагрев печи до 350 ⁰С, выдержка в течение 30 минут, охлаждение в воде [4].

После чего проводили испытания на одноосное растяжение и построение кривых упрочнения I рода. Для экспериментальных точек выбирались уравнения логарифмической аппроксимации вида σ_i = A*Lnε_i⁺ σ₀. Выбор других видов функций приводил либо к отсутствию закономерностей их изменения в зависимости от режимов обработки (деформирования и отжига), либо к большой погрешности.

Результаты исследований

Полученные кривые упрочнения, построенные по усреднённым значениям данных на основании их нормального распределения, представлены на рисунках 1 и 2, уравнения аппроксимации – в таблицах 2 и 3.

Рисунок 1 – Экспериментальные точки и кривые аппроксимации сопротивления деформированию (эквивалентных напряжений) образцов из сплава Д16.

Как видно из рисунка 1, кривые упрочнения сплава Д16 по мере роста степени предварительной нагартовки смещаются влево вверх, что свидетельствует о сохранении накопленной искажённости структуры, несмотря на проведение отжига. Для количественной оценки характера упрочнения рассмотрим уравнения аппроксимации, представленные в таблице 2.

Таблица 2 - Уравнения аппроксимации для кривых упрочнения, представленных на рисунке 1

№ кривой	Уравнение степенной аппроксимации	Коэффициент корреляции	Состояние	Степень предварительной нагартовки, %
1	σi=8,1Ln(εi) + 267	R2 = 0,84	нагартованное	6
2	σi= 13,3Ln(εi) + 260	R2 = 0,93	полигонизация	6
3	σi= 22,3Ln(εi) + 235	R2 = 0,99	рекристаллизация	6
4	σi= 6,2Ln(εi) + 276	R2 = 0,96	нагартованное	12
5	σi= 27,3Ln(εi) + 222	R2 = 0,87	полигонизация	12
6	σi= 37,6Ln(εi) + 216	R2 = 0,98	рекристаллизация	12
7	σi= 5,5Ln(εi) + 345	R2 = 0,98	нагартованное	18
8	σi= 7,8Ln(εi) + 328	R2 = 0,90	полигонизация	18
9	σi= 13,4Ln(εi) + 320	R2 = 0,99	рекристаллизация	18

Анализ таблицы 2 показывает, что для нагартованного состояния коэффициент А в функции вида σ_i = A*Ln(ε_i)+ σ₀.имеет наименьшие значения, а начальное сопротивление деформированию σ₀ - наибольшие. По мере протекания процессов возврата и рекристаллизации коэффициент А увеличивается, σ₀ – уменьшается.

Рисунок 2 - Экспериментальные точки и кривые аппроксимации сопротивления деформированию (эквивалентных напряжений) образцов из сплава АМг10

Анализ кривых на рисунке 2 показывает, что для сплава АМг10 предварительная нагартовка с максимальной степенью увеличивает расстояние между кривыми упрочнения для разных состояний, т.е. изменение свойств при этих условиях наиболее очевидно. Малые степени деформации до нагрева показывают меньшую разницу в положении кривых упрочнения, хаарктерных для различных температур отжига. Для анализа полноты протекания рекристаллизации рассмотрим кривые аппроксимации, представленные для этих графиков в таблице 3.

Таблица 3 - Уравнения аппроксимации для кривых упрочнения, представленных на рисунке 2

№ кривой	Уравнение степенной аппроксимации	Коэффициент корреляции	состояние	Степень предварительной нагартовки, %
1	σi = 33Ln(εi)+335	R2 = 0,94	нагартованное	8
2	σi = 34Ln(εi) + 303	R2 = 0,95	полигонизация	8
3	σi= 44Ln(εi) + 280	R2 = 0,85	рекристаллизация	8
4	σi = 15Ln(εi) + 448	R2 = 0,82	нагартованное	16
5	σi = 25Ln(εi) + 365	R2 = 0,92	полигонизация	16
6	σi = 29Ln(εi) + 327	R2 = 0,92	рекристаллизация	16
7	σi = 18Ln(x) + 460	R2 = 0,92	нагартованное	25
8	σi = 22Ln(x) + 365	R2 = 0,98	полигонизация	25
9	σi = 28Ln(x) + 324	R2 = 0,94	рекристаллизация	25

Из данных таблицы 3 следует, что для сплава АМг10 наблюдается увеличение коэффициента А (на 30-40%) и снижение начального значения сопротивления деформированию σ₀ по мере протекания рекристаллизационных процессов для каждой степени предварительной нагартовки. Кроме того, нагартовка приводит к значительному (в среднем на 20%) увеличениею начального значения σ₀.

Следовательно, коэффициент А может служить мерой полноты протекания рекристаллизации, а его изменение в зависимости от режимов обработки позволит установить пороговые значения степени деформации и температуры отжига, при которых процесс рекристаллизации протекает наиболее интенсивно. На рисунке 3 представлена графическая интерпретация коэффицента А для обоих исследуемых сплавов в зависимости от степени нагартовки (а) и температуры отжига (б).

 

Рис. 3.

Из рисунка 3 (а) следует, что с ростом степени деформации изменение коэффициента А наблюдается по кривой с выпуклостью и напоминает изменение размера рекристаллизованого зерна (либо его зеркальное отображение) в зависимости от степени деформации. Изменение коэффиицента А в зависимости от темепературы отжига (рис.3,б) также изменяется по выпуклым кривым, причём во всех случаях наблюдается его увеличение. Максимальные значения коэффициентов соответствуют минимальной для сплава АМг10 степени нагартовки, и средней – для сплава Д16.

Обсуждение результатов

Холодная пластическая деформация приводит к исчерпанию пластичности, в связи с чем характер кривых упрочнения стремится к горизонтальным линиям, т.е. σ_i ≈ σ₀. Чем вертикальнее начальные участки кривых упочнения, тем интенсивнее развивается процесс пластической деформации, что свидетельствует о минимальной плотности дефектов решётки, препятствующих скольжению дислокаций, а следовательно, о максимальном разупрочнении сплавов.

Характер кривых упрочнения рассмотренных алюминиевых сплавов после деформации и нагрева зависит от степени предварительной нагартовки и температуры отжига, т.е. от количества поступившей в сплав энергии внешнего воздействия. Увеличение степени предварительной деформации приводит к более полному разупрочнению обоих исследуемых сплавов после отжига. С увеличением температуры нагрева и предварительной нагартовки увеличивается градиент роста истинных (эквивалентных) напряжений  на начальных этапах растяжения, что количественно подтверждается увеличением коэффициента А в уравнениях вида σ_i = A*Ln+ σ₀. Следовательно, построение кривых упрочнения первого рода образцов с извествной степенью нагартовки и температуры отжига позволяет установить степень рекристаллизованности структуры.

Выводы.

1. Характер кривых упрочнения первого рода в зависимости от режимов деформирования и последующего отжига наиболее полно описывают логарифмические уравнения вида σ_i = A*Lnε_i⁺ σ_0. Коэффициент А увеличивается при повышении температуры отжига, константа σ₀, наоборот, при этих же условиях снижается. В сплаве Д16 коэффициент А оказался на порядок ниже в сплаве АМг10, чем при всех режимах обработки.
2. Увеличение степени деформации позволяет получить наиболее ярко выраженное разупрочнение при нагреве листовых заготовок из исследуемых сплавов.

Таким образом, в результате анализа кривых упрочнения первого рода с помощью функции натурального логарифма, можно оценить полноту протекания процесса рекристаллизации отожжённых образцов.