Упрочнение магниевых сплавов при деформации

Моно- и поликристаллы. На рис. 159 приведены некоторые значения критического скалывающего напряжения для скольжения по плоскостям базиса. Как и следовало ожидать, эти значения практически не зависят от направления действия напряжения и от компоненты напряжения, перпендикулярной к плоскости скольжения. Кривые упрочнения при деформации, происходящей путем скольжения по плоскостям базиса монокристалла, были определены для магния и некоторых его бинарных сплавов. В случае поликристаллического материала было установлено, что упрочнение при деформации происходит в большей степени (рис. 160), вероятно, вследствие напряжении и искажений на границах между зернами, имеющими значительное различие в ориентации, а также вследствие двойникования в зернах, на которые действуют напряжения.

Упрочняющее действие некоторых легирующих элементов. Мак-Дональд провел работу по исследованию упрочняющего действия от различных элементов на свойства прокатанных полос в продольном направлении. Исследовали сплав каждого состава в широком диапазоне состоянии наклепа и термической обработки Благодаря этому эффекты, связанные с различной чувствительностью к данным условиям деформации, были исключены и результаты могли сопоставляться строго на базе различия в составе сплава. Установлены три типа зависимости прочности от состава (рис. 161).
Тип I. Прочность возрастает непрерывно с увеличением содержания легирующего элемента вплоть до возможного максимума, пластичность при этом изменяется по кривой с максимумом при более низких содержаниях легирующего элемента.
Тип II. Увеличение пластичности при небольшом увеличении прочности.
Тип III. Упрочнение, сопровождающееся потерей пластичности.
Легирующие элементы, изученные Мак-Дональдом, были распределены по категориям в порядке уменьшения эффективности следующим образом.
Тип I. Влияние на прочность Al, Zn, Ca, Ag, Ce, Ga. Ni, Cu, Th.
Влияние на пластичность Th, Ga, Zn, Ag, Ce, Ca, Al, Ni, Cu
Тип II. Th, Cd.
Тип III. Sn, Pb, Bi, Sb (Cu, Ni).
Начальное увеличение пластичности в случае добавки меди относительно мало и при дальнейшем увеличении ее содержанта следует заметное уменьшение пластичности Вследствие этого медь отнесли также к типу III.
В случаях, когда удлинение про ходит через максимум при увеличении содержания легирующей добавки, сплав, обладающий максимальной пластичностью, очевидно, содержит легирующий элемент главным образом в твердом растворе (табл. 40). Единственное исключение среди изученных сплавов представляют сплавы с никелем, у которых растворимость Ni в твердом состоянии незначительна. Как показал, однако, Мак-Дональд, значительная растворимость в твердом состоянии может существовать без увеличения пластичности, например в случае легирования оловом, свинцом и висмутом.

На основании результатов работы Мак-Дональда наиболее интересными с точки зрения разработки сплавов с высокими механическими свойствами при комнатной температуре оказались двойные сплавы магния с а) алюминием, цинком, б) серебром, кальцием и в) торием, галлием. Первая группа из этих сплавов выглядит наиболее обещающей. Интересно сравнить результаты Мак-Дональда с результатами работы Левина, Шили и Нэша, изучавших влияние легирующих элементов на критическое скалывающее напряжение для базисного скольжения в монокристаллах При выраженни состава в атомных процентах пять изученных элементов, как было установлено, по своей эффективности располагаются в следующий ряд: Zn, Al, Tl, Cd, In. При переходе к процентам по массе (рис. 162) оказывается, что алюминий превосходит цинк, но незначительно и оба эти элемента намного более эффективны, чем остальные изученные элементы. Это хорошо согласуется с данными Мак-Дональда.

Алюминий. На рис. 163 показано, по данным результатов Мак-Дональда, сравнительное влияние алюминия и цинка на свойства при растяжении прокатанных полос. Следует отметить, что влияние этих элементов почти одинаково в том случае, если содержание легирующей добавки выражается в процентах по массе Падение в удлинении при содержании легирующей добавки свыше 3% в общем соответствует появлению в литой структуре значительного количества β-фазы. Если отливка была гомогенизирована перед прокаткой, то содержание легирующего элемента для максимума удлинения несомненно лучше согласуется с равновесной диаграммой.

На фоне этих результатов сплав, содержащий 9%, выглядит оптимальным с точки зрения прочности, сплав, содержащий 3%, — с точки зрения пластичности и сплав, содержащий 6% легирующего элемента, обеспечивает наилучшее сочетание обеих характеристик. Исследование Тэта привело к аналогичным результатам. К сожалению, только листы из сплава, содержащего 3% легирующей добавки, в достаточной степени устойчивы против растрескивания при коррозии под напряжением. Кроме того, слитки сильно легированных сплавов трудно прокатать без того, чтобы не разрушить литую структуру предварительным прессованием. Именно поэтому сплав AZ31 с 3% Al и 1% Zn был выбран для листов.
Цинк. Из рис. 163 следует, что прочность на растяжение листов магния с добавками цинка близка к прочности магния с добавками алюминия; то же самое справедливо для предела текучести. Хотя деформируемые Mg—Zn сплавы и нечувствительны к коррозии под напряжением, но у них увеличивается горячеломкость и снижается свариваемость при увеличении содержания цинка. Без модифицирующей добавки максимальное содержание цинка, которое может быть допустимо в листах, невелико; единственным промышленным листовым сплавом типа Mg—Zn является американский сплав ZE10 (Mg—1% Zn—0,25% РЗМ), уже упоминавшийся ранее.
Сплав Mg—3% Zn для прессованных изделий был приготовлен в опытном порядке в ФРГ. Этот сплав обладает некоторой способностью упрочняться при старении, однако он лишен достоинств, характерных для сплавов Mg—Zn—Zr.
Mg—Zn сплавы с цирконием, имеющие мелкое зерно. Как уже говорилось выше, добавки циркония к Mg—Zn сплавам приводят к следующим положительным эффектам.
а) уменьшению величины зерна слитка;
б) уменьшению количества фазы на границах зерен для данного содержания цинка;
в) повышению температуры солидуса;
г) присутствию «зародышей» богатого цирконием твердого раствора, в результате чего ограничивается рост зерен после обработки давлением.
Эффект измельчения зерна литой заготовки сохраняется и в деформированном материале, причем существует предположение. что величина зерна деформированного изделия связана с количеством зародышей, присутствующих в слитке.
Сочетание эффектов «а» и «б» позволяет вводить значительно больше цинка при сохранении технологичности при прокатке, чем в случае отсутствия циркония. Вследствие этого в сплавах с цирконием в прокатанном состоянии могут быть достигнуты более высокие механические свойства. Таким образом, стандартный Mg—Zn—Zr листовой сплав, к которому не предъявляется требование свариваемости, содержит 3% Zn и его механические свойства превосходят механические свойства сплава AZ31; сплав, содержащий 1% цинка и без циркония (ZE10), менее прочен. чем сплав AZ31.

Для прессованного состояния положительный эффект от добавки циркония показан также в работе Доана и Ансела (рис. 164). Факторы «б» и «в» позволяют проводить прессование с значительно более высокой скоростью. Это явление было исследовано Доаном и Анселом и некоторые из их результатов представлены на рис. 165, из которого следует, что сплав, содержащий 3% цинка, более восприимчив к скорости прессования, чем сплав с 6% цинка. Зависимость механических свойств 3%-ного сплава от скорости прессования исследовал в Англии Уилкинсон. Он нашел, что при низких температурах и малых скоростях прессования могут быть достигнуты очень высокие механические свойства (рис. 166) и одновременно с этим чрезвычайно мелкое зерно. По данным Уилкинсона, наблюдается изменение в наклоне кривой скорость прессования — прочность приблизительно при 1,5 м/мин. Это изменение, несомненно, соответствует изменению в механизме деформации. В общем оказывается. что увеличение скорости прессования при данной температуре способствует возникновению высокотемпературного механизма деформации и особенностей, характерных для низкотемпературной деформации, становится меньше.

Выше упоминалось о высоком пределе текучести на сжатие, наблюдавшемся в случае сплавов магния с цинком и цирконием, особенно при высоких содержаниях цинка. Данные Доана и Ансела показывают, что различие между значениями предела текучести на сжатие и растяжение увеличивается с увеличением скорости прессования и что при низких скоростях (1,5 м/мин и менее) значения обеих характеристик являются одинаковыми для изученного диапазона концентраций цинка (0—7%). Некоторые данные Баска позволяют связать отношение условных (0,2%) пределов текучести на сжатие и растяжение с величиной зерна (рис. 167).

Mg—Zn сплавы, в которых величина зерна измельчена до давками железа. Можно еще раз напомнить, что величина зерна сплавов Mg—Zn может быть измельчена добавками железа так же, как и добавками циркония. Исследование Питча подтвердило также, что листовой материал с высокими механическими свойствами может быть получен в случае сплава R3ZM (Mg—3% Zn—0,5% РЗМ—0,5% Mn). Небольшие добавки редкоземельных металлов вводят для получения более здоровых отливок и улучшения свариваемости. Сравнительные механические свойства P3ZM и различных листовых сплавов приведены в табл. 41. Из этой таблицы следует, что R3ZM имеет преимущество по сравнению с другими сплавами без циркония. Он может свариваться с помощью электродов из сплава ZREI и не склонен к коррозионному растрескиванию под напряжением. Сплав R3ZM может быть подвергнут прессованию. В прессованном состоянии он имеет удовлетворительные механические свойства и склонен к некоторому упрочнению в результате термообработки, вызывающей распад твердого раствора. Тем не менее полученные значения механических свойств не приближаются к тем, которые могут быть достигнуты в случае сплава ZW3 при низких температурах прессования и малых скоростях. Сплав для прессованных изделий ZM60 (Mg—5,5% Zn—1% Мn) был описан Розенкранцем. Он имеет достаточно высокие механические свойства после обработки на твердый раствор при 450° С с последующей закалкой в воду и старением. Скорость прессования сплава должна быть небольшой ввиду низкой неравновесной температуры солидуса сплава.

Сплавы Mg—Th с цирконием и без циркония. Леонтис исследовал влияние тория на механические свойства прессованных Mg—Th и Mg—Th—Zr сплавов. На рис. 168 приведены некоторые из результатов его исследования. Наиболее интересные моменты заключаются в следующем:
а) цирконий не производит какого-либо большого улучшения механических свойств на растяжение прессованных Mg—Th сплавов;
б) предел текучести на растяжение и сжатие одинаков при всех содержаниях тория свыше приблизительно 2%;
в) предел прочности и предел текучести резко уменьшаются в случае введения тория в количестве около 1%;
г) пластичность является равно высокой вплоть до высоких содержаний тория;
д) при некоторых условиях наблюдается истинный предел текучести, как показано Кулингом (рис. 169). Такое же явление встречается в сплавах с редкоземельными металлами.
Как и следовало ожидать, при испытаниях на растяжение (на бинарных сплавах) Леонтис получил в случае прессования при 340° С более высокие свойства, чем при 480° С.

Сплавы Mg—РЗМ с цирконием и без циркония. Леонтис исследовал также свойства прессованных сплавов Mg—РЗМ.
Результаты параллельного определения свойств сплавов в литом состоянии показывают, что наиболее высокие механические свойства на растяжение получаются в случае редкоземельных металлов, наиболее растворимых в магнии. Следует отметить следующие моменты:
а) в прессованном и обработанном на твердый раствор (Т4) состояниях, т. е. в состояниях, при которых не имеет место упрочнения за счет распада пересыщенного твердого раствора, сплавы, содержащие лантан, дают наиболее высокие значения предела прочности и предела текучести (данные Леонтиса по некоторым прессованным сплавам приведены на рис. 170);
б) в состоянии полной термической обработки (Т6) наиболее прочными являются сплавы, содержащие дидимиум, и наименее прочными — сплавы, содержащие лантан (см. рис. 170);
в) после термической обработки, включающей в себя только старение (Т5), сплавы, содержащие лантан, являются наилучшими в отношении предела текучести, а сплавы, содержащие дидимиум, — в отношении предела прочности;
г) удлинение является минимальным в случае сплавов, содержащих лантан, и максимальным в случае сплавов, содержащих дидимиум;
д) удлинение увеличивается с увеличением содержания легирующего элемента вплоть до содержания 1%, а затем падает;
е) добавка циркония не приводит к какому-либо улучшению деформированных Mg—РЗМ сплавов. Фактически Пэшэк и Лeонтис нашли, что цирконий оказывает отрицательное влияние на механические свойства при кратковременном растяжении и на сопротивление ползучести.
Таким образом, добавки редкоземельных металлов измельчают зерно и упрочняют сплав. При высоких содержаниях РЗМ хрупкая фаза в виде сетки оказывает упрочняющее влияние, но за счет потери пластичности. Дисперсионное твердение является более эффективным фактором упрочнения сплавов Mg—РЗМ, причем величина эффекта упрочнения при старении увеличивается с увеличением растворимости редкоземельных металлов в магнии в твердом состоянии.
Сплавы Mg—Li. Как было упомянуто ранее, литий представляет особый интерес в связи с тем, что уже при добавке этого элемента в количестве 10% (по массе) можно изменить гексагональную кристаллическую решетку магния на объемно-центрированную кубическую решетку лития. Это дает определенные преимущества: возможность обработки давлением при низких температурах и симметричность кривой напряжение—деформация при растяжении и сжатии. Следует напомнить, что сплавы с литием чувствительны к некоторым примесям, особенно натрию, и что тройные и четверные сплавы с Ag, Al, Cd и Zn показывают очень высокие механические свойства без термообработки, однако испытывают медленное перестаривание при умеренных температурах. Это перестаривание является основной проблемой, которой занимаются многие исследователи данных сплавов в течение более десятилетия, и в настоящее время кажется маловероятным, что будет найдено экономически приемлемое решение этой проблемы. Добавки кремния могут, однако, ослабить эффект перестаривания Mg—Li сплавов. Недавно Институт им. Бателла снова вернулся к проблеме сплавов, содержащих литий, и, учитывая, что высокопрочные сплавы не могут быть стабилизированы, предложил две стабильные композиции средней прочности LA91 и LA141, в состав которых входит в небольших количествах алюминий. В табл. 42 приводятся приблизительные механические свойства для двух сплавов в прокатанном состоянии.

Хотя свойства и кажутся очень низкими, однако следует напомнить, что предел прочности для сплава LA141 соответствует 19,7 кГ/мм2 в сплаве обычной плотности. На таком уровне свойств сплавы могут оказаться полезными в ряде областей: военной (броневые автомобили) и космической технике.