» » Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов
14.01.2016

Анализ физической природы упрочнения металлических материалов свидетельствует о том, что решающим фактором достижения высоких прочностных характеристик в сочетании с хорошей пластичностью является высокая дисперсность структурных составляющих.
Для получения сплавов с высокой прочностью следует обеспечивать формирование структуры с мелкими зернами матричного твердого раствора и большим количеством как можно более дисперсных частиц упрочняющих фаз. В определенной мере такого рода структуры могут быть получены в результате распада высоколегированных пересыщенных твердых растворов при термообработке (старение закаленных в твердом состоянии сплавов). Другим, более эффективным способом создания структур такого типа является быстрая закалка расплава. Обычно это достигается высокоскоростным затвердеванием сплавов в виде микрослитков, и затем методами компактировання быстрозакаленных порошков получают заготовку или изделие нужной формы. Такая технологическая схема производства изделий, представляющая собой гранульную металлургию, ВЗР-, РИБЗ-, RSR-технологии, позволила создать новые материалы с высокими эксплуатационными свойствами на основе алюминия, никеля, железа и др.
Наличие в структуре быстрозакаленных сплавов аморфной матрицы с ультрадисперсными частицами нанокристаллической составляющей обеспечивает достижение лучших свойств (прочности, жаропрочности, пластичности), чем при чисто аморфной структуре.
Быстрозакаленный сплав Al87Y8Ni5 в виде ленты толщиной 20 мкм имеет уникальную для алюминиевых сплавов прочность σв ≥ 1000 МПа.
Для аморфных сплавов характерна значительная пластичность, что обеспечивает высокую технологичность заготовок из аморфной ленты сплава Fe40Ni40P14B6, полученной методом быстрой горячей штамповки.
Высокая пластичность быстрозакаленной аморфной ленты сплава Fе70Мо12С18 обеспечивает получение полного изгиба на 360 °С. При этом на поверхности изогнутой аморфной ленты образуются многочисленные полосы деформации сдвига.
При деформации растяжением аморфных сплавов разрушение происходит по плоскостям сдвига, расположенным под углом ~45— 55° к оси нагружения. Поверхность разрушения состоит из гладких участков сдвиговой деформации и участков ручьевого узора пластической нестабильности.
На рис. 5.10 представлены кривые деформации аморфной ленты сплава Pd80Si20 при испытаниях на растяжение при комнатной температуре, а также при 433 н 513 К с тремя различными скоростями деформации.
Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов

При комнатной температуре наблюдается упругая деформация ленты вплоть до разрушения при рассматриваемых скоростях деформации.
При температуре 433 К выявлено влияние скорости деформации на вид кривых деформации и установлен нелинейный ход кривых деформации, что свидетельствует о неупругом поведении аморфного сплава. Деформация с минимальной скоростью приводит к появлению максимума на кривой деформации и образованию в дальнейшем шейки на образце при значительной пластичности с однородной деформацией образца. При высоких скоростях деформации установлено наличие небольшого количества отчетливо выраженных полос сдвига и существенно более неоднородная деформация образца. Рост температуры деформации до 513 К способствует проявлению высокой пластичности при повышенной скорости деформации,
Таким образом, существует два типа деформации аморфных сплавов: при малых скоростях и высоких температурах происходит однородная деформация всего объема сплава (гомогенная деформация), которая является термически активируемым процессом. При низких температурах, высоких напряжениях и скоростях деформации развивается неоднородная деформация, когда в очень узких полосах сдвига сосредоточена большая часть деформации, в то время как основная часть металла остается практически недеформированной.
Образование полос сдвига оказывает различное влияние на пластичность аморфных сплавов в зависимости от схемы деформации: при растяжении наблюдается быстрое разрушение образца, чего не происходит при изгибе и прокатке.
Условия перехода от неоднородной деформации с преждевременным разрушением в результате развития трещины по интенсивным полосам сдвига, проявляющейся при низких температурах и высоких скоростях деформации аморфной ленты сплава Pd80Si20, к пластичному течению с образованием наклонной шейки при повышенных температурах и низких скоростях деформации представлены на рис. 5.10,б.
В полуфабрикатах из сплава на основе алюминия 8009 (8,5 % Fe, 1,3 % V, 1,7 % Si, остальное А1), изготовленных из быстрозакаленного порошка (скорость охлаждения 10в6 К/с), исключительно удачно сочетаются прочность и пластичность при комнатной и повышенной температурах: при 20 °С σв = 462 МПа, σ0,2 = 414 МПа, δ = 12,9 %; при 315 °С σв = 276 МПа, σ0,2 = 255 МПа, δ = 11,9 %. Упрочняющей фазой в этом сплаве служит сложный силицид на основе Al12Fe3Si.
Гранулируемые высокопрочные сплавы 7090 и 7091 системы Al—Zn—Mg—Сu с добавкой кобальта применяются в опытно-промышленном масштабе для изготовления некоторых видов полуфабрикатов авиационного назначения. Алюминиевые гранулируемые сплавы системы Al—Zn—Mg—Сu—Zr в сравнении с высокопрочным сплавом типа В95, полученным по традиционной технологии, имеют более высокую прочность при пониженной пластичности; σв = 820 МПа, σ0,2 = 750 МПа, δ = 4 % и σв = 680 МПа, σ0,2 = 650 МПа, δ = 7 % соответственно. Исследования характеристик конструкционной прочности этих полуфабрикатов позволили обнаружить пониженное сопротивление малоцикловой усталости, большую по сравнению с промышленными сплавами скорость распространения усталостных трещин, т.е. пониженные значения структурно-чувствительных характеристик.
Полуфабрикаты быстрорежущей стали Р6М5К5, полученные из распыленных порошков (гранул) методом горячего изостатического прессования с последующей горячей деформацией на 80—90 %, имеют однородную дисперсную структуру и высокие прочностные характеристики: предел прочности 2650 МПа при ударной вязкости 175 кДж/м2. Стойкость резцов из стали Р18, полученной по такой же технологии, вдвое выше, чем стойкость резцов из стандартной стали; средний размер карбидов в порошковой стали 0,6—0,9 мкм, а стали, полученной по традиционной технологии, 2—20 мкм.
Изделия из аустенитной хромо-никелевой стали типа 16—15 с 0,3 % В в стандартном состоянии (продольные образцы твэльных труб) имеют σв = 550 МПа, σ0,2 = 270 МПа, δ = 35 %, а в состоянии, полученном по РИБЗ-технологии, σв = 1680 МПа, σ0,2 = 350 МПа, δ = 40 %,
Сплав циркония с 1 % Nb в стандартном состоянии (кольцевые образцы твэльных труб) имеет σв = 380 МПа, σ0,2 = 350 МПа, δ = 26 %, в состоянии, полученном по РИБЗ технологии, σв = 470 МПа, σ0,2 = 430 МПа, δ = 34 %.
Титановый сплав Ti—6Al—4V в виде фасонного литья характеризуется следующими свойствами: σв = 930 МПа, σ0,2 = 840 МПа, δ = 7 %, а в состоянии, полученном горячим изостатическим прессованием распыленного порошка, σв = 970 МПа, σ0,2 = 880 МПа, δ = 14 %, при этом предел выносливости возрастает с 400 до 800 МПа.
Результаты определения механических свойств полуфабрикатов из сплавов на основе магния МА2-1 и МАИ, полученных компактированием быстрозакаленных порошков (гранул) и, для сравнения, из слитков, показывают преимущества как по прочностным характеристикам, так и по характеристикам пластичности полуфабрикатов, полученных по гранульной технологии. Кроме того, полуфабрикаты, полученные из гранул, отличаются меньшей анизотропией.
Основные прочностные свойства высоколегированных никелевых сплавов ЭП962П, ЭП741НП, полученных методом металлургии гранул, в сопоставлении с наиболее жаропрочным сплавом ЭП742, изготовленным по традиционной технология, приведены в таблице. Характерным является более высокий уровень свойств гранулируемых сплавов.
Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов

Высокая пластичность быстрозакаленых жаропрочных никелевых сплавов обусловлена высокой дисперсностью структуры. На рис. 5.11,а показана типичная поверхность разрушения быстрозакаленной ленты сплава нимоник 80А. По фрагменту поверхности, полученному при большем увеличении (рис. 5.11, б), установлен вязкий характер разрушения с образованием развитого рельефа, расстояния между ямками которого соответствуют междендритному расстоянию микрокристаллической структуры.
Важной характеристикой высоколегированных жаропрочных сплавов, в том числе сплавов на основе никеля, определяющей возможность изготовления изделий сложной формы, является технологическая пластичность, т. е. пластичность при достаточно высоких температурах при оптимальной схеме деформации.
Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов

На рис. 5.12 приведен внешний вид образцов литого и полученного методом металлургии гранул сплава ЖС6У после испытаний на осадку. Условия проведения горячей деформации были выбраны таким образом, чтобы наглядно сравнить технологическую пластичность литого металла и металла, полученного из быстрозакаленных гранул. Представленные варианты испытаний свидетельствуют о существенно более высокой пластичности компакта из быстрозакаленных гранул, деформация которого со степенью 70 % не сопровождалась образованием трещин, тогда как на литом образе трещины появились при деформации на 15 %.
Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов

Для жаропрочных никелевых сплавов, полученных компактированием быстрозакаленных гранул, характерно проявление сверхпластичности, что обусловлено наличием микрозернистой двухфазной дуплексной (γ + γ)-структуры. Горячая деформация растяжением сплава ЖС6У, полученного методом металлургии гранул (рис. 5.13) при температуре 1100 °С и скорости деформации 6,3*10-3 с-1, позволяет в режиме с верх пластичности достичь степени деформации 1100 %. Важную роль предварительной подготовки структуры иллюстрирует рис. 5.13, в, представляющий образец, подвергнутый стандартной упрочняющей термической обработке, разрушение которого произошло при испытаниях в тех же условиях без заметной пластической деформации.
Диаграмма на рис. 5.14 отражает возможность и определяет скоростной режим деформации быстрозакаленных сплавов с высокодисперсной структурой, полученных различными методами (в том числе нанокристалических и механически легированных) в условиях сверхпластичности.
Достигнутый уровень механических свойств быстрозакаленных сплавов