Российские нанотехнологии, 2022, T. 17, № 4, стр. 503-508
НАНОСТРУКТУРИРОВАНИЕ АЛЮМИНИЕВОГО СПЛАВА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ПОЛУЧЕННОГО НАНОКОМПОЗИТА Al/C60
В. М. Прохоров 1, *, И. А. Евдокимов 1, А. И. Коробов 2, А. И. Кокшайский 2, Н. И. Одина 2, Н. В. Ширгина 2
1 Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов
Москва, Россия
2 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова
Москва, Россия
* E-mail: pvm@tisnum.ru
Поступила в редакцию 05.12.2021
После доработки 05.12.2021
Принята к публикации 10.12.2021
Аннотация
Проведено наноструктурирование алюминиевого сплава AMg6 методом интенсивной пластической деформации путем горячей экструзии заготовки из опрессованного нанокомпозитного порошка, полученного диспергированием в планетарной шаровой мельнице смеси стружки сплава и порошка фуллерита С60. Исследованы структурные особенности полученного нанокомпозита n‑AMg6/С60. Представлены экспериментальные исследования механических характеристик нанокомпозита n-AMg6/С60. Для наноструктурированных композитных образцов измерены кривые напряжения–деформации σ = σ(ε) при циклическом изменении напряжения, приложенного к образцам. В ходе экспериментов в композитных образцах n-AMg6/C60 почти не было обнаружено остаточных деформаций, а кривые напряжения–деформации не содержали зон, соответствующих пластической деформации. Установлено, что обратимая механическая нагрузка–разгрузка образцов n-AMg6/C60 вызывает их упрочнение. Эти данные дополнены измерениями микротвердости и изменений скорости продольных упругих волн при циклическом изменении нагрузки на образце.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из современных методов, используемых для улучшения механических физических свойств металлов и сплавов, является наноструктурирование, т.е. формирование наноструктуры во всем объеме материала [1, 2]. В частности, наноструктурирование – известный способ повышения прочностных свойств материалов [3, 4]. В последние несколько лет наблюдается значительный прогресс в разработке методов наноструктурирования, которые приводят к новым сочетаниям свойств, таким как высокая прочность, более высокая твердость, рекордный усталостный ресурс и т.д. [5, 6]. Основными методами наноструктурирования металлов и сплавов являются различные варианты метода интенсивной пластической деформации (ИПД) и метод высокоэнергетической обработки (измельчения до наноразмерного состояния) в шаровой мельнице с последующем горячим прессованием. Эти методы часто сочетаются с методом горячей экструзии [7, 8].
Прочность на растяжение нанокристаллических металлов в 1.5–8 раз выше, чем крупнозернистых металлов [9, 10]. Микротвердость наноструктурированных материалов в 2–7 раз выше, чем у крупнозернистых материалов, причем рост микротвердости подчиняется известному закону Холла–Петча. В частности, изучение микротвердости нанокристаллического сплава Al9.85Mg1.5 [11] показало, что отжиг сплава с размером зерен ~150 нм при 400 К приводит к релаксации границ зерен и их постепенному переходу в равновесное состояние, хотя размер зерен не менялся. Релаксация границ зерен вследствие отжига сопровождалась уменьшением микротвердости от 1.7 до 1.4 ГПа.
В [12, 15] были отмечены необычные упругие свойства нанокристаллических металлов, обусловленные не только малым размером зерен, но и состоянием границ раздела.
Исследования повышения механических характеристик алюминиевых сплавов путем наноструктурирования проводились во многих работах [16–21], в которых отмечались различные аномалии механического поведения.
При изготовлении промышленных изделий используется более 150 алюминиевых сплавов. Значительный объем среди них занимает сплав AMg6, относящийся к системе Al–Mg–Mn. Сплав содержит 93.68% алюминия, 5.8–6.8% магния и 0.5–0.8% марганца и других примесей [3].
Сплав хорошо сваривается при комнатных и более высоких температурах, он сочетает в себе хорошие прочностные и пластические характеристики. Этот набор свойств способствовал широкому применению данного сплава в аэрокосмической промышленности, строительстве и автомобилестроении, коррозионная стойкость в различных средах, включая морскую воду, объясняет его успешное применение в судостроении. Для улучшения механических свойств алюминиевых сплавов их предварительно подвергают механической деформации и термической обработке. Однако трудно повысить прочностные характеристики магнийсодержащего AMg6 путем закалки, так как этот сплав не поддается термическому упрочнению.
Более высокие значения механических характеристик в нанокомпозитном углеродисто-упрочненном сплаве AMg6, полученном путем измельчения в шаровой мельнице с последующим прессованием, были получены в [20–22]. Относительное удлинение при разрыве нанокомпозита AMg6 увеличено до 10.5–14.1% при более высокой твердости 1.5–1.7 ГПа.
В данной работе описана процедура наноструктурирования алюминиевого сплава AMg6 и представлены результаты сравнительных экспериментальных исследований механических характеристик сплава и нанокомпозита на его основе n-AMg6/С60 при испытаниях на растяжение, а также влияние деформационного упрочнения на эти характеристики при многоцикловых процессах нагружения–разгрузки вплоть до разрушения образца.
МЕТОДЫ
Наноструктурирование сплава. В качестве матричного материала для получения наноструктурного композиционного материала, модифицированного углеродными наноструктурами, применяли деформационно-упрочняемый алюминиевый сплав AMg6. Сплав имеет следующий химический состав: Mg – 6.124, Mn – 0.5977, Fe – 0.351, Si – 0.310, Zn – 0.203, Ti – 0.0843, Cu – 0.086%, Al – баланс.
Наноструктурный композит n-AMg6/C60 получен методом совместного механолегирования исходных компонентов в высокоэнергетической планетарной шаровой мельнице. Смесь стружки сплава AMg6 с добавлением 0.3 мас. % фуллерита С60 обрабатывали в предварительно футерованных матричным сплавом размольных контейнерах в течение 60 мин. Для поддержания требуемого теплового режима процесса механолегирования размол проводили циклами по 5 мин с перерывом 3 мин. По данным рентгенофазового анализа и сканирующей электронной микроскопии полученные порошковые смеси состоят из наночастиц композита n-AMg6/C60 размером 40–60 нм, объединенных в агломераты размером 200–500 мк.
Наноструктурный композит n-AMg6/C60 предварительно компактировали в цилиндрические брикеты диаметром 180 мм при температуре 250°С и давлении 200–300 МПа. Полученный компакт подвергали прямой горячей экструзии при температуре 290°С и степени деформации 5.2. Высокая степень деформации и низкая температура экструзии обеспечивают сохранение наноструктурного состояния композита при термобарической обработке. Фуллерен С60, располагаясь по границам зерен алюминия, также обеспечивает замедление процессов рекристаллизации и межзеренной диффузии.
На рис. 1 представлены изображения, полученные с помощью растрового электронного микроскопа (РЭМ)), частиц нанокомпозитного порошка n-AMg6/C60 после измельчения, а также микроструктура образцов исходного сплава AMg6 (рис. 1б) и наноструктурного n-AMg6/С60 после экструзии (рис. 1в).
Как видно из рис. 1в, зерна алюминия после экструзионного деформирования ориентированы вдоль оси экструзии и между зернами нет пор. Отметим, что микроструктура экструдированных наноструктурных композитов n-AMg6/C60 наследует морфологию порошков после их механолегирования. Также из рис. 1б и 1в видно, что размер зерен в экструдированном материале соответствует размерам агрегатов и агломератов в порошке нанокомпозита. Данное свойство за счет изменения структуры порошков на стадии их подготовки позволяет управлять свойствами конечного продукта (прочность, пластичность) [23, 24].
Наноструктурированные образцы для исследования были изготовлены из экструдированной заготовки, вид и размеры которой представлены на рис. 2а. Образцы по форме и размерам соответствовали ГОСТу для каждого вида испытаний и были вырезаны из разных областей экструдированного стержня.
Согласно исследованию методом гидростатического взвешивания плотность наностируктурированных образцов составляет 2.63 ± 0.02 г/см3, что соответствует 99% удельной плотности сплава AMg6. Плотность образцов измеряли на весах KERN-770-60, оснащенных консолью Sartorius YDK 01 LP.
Испытания на растяжение проводили с использованием многоцелевой напольной системы электромеханических испытаний Instron 5982 (Германия). Когда образцы, полученные методом экструзии, подвергались испытанию на растяжение, направление нагрузки совпадало с осью экструзии. Скорость растяжения составляла 0.2 мм/мин.
Свойства при растяжении (предел прочности) оценивали для образцов стандартной формы (диаметр шейки 4 мм и длина 50 мм), полученных из предшественника AMg6 и экструдированного композита n-AMg6/C60 (рис. 2б).
Испытания на циклические растяжения с ультразвуковыми измерениями. Механическое устройство, создающее обратимые циклические деформации растяжения в исследуемых образцах, было сконструировано нами на базе 20-тонного пресса (производства компании MATRIX); схема и описание устройства приведены в [25]. В устройстве реализованы статический метод измерения кривой напряжение–деформация (σ–ε) при обратимом изменении напряжения в исследуемом образце и импульсный метод измерения скорости и поглощения объемных акустических волн. Измерительная система включала в себя автоматизированную ультразвуковую систему Ritec RAM-5000, четырехканальный цифровой осциллограф DS09104A и механическое устройство, создающее контролируемые обратимые деформации растяжения в исследуемом материале. Ультразвуковая система позволяла измерять зависимость скоростей ультразвуковых волн от деформации образца. В работе зависимость скорости продольных упругих волн V от деформации образца измеряли импульсным методом “отражения” с использованием формулы V = 2L/τ, где L – длина образца, а τ – время двойного прохождения акустического импульса через образец.
Микротвердость образцов n-AMg6/C60, подвергнутых циклическим деформациям растяжения, измеряли в соответствии с ГОСТ 2999-75 с помощью твердомера DuraScan20 путем приложения нагрузки 50 г на индентор Виккерса в течение 12 с. Измерения микротвердости были выполнены на металлографических срезах, вырезанных из разных частей образца n-AMg6/C60, подвергнутого циклической деформации вплоть до разрушения (рис. 3): из центральной части гантелеобразного образца, которая испытывала значительную пластическую деформацию при нагружении вплоть до разрушения (обозначена цифрой 2 на рис. 3) и из части 1, которая была почти ненапряженной при циклическом нагружении–разгрузке. Микротвердость измеряли в пяти точках образца, вырезанного из части 2, которые были расположены по диаметру (8 мм) через 2 мм друг от друга, и в пяти точках, которые были расположены на поверхности головки гантели диаметром 25 мм через 6 мм друг от друга (часть 1 на рис. 3). Значения микротвердости были усреднены по результатам пяти измерений.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Предел прочности. На рис. 4 представлены типичные диаграммы деформации образцов исходного сплава AMg6 и нанокомпозита n-AMg6/С60. Из приведенных на рисунке данных видно, что условный предел текучести (σ0.2) при растяжении наноструктурных сплавов n-AMg6/С60 увеличился от значения 210 МПа (для исходного AMg6) до 640 МПа. Отметим, что наряду с увеличением прочности наблюдается резкое падение пластичности наноструктурного n-AMg6/С60. Такое поведение характерно для наноструктурных материалов и связано с затруднением осуществления механизмов межзеренного проскальзывания и миграции дислокаций в объеме материала.
Исследования механических характеристик образцов исходного AMg6 были проведены в [26]. Измеренные механические свойства образцов материалов, исследуемых в настоящей работе, такие как предел текучести, прочность при растяжении, предельная деформация, совпали с данными [26] в пределах статистической погрешности.
Влияние статических обратимых механических деформаций. Исследовали два гантелеобразных образца (рис. 3): AMg6 (образец 1) и n-AMg6/С60 (образец 2). Каждый образец циклически растягивали на устройстве, создающем обратимые деформации растяжения вплоть до разрыва в течение более трех часов. Протоколы испытаний приведены на рис. 5.
На рис. 5а и 5б представлены временные характеристики процесса нагружения–разгрузки, а на рис. 5в и 5г – соответствующие результаты измерения кривых напряжение–деформация, σ = σ(ε), для двух образцов при циклическом изменении напряжения. В процессе обратимой нагрузки–разгрузки остаточные деформации, наблюдаемые при нулевом растягивающем напряжении (σ = 0), практически отсутствовали для обоих образцов.
Для образца 1 разрушение произошло после двух циклов нагрузки–разгрузки при σ ~ 300 МПа и ε ~ 15.5%. Образец 2 подвергся разрушению после трех циклов нагрузки–разгрузки при σ ~ 470 МПа и ε ~ 2.5%.
Разница в значениях напряжений и деформаций, соответствующих разрушению образцов 1 и 2, указывает на значительное упрочнение материала в образце 2 по сравнению с образцом 1. Для обоих образцов не наблюдалось образования характерной “шейки” в области, близкой к перелому. Этот факт свидетельствует о хрупком разрушении образцов. Видно, что наноструктурированный образец является более прочным и хрупким, чем исходный.
Скорости продольных упругих волн. Одновременно с измерением кривой напряжения–деформации в ходе обратимых циклов нагружения–разгрузки импульсным методом для образцов 1 и 2 измеряли зависимости скорости V продольных упругих волн от изменения растягивающего напряжения σ (рис. 6а, 6б) и от деформации ε (рис. 6в, 6г). После двух циклов нагрузки–разгрузки скорость увеличилась на 0.2%, а после 12 – она увеличилась почти на 0.5% по сравнению с ненагруженным образцом. В момент разрушения скорость продольных упругих волн в образце уменьшилась примерно на 16% по сравнению с ненагруженным образцом.
Микротвердость. Для ненапряженной части 1 n-AMg6/C60 измеренные значения микротвердости Н составили 1.29 ± 0.03 ГПа. Для части 2 n‑AMg6/C60 среднее значение составляло Hср = = 1.74 ± 0.04 ГПа. Было измерено распределение микротвердости по диаметру, перпендикулярному оси образца 1 (табл. 1). Можно видеть, что по краям диаметра микротвердость больше по сравнению с внутренней областью напряженной части 2. Это связано с тем, что при обработке образца на токарном станке внешняя сторона деформированной части образца подвергается дополнительной механической нагрузке, что вызывает дополнительное упрочнение цилиндрической поверхности образца.
Таблица 1.
Координата измерения по диаметру, мм (рис. 4) | H, ГПа |
---|---|
0.5 | 1.75 ± 0.07 |
2.0 | 1.72 ± 0.03 |
4.0 | 1.75 ± 0.04 |
6.0 | 1.69 ± 0.03 |
7.5 | 1.78 ± 0.05 |
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено наноструктурирование алюминиевого сплава AMg6 и представлены результаты сравнительных экспериментальных исследований сплава и нанокомпозита на его основе n‑AMg6/С60, микротвердости, упругих характеристик, механических характеристик при испытаниях на растяжение, а также влияние деформационного упрочнения на эти характеристики при многоцикловых процессах нагружения–разгрузки вплоть до разрушения образца. Для наноструктурных композитных образцов n-AMg6/C60 были измерены кривые напряжения–деформации σ = σ(ε) при циклическом изменении напряжения, приложенного к образцам. В ходе экспериментов в композитных образцах n-AMg6/C60 почти не было обнаружено остаточных деформаций, а кривые напряжения–деформации не содержали зон, соответствующих пластической деформации. Установлено, что обратимая механическая нагрузка–разгрузка образцов n-AMg6/C60 вызывает их упрочнение.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП ФГБНУ ТИСНУМ “Исследования наноструктурных, углеродных и сверхтвердых материалов”.
Список литературы
Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: ИКЦ “Академкнига”, 2007. 398 с.
Valiev R.Z., Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications. John Wiley & Sons, Inc., 2014. 456 p.
Конструкционные материалы: Справочник / Под общ. ред. Б.Н. Арзамасова. М.: Машиностроение, 1990. 688 с.
Langdon T.G. // Rev. Adv. Mater. Sci. 2012. V. 31. P. 1.
Langdon T.G. // Acta Mater. 2013. V. 61. P. 7035. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2013.08.018
Neiman G.W., Weertman J.R., Siegel R.W. // J. Mater. Res. 1991. V. 6. № 5. P. 1012. https://doi.org/10.1557/JMR.1991.1012
Рыжонков Д.И., Лёвина В.В., Дзидзигурди Э.Л. // Наноматериалы. М: БИНОМ, 2008. С. 18.
Glezer A.M. // Phys.-Usp. 2012. V. 55. № 5. P. 522. https://doi.org/10.3367/UFNr.0182.201205h.0559
Andrievski R.A., Glezer A.M. // Phys.-Usp. 2009. V. 52. № 4. P. 315. https://doi.org/10.3367/UFNr.0179.200904a.0337
Bezruchko G.S., Razorenov S.V., Popov M.Yu. // Tech. Phys. 2014. V. 84. № 3. P. 378. https://doi.org/10.1134/S1063784214030062
Valiev R.Z., Chmelik R., Bordenux F. et al. // Scripta Metall. Mater. 1992. V. 27. № 7. P. 855.
Agnew S.R., Weertman O.K. // Mater. Sci. Eng. A. 1998. V. 242. № 1–2. P. 174.
Vinogradov A., Nagasaki S., Patlan V. et al. // Nanostructured Materials. 1999. V. 11 (7). P. 925. https://doi.org/10.1016/S0965-9773(99)00392-X
Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Исламгалиев Р.К. и др. // Фундаментальные исследования. 2012. № 2–3. С. 391.
Голубовский Е.Р., Исламгалиев Р.К., Волков М.Е. и др. // Технология легких сплавов. 2013. № 4. С. 92.
Prokhorov V.M., Blank V.D., Bagramov R.H. et al. // AIP Conf. Proc. 2013. V. 1569. P. 389. https://doi.org/10.1063/1.4934461
Prokhorov V.M., Gromnitskaja E.L. // Phys. Solid State. 2018. V. 60. № 4. P. 769. https://doi.org/10.1134/S106378341804025X
Khalikova G.R., Korznikova G., Nazarov K.S. et al. // Lett. Mater. 2020. V. 10 (4). P. 475. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2020-4-475-480
Bobruk E.V., Lábár J.L., Gubicza J. et al. // Mater. Res. Lett. 2021. V. 9 (11). P. 475. https://doi.org/10.1080/21663831.2021.1976293
Lvova N.A., Evdokimov I.A., Perfilov S.A. // Adv. Mater. Res. 2015. V. 1119. P. 9. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/AMR.1119.9
Evdokimov I.A., Perfilov S.A., Pozdnyakov A.A. et al. // Inorg. Mater.: Appl. Res. 2018. V. 9 (3). P. 472. https://doi.org/10.1134/S2075113318030139
Евдокимов И.А., Хайруллин Р.Р., Баграмов Р.Х. и др. // Изв. вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2020. № 3. С. 76. https://doi.org/10.17073/1997-308X-2020-3-76-84
Volkov A.D., Kokshaiskii A.I., Korobov A.I. et al. // Acoustical Physics. 2015. V. 61. P. 651. https://doi.org/10.1134/S1063771016050067
Korobov A.I., Kokshaiskii A.I., Prokhorov V.M. et al. // Phys. Solid State. 2016. V. 58. P. 2472. https://doi.org/10.1134/S106378341612012X
Korobov A.I., Shirgina N.V., Kokshaiskii A.I. et al. // Acoustical Physics. 2019. V. 65. P. 151. https://doi.org/10.1134/S1063771019020064
Korobov A.I., Shirgina N.V., Kokshaiskii A.I. et al. // Acoustical Physics. 2018. V. 64. № 4. P. 415. https://doi.org/10.1134/S1063771018030119
Дополнительные материалы отсутствуют.
Инструменты
Российские нанотехнологии