Электронная микроструктура деформируемых алюминиевых сплавов

Методом электронной микроскопии исследован широкий круг алюминиевых сплавов, описаны характерные типы микроструктур наиболее распространенных сплавов. В общем случае деформация алюминиевого сплава обычно связана с увеличением количества дислокаций. Строение и распределение образующейся при деформации субструктуры определяются степенью, температурой и скоростью деформации, а также зависят от других микроструктурных факторов — размера зерна, величины частиц и их распределения.

В алюминии промышленной чистоты (IXXX) небольшая степень холодной деформации приводит к образованию отдельных дислокаций, плотность которых низка (рис. 3.54). По мере увеличения степени деформации количество дислокаций возрастает и они концентрируются в клубки вдоль полос скольжения. При дальнейшей деформации увеличиваются количество клубков и их плотность и образуется ячеистая сетчатая структура, в которой сплетениями дислокаций окружены участки, относительно свободные от последних. В сплавах других систем наблюдаются аналогичные изменения дислокационной структуры, хотя могут быть и некоторые отклонения из-за присутствия легирующих элементов. Когда в сплаве до холодной деформации имеются крупные твердые частицы (> 1 мкм), вблизи них образуется высокая плотность дислокаций при деформации (рис. 3.55). В сплавах с плотным распределением дисперсных частиц (< 0,1 мкм) наблюдается тенденция к образованию полос скольжения и более гомогенному распределению дислокаций. Если во время деформации в твердом растворе присутствуют такие элементы, как магний, подвижность дислокаций уменьшается вследствие взаимодействия с растворенными атомами. Именно этим объясняются более стабильная дислокационная структура и способность к упрочнению при холодной деформации у таких сплавов, как 5182.

При термической обработке алюминиевых сплавов изменения микроструктуры вызывают соответствующие изменения свойств. Изменения микроструктуры зависят от состава сплава, технологии его изготовления, температуры и продолжительности процесса термообработки. Используемые в производстве алюминиевых сплавов виды термообработки могут быть связаны с многочисленными микроструктурными изменениями: растворением частиц, их укрупнением, выделением, изменениями в распределении и плотности дислокаций, образовании и миграции субграниц и границ зерен. Во многих случаях одновременно действуют несколько указанных факторов и их взаимодействие может привести, например, к тому, что образование выделений препятствует миграции субграниц.

В сплавах большинства систем наиболее важными микроструктурными изменениями являются изменения дислокационной структуры и субструктуры. В качестве примера можно рассмотреть изменения, происходящие при термообработке в структуре холоднокатаного сплава серии 1ХХХ. При низких температурах (< 100 °C) плотность дислокаций меняется незначительно. При более высоких температурах дислокации становятся подвижнее, перестраиваются в скопления с более низкой энергией, плотность дислокаций уменьшается вследствие их аннигиляции или выхода на поверхность. Дальнейшее повышение температуры ведет к превращению ячеистой дислокационной структуры в субструктуру с малыми углами разориентировки. Если температура достаточно высока, происходят образование рекристаллизованной структуры с весьма малой плотностью дислокаций, зарождение и быстрый рост новых зерен и разрушение субструктуры.

Описанные выше явления возврата и рекристаллизации могут иметь место в большинстве алюминиевых сплавов при определенных условиях. Однако кинетика изменений микроструктуры и температуры, при которых они происходят, различны для каждого сплава и зависят от внешних условий. Поведение сплава при отжиге в значительной степени определяют размеры и распределение частиц и присутствие элементов в твердом растворе. Многие промышленные сплавы, поставляемые в полностью рекристаллизованном состоянии (состояние О), предназначены для операций формообразования (сплавы серий 1ХХХ, 3ХХХ и 5ХХХ). В ряде случаев для этой цели желательно иметь мелкозернистую структуру, поскольку при наличии крупных зерен на поверхности деталей при формообразовании образуется шероховатость, называемая "апельсиновой коркой". Для обеспечения мелкозернистой структуры часто необходим строгий контроль состава и технологических операций. Количество потенциальных зародышей рекристаллизации часто может быть связано с размером и распределением более крупных частиц в сплаве, а следовательно, может изменяться до некоторой степени благодаря гомогенизации. На рост этих потенциальных зародышей и превращение их в новые зерна существенно влияют размер и распределение мелких частиц дисперсоидов и в меньшей степени концентрация элементов в твердом растворе. В большинство сплавов вводят добавки марганца, хрома и циркония, которые образуют дисперсоиды, играющие роль антирекристаллизаторов (рис. 3.56). Задержку роста новых зерен может при определенных условиях обеспечить получение мелкозернистой структуры; если есть препятствия для роста первых нескольких зерен, задерживается рост и остальных зародышей.

Если сплав содержит достаточно большой объем соответствующих дисперсоидов, процесс рекристаллизации может быть в значительной степени подавлен. Разработаны сплавы с нерекристаллизующейся структурой, обладающие хорошим сочетанием технологических свойств и прочности (рис. 3.57). Сплав такого типа системы Al-Ca-Zn содержит высокую объемную долю мелкодисперсных выделений и обладает сверхпластичностью.

Во многих промышленно используемых сплавах, включая сплавы Al - Cu (серия 2ХХХ), Al-Mg-Si (серия 6ХХХ) и Al-Zn-Mg (серия 7ХХХ), целью термической обработки является обеспечение очень высокой плотности зон Гинье — Престона или выделений, повышающих предел текучести сплава вследствие взаимодействия с дислокациями. Типичным режимом термообработки сплавов указанных систем является первоначальный нагрев при температуре закалки, при котором происходит растворение определенных легирующих элементов.

Следующая операция — охлаждение, цель которого фиксация высокого уровня содержания растворенных элементов в пересыщенном твердом растворе. После охлаждения (закалки) сплав может быть подвергнут упрочняющей термообработке — старению для обеспечения необходимого состояния, хотя некоторые сплавы, в частности системы Al-Zn-Mg (серия 7ХХХ), значительно упрочняются при вылеживании при комнатной температуре (естественное старение).

Изменения микроструктуры, происходящие при закалке и в процессе старения сплавов этих систем, широко исследованы методом просвечивающей электронной микроскопии. При охлаждении нагретого до температуры закалки сплава происходят распад твердого раствора и образование дислокаций. Эти дислокации имеют вид геликоидов и петель или сплетений и образуются в результате закалочных напряжений и конденсации избыточных вакансий. Плотность дислокаций зависит от температуры закалки и содержания элементов в растворе, поскольку эти факторы влияют на концентрацию вакансий. Важную роль играет скорость охлаждения, так как она определяет температуру и длительность периода, при которых вакансии подвижны. Дислокации образуются также на составляющих или частицах дисперсоидов в результате разницы в уменьшении объема при охлаждении.

В идеальном случае для обеспечения максимального эффекта старения все растворенные элементы следовало бы удержать в твердом растворе посредством охлаждения. Этого можно достигнуть при очень быстром охлаждении, но для многих промышленных сплавов это невозможно и используются более низкие скорости охлаждения. По мере уменьшения скорости охлаждения увеличивается количество фаз, образующихся в результате распада твердого раствора. Фазы зарождаются в участках с гетерогенностью структуры, таких как границы зерен, дислокации или частицы дисперсоидов (рис. 3.58). Так, возможно образование выделений преимущественно по границам некоторых зерен из-за их разориентации, а также на краевых и винтовых дислокациях. Поскольку границы зерен являются участками преимущественного распада, при последующем старении образуются приграничные зоны, свободные от выделений; ширина этих зон зависит от скорости охлаждения при закалке (рис. 3.59, а).

Присутствие частиц дисперсоидов в сплаве может оказывать существенное влияние на характер структуры, образующейся при охлаждении, в частности эти частицы могут изменить дислокационную структуру закаленного материала. Кроме того, частицы дисперсоидов сами представляют места предпочтительного образования фаз (рис. 3.59, б). Соединения, содержащие Mn и Cr, являются наиболее активно действующими в этом отношении дисперсоидами в процессе охлаждения, а когерентные выделения частиц ZrAl3 менее активны.

В процессе искусственного старения начинается выделение элементов из пересыщенного твердого раствора; прочность материала возрастает вследствие увеличения количества и размеров образующихся выделений. В конечном счете, прочность достигает своего максимального значения (пик старения) и дальнейшее перестаривание приводит к укрупнению выделений и снижению свойств.

Процесс образования выделений при старении может быть очень сложным, поскольку часто происходит образование промежуточных фаз. Например, в сплавах системы Al-Cu (серия 2ХХХ) старение обычно начинается с образования в матрице на плоскостях {001} очень мелких и тонких пластинчатых зон Гинье - Престона. На этой стадии диаметр зон составляет около 10 Нм, и они представляют собой слой атомов меди толщиной в одну плоскость. При дальнейшем старении зоны Гинье - Престона превращаются вначале в когерентную фазу в'', затем в частично когерентную фазу 0' и, наконец, в пластинчатые выделения фазы 0 - CuAl2. Кинетика старения и до некоторой степени последовательность образования выделений зависят от диффузии атомов меди, количества вакансий, а также присутствия малых добавок таких элементов, как кадмий, индий или олово, которые взаимодействуют с вакансиями.

При старении сплавов системы Al-Zn-Mg (серия 7ХХХ) сначала образуются мелкие сферические зоны. В дальнейшем они растут в определенном кристаллографическом направлении и в структуре пере-старенного материала имеют форму удлиненных частиц. В этих сплавах образуются фазы n', х, t и n, каждая из которых имеет свою кристаллографическую ориентацию. В этих системах малые добавки также влияют на кинетику старения и предпочтительное образование фаз. Например, малые добавки серебра (< 0,1 %) значительно ускоряют процесс старения. При старении сплавов системы Al-Mg-Si (серия 6ХХХ) происходят образование и рост в направлении стержневидных выделений фазы Mg2Si (рис. 3.60).