Деформация магния

24.01.2017

Пластичность и температура. Явление заметного увеличения пластичности магниевых сплавов при некоторой температуре выше 200° С хорошо иллюстрировано Зибелем для сплава AZM (рис. 144). Температура перехода для данного сплава составляет около 212° С, в то время как для чистого магния она равна около 225° С.
Деформация магния

Строение кристаллической решетки магния. Строение кристаллической решетки магния видно из рис. 145, на котором показаны основные кристаллографические плоскости и связанные с ними механизмы деформации.
Возможные способы деформации при различных температурах. Исследования деформации магния, хорошо обобщенные Poбертсом, Рэйнором и Чэпмэном, показали, что скольжение по плоскостям базиса (0001) гексагональной кристаллической решетки до 225° С легко происходит в том случае, если эти плоскости должным образом ориентированы относительно направления, в котором действует напряжение Направление скольжения в плоскости базиса совпадает с направлением плотной упаковки атомов типа.
Деформация магния

Следующим способом деформации при обычных температурах является двойникование. При двойниковании одна часть кристалла претерпевает легкую переориентацию таким образом, что становится в положение зеркального отображения оставшейся части кристалла относительно некоторой кристаллографической плоскости. Эта плоскость разделяет двойники. В случае магния двойникование при обычных температурах происходит по пирамидальным П012 плоскостям (второго порядка, типа I). В случае напряжений, параллельных плоскостям базиса (0001), двойникование этого типа возможно только при сжатии, а в случае напряжений, перпендикулярных плоскостям базиса, оно возможно только при растяжении. Это является геометрическим следствием из того факта, что с/а для магния меньше, чем а√3/2, Максимальное двойникование происходит в том случае, если плоскости двойникования наклонены к направлению действия напряжения приблизительно под углом 45°. Робертс, Кулинг, Рид-Хил и др. исследовали другие типы двойникования, которые могут происходить б магнии в меньшей степени, в том числе и возникновение узких полос двойников (по-видимому, {3034} габитуса), происходящих из {1011} двойников, повторно претерпевших двойникование по {1012} плоскостям в переориентированной решетке. Другая форма двойного двойникования происходит сначала по плоскости {1013}, затем по плоскости {1012}. Соответствующие плоскости {1011} и {1013}, очевидно, представляют собой обратные двойники со сдвигом двойникования 0,136. Двойникование протекает на перьой стадии ползучести.
При температуре выше ~225° С становятся дополнительно действующими пирамидальные плоскости скольжения {1011}. Показано также, что эти плоскости скольжения могут действовать при обычных температурах в монокристатлах, плоскости базиса у которых наклонены в пределах 6° к направлению действия напряжения и поэтому ориентированы неблагоприятно для базисного скольжения. При очень низких температурах (-195° С) может происходить призматическое {1010} скольжение, связанное, вероятно, с напряжениями, которые возникают на границах зерен и не могут быть сняты путем сдвига вдоль границ зерен. Имеет место также пирамидальное {1122} скольжение. Призматическое скольжение часто наблюдается при температуре жидкого гелия [4° К]. В некоторых работах указывается на то, что пирамидальное и призматическое скольжения могут чередоваться при образовании волнистых полос скольжения в случае малых скоростей деформации при 260° С. Небазисные процессы скольжения могут играть большую роль на третьей стадии ползучести.
Роль величины верна в деформации поликристаллического магния. Действующее касательное напряжение в плоскости базиса будет максимальным в тот момент, когда базисные плоскости наклонены под углом 45° к оси напряжения, и будет исчезать, когда базисные плоскости станут параллельными или перпендикулярными к оси напряжения. Поэтому очевидно, что пластичность поликристаллического образца при комнатной температуре будет зависеть от направленности структуры (текстуры) и что при беспорядочной ориентации зерен она будет увеличиваться с уменьшением величины зерна На рис. 146 показано влияние измельчения зерна на пластичность при растяжении.
Деформация магния

В процессе деформации поликристаллического материала должны возникать значительные напряжения на границах между зернами, которые неблагоприятно ориентированы для скольжения и соседними зернами, в которых легко может происходить скольжение. Питч указал, что вследствие этого механические свойства при растяжении для магниевых сплавов должны увеличиваться более быстро с уменьшением величины зерна, чем в случае металлов с кубической решеткой, для которых возможно большее число способов деформации.
Дальнейшие успехи в изучении механизма деформации поликристаллического магния достигнуты в настоящее время на бикристаллах. Мот и Дорн нашли, что пластичность бикристаллов находится в соответствии с допустимыми способами деформации отдельных зерен. Так, если одно зерно ориентировано таким образом, что ни скольжение, ни двойникование невозможны, пластичность бикристалла равна нулю. Если в одном зерне возможно двойникование, то деформация, необходимая для разрушения, только незначительно превышает деформацию, происходящую при двойниковании. Если скольжение происходит в обоих кристаллах то на границах зерен в результате накопления краевых дислокаций могут возникать трещины.
Деформация магния

Можно было ожидать, что образование дополнительных полос скольжения будет вызывать заметное увеличение пластичности при растяжении поликристаллического магния по мере повышения температуры испытания выше 200°С. Однако это увеличение пластичности наблюдается при испытаниях на растяжение только крупнокристаллического материала (рис. 147). Мелкое зерно, очевидно, сглаживает ожидаемый перегиб на кривой температура удлинение. Другой эффект, связанный с малой величиной зерна, состоит в том, что кривая температура—пластичность смещается влево, так что крутой подъем начинается при более низких температурах. Это хорошо показано Чэпмэном и Вильсоном (рис. 148) для материала с однородным рекристаллизованным зерном около 2 мкм. Такой материал удивительно пластичен при обычных температурах и скоростях деформации.
Деформация магния

Макроявления, сопровождающие деформацию поликристаллического магния. В деформированном магнии легко обнаруживаются двойники и полосы скольжения (рис. 149, а). К другим явлениям, связанным с деформацией, которые следует отметить, можно отнести следующие (рис. 149—151):
а) плотное сцепление границ зерен с признаками искажения в пределах соседних зерен;
б) движение границ зерен, включающее, вероятно, в себя чередование сдвига и миграции:
в) скольжение вдоль границ зерен;
г) поворот зерен;
д) полигонизация (образование субзерен);
е) образование пор на границах зерен;
ж) текстурные эффекты, такие, например, как предпочтительная ориентация и «полосы сжатия».
Необходимо отметить, что явления «а» и «б» наблюдаются в случае деформации при комнатной температуре, причем последнее — на более поздних стадиях. Явление «б» хорошо также наблюдается в случае ползучести при повышенных температурах чистого магния, явления «в» и «г» — при ползучести Mg — РЗМ сплавов, где явление «б» значительно подавлено, «д» и «е» — в относительно крупнозернисных сплавах при малых скоростях деформации и в определенном интервале температур.
Характер разрушения. Общий характер разрушения магниевых сплавов, естественно, зависит от таких факторов, как скорость деформации, величина зерна, содержание легирующего элемента и температура.
Деформация магния

Чистый магний. Гоац и Риплинг изучали поведение чистого магния и его сплавов с алюминием, литием и цинком при деформации. На рис. 152 приведен график влияния температуры на прочность и пластичность чистого магния. В диапазоне температур (-185)/(+260° С) и скоростей деформации от 10в-2 до 10в4 1/мин изломы всегда были межкристаллитными. Межкристаллитные поры образовывались в ходе деформации, однако они могли расти в направлении, перпендикулярном направлению действия напряжения, лишь при условиях, обеспечивающих низкую пластичность.
Сплав Mg — 1 % Zn. Как было установлено Тоацом и Риплингом, этот сплав ведет себя аналогично чистому магнию.
Деформация магния

Сплавы типа Mg—Al. На рис. 153 приведены данные Тоаца и Риплинга для сплава AZ80. Они являются типичными и для AZ31 и AZ61. Зарождающиеся транскристаллитные трещины образовывались в процессе деформации, и характер их не зависел от температуры или скорости деформации до тех пор, пока не изменялась микроструктура либо в результате рекристаллизации, либо в результате распада твердого раствора во время испытаний. Первые трещины образовывались при деформации, составляющей приблизительно половину деформации разрушения, так же, как и в случае нелегированного магния.
Сплавы Mg—Zr. На рис. 154 и 155 показано начало разрушения литых образцов сплава, содержащего цирконий. В сплавах с низким содержанием цинка изломы в основном транскристаллитные, а в сплавах с высоким содержанием цинка, и следовательно с большим содержанием богатой цинком фазы и обогащением цинком границ зерен изломы в основном межкристаллитные. Следует отметить, что при транскристаллитном разрушении даже в богатых цирконием сердцевинах зерен могут быть сдвиги.
Деформация магния

В сплаве ZRE1, в котором имеется сетка соединений магния с редкоземельными металлами, изломы в основном межкристаллитные.
Сплавы Mg—Li. Тоац и Риплинг исследовали прессованные бинарные сплавы с α-(гексагональной) фазой, α-β и β-(кубической) фазой. К сожалению, содержание натрия во всех использованных сплавах превышало 0,01% и увеличивалось с увеличением содержания лития. При таком содержании натрия его присутствие может влиять определенным образом на поведение сплавов высокое содержание натрия будет способствовать охрупчиванию сплавов в литом состоянии. Если иметь это в виду, то результаты Тоаца и Риплинга показывают температуру минимальной пластичности, которая изменяется со скоростью деформации. У сплавов с гексагональной фазой и у двухфазных сплавов транскристаллитные трещины возникают при от 0,33 до 0,5 деформации разрушения.
Деформация магния

Сплавы с кубической решеткой в области пластичности не показывают зарождения трещин даже при деформациях, близких к деформации разрушения, а в области малой пластичности наблюдается преждевременное образование интеркристаллитных трещин.
Малые добавки лития, как известно, увеличивают пластичность магниевых сплавов: отношение параметров элементарной ячейки уменьшается, и скольжение может происходить по призматическим плоскостям так же хорошо, как и по базисным плоскостям.
Места транскристаллитного разрушения. Места транскристаллитного разрушения, которые были изучены, оказались {3034} двойниками и некоторыми плоскостями высокого порядка.
Поведение при «высоких» и «обычных» температурах. Кривые, построенные в координатах логарифм прочности при растяженин — температура у металлов, характеризуются двумя линейными участками с различным наклоном. При этом температура перехода одного линейного участка в другой («температура равного сцепления») зависит от условий испытаний. По крайней мере, в некоторых случаях такая, зависящая от времени величина, как прочность при ползучести, может быть с использованием параметра типа Ларсона, Миллера представлена тем же самым способом, который включает как температуру, так и время. При этом оказывается, что «точка равного сцепления» не зависит от времени и температуры. Верхняя ветвь кривой характеризует поведение при обычных температурах, нижняя — при повышенных температурах.
Кривые логарифм напряжения — температура показывают аналогичный излом в случае магниевых сплавов, и, без сомнения, общая интерпретация состоит в том, что для верхней ветви границы зерен являются сравнительно прочными, а для нижней ветви сравнительно слабыми. Таким образом, для условий, соответствующих верхней ветви, измельчение зерна будет способствовать увеличению прочности при растяжении. Любой легирующий элемент, который может упрочнять границы зерен и ограничивать миграцию зерен, должен поэтому повышать сопротивление ползучести. Следует напомнить, что, по видимому, такое влияние оказывает торий.
При повышенных температурах и очень низких скоростях деформации (как при ползучести) может стать важным образование пор на границах зерен. В общем это явление менее четко выражено в случае мелкого зерна и при более высоких температурах. Использование магниевых оболочек ядерных реакторов стимулировало больший интерес к образованию пор и ослаблению границ зерен.
Деформация магния

Поведение при пониженных температурах. Хоузер и др. исследовали влияние температуры и ветчины зерна на значение напряжения для данной деформации и для разрушения прессованного чистого магния и сплава Mg — 2%Al. Исследование показало (рис. 156), что напряжение разрушения уменьшается с увеличением температуры выше определенной критической температуры Эта критическая температура увеличивается с увеличением величины зерна. Как для чистого магния, так и для сплава Mg — 2%Al напряжение разрушения ниже критической температуры изменяется линейно со средним диаметром зерна и не зависит от скорости деформации (рис. 157). Хотя наблюдаемое явление и напоминает в этом отношении типичный переход из хрупкого в пластичное состояние, тем не менее перед тем, как произойдет разрушение в хрупком состоянии происходит пластическая деформация, величина которой составляет несколько процентов. Тоац и Риплинг получили качественно согласующиеся результаты при малых скоростях деформации (см. рис. 152), однако не нашли какого-либо перехода из хрупкого состояния в пластичное при температурах выше -195° С. Они объяснили уменьшение напряжения разрушения и увеличение пластичности при температурах выше критической началом рекристаллизации в процессе испытаний.
Механизм релаксации напряжений при низких температурах изучен Фелсэмом с использованием магния очень высокой чистоты.
Деформация магния