Исследование кинетики протекания диффузионных процессов в сваренном взрывом композите алюминий ад1 магний МА2-1 после термического воздействия*

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

В. Н. Арисова, Ю. П. Трыков, О. В. Слаутин, Е. А. Кобликова, А. И. Богданов
ИССЛЕДОВАНИЕ КИНЕТИКИ ПРОТЕКАНИЯ ДИФФУЗИОННЫХ ПРОЦЕССОВ В СВАРЕННОМ ВЗРЫВОМ КОМПОЗИТЕ АЛЮМИНИЙ АД1 — МАГНИЙ МА2−1 ПОСЛЕ ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ*
Волгоградский государственный технический университет
(e-mail: mv@vstu. ru)
Исследовано влияние термической обработки сваренного взрывом композиционного материала системы магний-алюминий на кинетику роста диффузионных прослоек. Изучены микроструктуры, микромеханиче-ские свойства и фазовый состав композита после сварки взрывом и последующего термического воздействия при температуре 400 °C и времени выдержки 3−50 часов.
Ключевые слова: магниево-алюминиевый композит, сварка взрывом, микромеханические свойства, термическая обработка, диффузия.
Influence of heat treatment of the composite material of magnesium-aluminium system welded by explosion on kinetics of growth of diffusion layers is investigated. Microstructures, micromechanical properties and phase structure of a composite after welding by explosion and the subsequent thermal influence are studied at temperature 400 °C and times of endurance of 3−50 hours.
Keywords: magnesium-aluminium composite, explosion welding, micromechanical properties, heat treatment, diffusion.
Комплексные технологические процессы, включающие сварку взрывом (СВ) и специальную термическую обработку (ТО), позволяют получать слоистые интерметаллидные композиты (СИК) многоцелевого назначения. Физические и механические характеристики материалов данного класса существенно определяются объемной долей выращенных в них диффузионных прослоек. Накопленный научный и экспериментальный задел позволяет отнести к числу перспективных СИК систему магний — алюминий [1, 2]. Однако отсутствие систематических исследований по влиянию термообработки на микромеханические свойства и кинетику диффузионного взаимодействия в магниево-алюминиевых композитах (КМ) затрудняет научно обоснованное назначение температурно-временных режимов рабочих операций комплексного технологического процесса получения композиционных изделий. Поэтому были проведены эксперименты, в ходе
* Работа выполнена при финансовой поддержке гранта РФФИ № 10−08−437-а, 11−08−97 021-р_Поволжье_а, проекта 2.1. 2/573 целевой программы Рособразования «Развитие научного потенциала высшей школы» и гранта Президента Российской Федерации МК-218. 2010.8.
которых исследовалось поведение биметаллических магниево-алюминиевых композитов при различных термовременных условиях.
Материалы и методы исследования
Для исследования были получены СВ двухслойные заготовки АД1-МА2−1 с толщиной плакирующего и основного слоев 2,5 и 3,0 мм. Сварку осуществляли по параллельной схеме на оптимальном режиме (скорости соударения ис1 = 550 м/с, скорость точки контакта ик = 2500 м/с), гарантирующем реализацию прочности соединения, соответствующей наименее прочному из соединяемых металлов — алюминию АД1. СВ производился на ПЭВМ по программе «Welding». Металлографические исследования осуществляли на модульном моторизованном оптическом микроскопе «Olympus BX61″ с фиксацией микроструктур цифровой камерой DP-12 при увеличениях *200-*1000. Параметры структуры биметалла измеряли при обработке цифровых изображений пакетом программ „AnalySIS“ фирмы Soft Imaging System Gmbh. Испытание на микротвердость по методу восстановленного отпечатка (ГОСТ 9450−76) вдавливанием алмазного индентора в форме
четырехгранной пирамиды с квадратным основанием проводили на приборе ПМТ-3М под нагрузками 0,1−0,5 Н. Фазовый состав биметалла АД1-МА2−1 определяли послойной рентгеновской съемкой на дифрактометре ДРОН-3М в характеристическом излучении KaCu. Идентификацию фаз проводили по базам данных PDF-2 ICDD (The International Centre for Diffraction Data) программой „Crystal impact match!“.
Результаты и их обсуждение
Для исследования процессов взаимодействия магния с алюминием в твердом состоянии образцы, полученные сваркой взрывом (СВ), подвергали термической обработке при температуре 400 °C в течение 3−50 ч.
Металлографические исследования соединения магния с алюминием, сваренного на оптимальном режиме, показали, что интерметаллид-ные фазы в зоне контакта отсутствуют (рис. 1).
Рис. 1. Микроструктура композиционного материала АД1-МА2−1 в исходном состоянии (после сварки взрывом). Увеличение *100
В [3, 4] было показано, что, начиная с температуры 150 °C, при выдержке в течение 1 ч и выше, в зоне соединения наблюдается рост диффузионной прослойки. Сначала происходит формирование локальных участков, которые с повышением температуры и времени нагревов увеличиваются в размерах и срастаются в одну сплошную прослойку. Начало образования этих участков не связано с характером волнообразования [3].
Увеличение времени ТО с 3 до 50 ч при температуре 400 °C (рис. 2) вызывает значительное увеличение толщины диффузионной зоны. Диффузионная прослойка растет вглубь АД1, т. е. градиент реактивной диффузии направлен в сторону алюминия. Микроструктура
Время отжига, ч
Рис. 2. Зависимость толщины (1) и доли (2) диффузионной прослойки в биметалле алюминий-магний от времени отжига при температуре 400 оС
диффузионной прослойки при максимальном времени выдержки 50 ч представлена на рис. 3. Увеличение толщины прослойки приводит к замедлению процессов диффузии на границе алюминий-магний [3].
Рис. 3. Микроструктура композиционного материала АД1-МА2−1 в состоянии после сварки взрывом и последующей термической обработки 400 °C в течение 50 ч, *100
Исследования распределения микротвердости в слоях композита АД1-МА2−1 показали, что в состоянии после сварки взрывом максимальное упрочнение магния и алюминия происходит в околошовной зоне. Твердость алюминия достигает 500 МПа, сплава МА2−1 превышает 1500 МПа. При удалении от ОШЗ средняя микротвердость в алюминии не превышает 400 МПа, сохраняя высокие (до 450 480 МПа) значения на расстоянии от 50 до 200 мкм от ОШЗ. В магниевом сплаве на расстоянии от 50 до 200 мкм от ОШЗ микротвердость находится на уровне 1200−1250 МПа и 900−1000 МПа на удалении от ОШЗ более 200 мкм (рис. 4, а).
С увеличением температуры и времени ТО
микротвердость в поперечном сечении исследуемых образцов снижается до значений, соответствующих отожженному состоянию Нагревы при 400 °C в диапазоне от 1 до 50 ч снижают твердость алюминия до 420 МПа и магния до 600 МПа.
Я2Л, МП» 2500
1000
1 АДІ 1 1 МА2−1


• ¦

5000
4000
3000
2000
1000



Р

1
-1600 -1200 -800
-400 О 400 Л, мкм
в
1200 1600
При этом происходит существенное увеличение микротвердости в ОШЗ алюминия вблизи границы соединения. Такой рост микротвердости свидетельствует о преимущественной диффузии магния в алюминий и формировании в нем интерметаллидной прослойки.
Яи, МПа 2500
2000
І* 1 1 МА2−1

I
I _
* * * * *
•. *
*
• 1600 -1200 -800 -400 О 400 800 1200 1600
и, мкм
а
//20. мш 6000
-1600 -1200 -800 -400 О 400 800 1200 1600
и, мкм
б
// 2*, МП*
6000
5000
4000
3000
2000
юоо
о
1




/

900 1300 1700
/|. мкм
г
Рис. 4. Распределение микротвердости в КМ алюминий-магний: а — после сварки взрывом, б-г — после отжига при 400 оС в течение 3, 10 и 50 ч соответственно
Выдержка в течение 3 ч приводит к упрочнению ОШЗ (до 2200 МПа) и снижению микротвердости алюминия до 400 МПа и магния до 530 МПа, однако твердость ОШЗ магниевого сплава остается высокой — на уровне 850 900 МПа (рис. 4, б). Увеличение времени ТО до 10 ч. приводит к росту твердости диффузионной прослойки до 2500 МПа (рис. 4, в), при этом уровень микротвердости основных слоев
не изменяется. Ширина диффузионной прослойки достигает 156 мкм. Дальнейшее увеличение времени ТО до 50 ч сопровождается ростом твердости диффузионной зоны, максимальное значение которой — 3 ГПа (рис. 4, г).
Фазовый состав диффузионной прослойки композита после термической обработки 400 °C в течение 50 ч., определенный рентгеноструктурным анализом, представлен в таблице.
Фазовый состав по толщине диффузионной прослойки КМ АД1-МА2−1 после термической обработки 400 °C, 50 ч
Материал слоя Расстояние до (от) границы соединения к, мкм Фазовый состав
Алюминий АД1 500 А1
350 А1
250 А1, следы А^М^^, Mg2A13 и Mg3Al2
200 А1, М& amp-А13, A112Mg17, Mg3A12
100 Mg2A1з, A1l2Mgl7, MgзAl2, следы А1
30 Mg2A13, Mg3A12, А112^^ё17
5 Mg2A13, Mg3A12, А112^^ё17
Магний МА2−1 0 Mg2A1з, MgзAl2,. ^А112^^М§ 17, следы Mg
30 Mg
100 Mg
Из таблицы следует, что по всей ширине диффузионной прослойки фазовый состав со стороны алюминия одинаков: кроме отражений А1 идентифицируются интерметаллидные фазы Mg3Al2, Mg2A13 и А112М§ 17, изменяется только их количественное соотношение. Фрагмент ди-
фрактограммы показан на рис. 5. При съемке со стороны магния МА2−1 интерметаллидные фазы обнаружены только в зоне соединения (таблица, рис. 6), преобладающей фазой является интерметаллид Mg2A13.
Л112М§ 1
М§ зЛЬ М§ 2Л1з
Л112Мё 17
Л112М217 *
ьЭ!
111 111 111
100 90 80 70 60 50 40 30 20
Рис. 5. Дифрактограмма при съемке со стороны алюминия АД1 на расстоянии 0,2 мм от границы соединения
М§ 2Л1
МшЛЬ
Мё2Л1з
ЛЬМци ^
> Мёз. 1
М§ 2Л1
МёзЛ12 I Л1ц2М§ 17
1мо_
г
т
т
т
т
т
100 90 80 70 60 50 40 30 20
Рис. 6. Дифрактограмма при съемке со стороны магния МА2−1 на границе соединения
Таким образом, в результате исследования микроструктуры и микромеханических свойств диффузионной прослойки установлено, что она обладает высокой твердостью (от 2 до 3 ГПа),
имеет сложный фазовый состав, что должно влиять на физико-механические и служебные свойства исследуемой магниево-алюминиевой композиции.
Выводы
1. Металлографические исследования соединения магния с алюминием, сваренного на оптимальном режиме (ис1 = 550 м/с, ик = 2500 м/с), показали, что интерметаллидные фазы в зоне контакта отсутствуют. Начиная с температуры 150 °C и выше (при выдержке в течение 1 ч), в зоне соединения наблюдается рост диффузионной прослойки. Сначала происходит формирование локальных участков, которые с повышением температуры и времени нагревов увеличиваются в размерах и срастаются в одну сплошную прослойку. Диффузионная прослойка растет вглубь АД1, т. е. градиент реактивной диффузии направлен в сторону алюминия.
2. В слоях композита АД1-МА2−1 в состоянии после сварки взрывом максимальное упрочнение происходит в ОШЗ. С увеличением температуры и времени ТО микротвердость в поперечном сечении исследуемых образцов снижается до значений, соответствующих отожженному состоянию, при одновременном ее увеличении в ОШЗ вблизи границ соединения. Такой рост микротвердости свидетельствует о преимущественной диффузии магния в алюминий и формировании в нем интерметаллической прослойки.
3. В результате исследования микромехани-ческих свойств диффузионной прослойки установлено, что она обладает высокой твердостью — от 2 до 3 ГПа.
4. Рентгеноструктурный анализ биметалла АД1-МА2−1, подвергнутого термической обработке в течение 50 ч при 400 °C, позволил идентифицировать следующие фазы в составе диффузионной прослойки: Mg2A13, Mg3Al2, A1l2Mgl7, количественное соотношение которых меняется при приближении к границе соединения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Трыков, Ю. П. Слоистые композиты на основе алюминия и его сплавов / Ю. П. Трыков, В. Г. Шморгун, Л. М. Гуревич. — М.: Металлургиздат, 2004. — 230 с.
2. Комплексная технология получения магниевоалюминиевого композита / В. Н. Арисова [и др.] // Известия Волгоградского государственного технического университета: межвуз. сб. науч. ст. № 3(29) / ВолгГТУ- Волгоград, 2007. — С. 9−15. (Сер. Проблемы материаловедения, сварки и прочности в машиностроении Вып. 3).
3. Закономерности формирования диффузионных прослоек в магниево-алюминиевом композите / В. Н. Арисова [и др.] // Известия вузов. Цветная металлургия. — 2007. -№ 4. — С. 47−52.
4. Влияние термической обработки на кинетику диффузии в магниево-алюминиевом композите / В. Н. Арисо-ва [и др.] // Материаловедение. — 2007. — № 10. — С. 29−33.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой