Impact of the microstructure changes under cyclic groove pressing on the mechanical behavior of Mg-Mn-Ce magnesium alloy.pdf Магниевые сплавы широко используются в современной автомобильной и аэрокосмической отраслях промышленности за счет своих высоких удельных механических свойств. Особый интерес представляют деформируемые магниевые сплавы системы Mg-Mn-Сс. Легирование церием позволяет повысить прочностные характеристики при повышенных температурах. В то же время содержание в магниевом сплаве марганца повышает коррозионную стойкость и обеспечивает хорошую пластичность. В последнее время ведутся интенсивные исследования, нацеленные на улучшение комплекса механических свойств магниевых сплавов как за счет легирования и дисперсного упрочнения внедренными частицами, так и за счет измельчения размеров зерен, повышения однородности их распределения в объеме элементов конструкций [1, 2]. Методы интенсивной пластической деформация (ИПД) лежат в основе перспективных технологий получения проката магниевых сплавов с мелкозернистой и ультрамелкозернистой структурой [3-6]. В данной работе для измельчения структуры в магниевом сплаве Mg-Mn-Сс использован метод циклического рифления прессованием (ЦРП), относящийся к методам ИПД. Ранее данный метод применялся для повышения прочностных характеристик плоского листового проката алюминиевых сплавов, меди, низкоуглеродистых сталей, никеля, магния [7-9]. ЦРП позволяет за счет изменений структуры, улучшать прочностные и деформационные свойства листового проката различных размеров, ограниченных лишь производственными мощностями. Целью данной работы было получение экспериментальных данных о влиянии изменений зеренной структуры магниевого сплава Mg-Mn-Сe после циклического рифления прессованием на физико-механические свойства в квазистатических условиях нагружения. Материал Исследовались структурные изменения в результате ЦРП в деформируемом магниевом сплаве Mg-Mn-Ce со следующим составом: Mn 1.3 %, Ce 0.2 %, Mg -остальное, в соответствии с ГОСТ 14957-76. Образцы с размерами 120x20x2 мм для обработки ЦРП вырезались из листового проката в отожженном состоянии вдоль направления проката. Модификация структуры методом циклического рифления при прессовании Для получения модифицированной зеренной структуры тонколистового проката магниевого сплава был использован метод циклического рифления прессованием, в процессе которого материал подвергается интенсивной сдвиговой деформации в условиях повышенного гидростатического давления. ЦРП реализуется через обжатие плоского образца между двумя пресс-формами, выпрямление между двумя плоскими пресс-формами, сдвига образца на шаг рифления и повторное рифление с повторным выпрямлением. Принципиальная схема процесса представлена на рис. 1. форма оснастки для рифления (а), форма оснастки для выпрямления (b) Fig. 1. Basic scheme of a cyclic groove pressing: shape of the (a) grooving and (b) flattening equipment Пластическая деформация происходит в основном в области сдвига, где эквивалентная деформация eeff достигает значения ~0.58. Соответственно, после одного прессования и одного выпрямления тонколистового образца общая деформация составляет eeff = -1.16. Нагружение ранее недеформированных зон достигается за счет поворота образца на 180°. При многократном прессовании накопление пластической деформации в образце оценивается с помощью соотношения: £eff = -1.16n, где n - число циклов прессования с рифлением. ЦРП ранее применялась для обработки алюминиевого сплава 1560 [10]. В результате моделирования были получены оценки эволюции напряженно-деформированного состояния образцов, сил, действующих в элементах пресс формы во всем диапазоне деформирования [11]. Сконструированная по результатам моделирования пресс-форма была изготовлена и применялась для обработки магниевого сплава, исследованного в данной работе. Циклическое прессование образцов магниевого сплава Mg-Mn-Ce выполнялось при температуре прессования (250 ± 5) °С, времени выдержки образца в прессформе - 3 мин, скорости прессования - 10 мм/мин, количестве циклов - 3. Для минимизации трения в качестве смазки поверхностей образца и прессформ использовалась высокотемпературная смазка на основе дисульфида молибдена. Микроструктурные изменения в результате циклического рифления при прессовании Анализ структуры образцов в состоянии поставки и полученных после циклического рифления прессованием проводился методами оптической и электронной сканирующей микроскопии. Образцы для исследования зеренной структуры вырезались из образца электроэрозионным методом на установке DK7750 в направлении, нормальном плоскости заготовки. После механической шлифовки и полировки алмазными суспензиями c размерами частиц ~ 1 мкм, поверхность была протравлена 3 %-м раствором азотной кислоты в спирте. Структура анализировалась с использованием оптической микроскопии, размер зерна был определен методом измерения длин хорд по ГОСТ 5639-82. Исследования зеренной структуры методом дифракции отраженных электронов (ДОЭ) проводили на электронном микроскопе Tescan Vega II LMU. Зеренная структура магниевого сплава Mg-Mn-Ce в исходном состоянии состояла из равноосных зерен с размерами, имеющими нормальное распределение в диапазоне 2-20 мкм, со средним размером зерна 9 мкм (см. рис. 2, а, с, e). Анализ структуры обработанных образцов показал, что в ходе рифления прессованием исходная равноосная зеренная структура претерпевает изменения. Средний размер зерна уменьшается от 9 мкм до 2.2 мкм, зерна имеют размеры в диапазоне от 0.5 до 5 мкм (рис. 2, b, d, f). Подобные закономерности изменения параметров зеренной структуры в результате ИПД, наблюдались в магниевом сплаве AZ31 (МА 2) при близких степенях деформации, был получен численно близкий эффект уменьшения размера зерна [12, 13]. Это обстоятельство указывает на существование общих закономерностей эволюции зеренной структуры в магниевых сплавах при интенсивной пластической деформации. Механическое поведение магниевого сплава после ЦРП Для испытаний на растяжение из исходных заготовок электроэрозионным методом были вырезаны плоские образцы в виде лопаток, с размерами рабочей части 9.45x2x1.1 мм. Испытания на растяжение проводились на универсальной элек-тромехнической испытательной машине Instron 5948 при скорости деформации 10 с-1 и комнатной температуре. Испытания проводились в соответствии с ISO 6892-1. Уменьшение средних размеров зерна магниевого сплава сопровождается ростом сопротивления пластическому течению, изменением величины деформационного упрочнения и предельных характеристик. На рис. 3, а показаны экспериментальные диаграммы напряжение - деформация, полученные при растяжении образцов сплава в состоянии поставки (кривая 1) и после ЦРП (кривая 2). Результаты свидетельствуют о повышении напряжения течения для сплава после трех циклов ЦПР. Условный предел текучести сплава в состоянии поставки составил (105 ± 5) МПа, предел кратковременной прочности - (273 ± 10) МПа, предельная деформация до разрушения -17 % (рис. 3, а). На рис. 3, b представлены зависимости коэффициента деформационного упрочнения dстs / d&pq как функции пластической деформации. f 20 10 e ШШШШМ т .. ■ л 3 JiM^WrJ 16 8 п П £12 о н 6 [5 8 О 4 2 4 iL 1 2 3 4 5 Средний размер, мкм 0 0 20 Рис. 2. Зеренная структура сплава Mg-Mn-Ce в состоянии поставки (а, с, e) и после трех циклов ЦРП (b, d,f): оптические снимки (a, b), анализ методом ДОЭ (с, d), гистограмма распределения зерен по размеру (e, f Fig. 2. Grained structure of Mg-Mn-Ce alloy at as-received state (a,c,e) and after three cycles of cyclic groove pressing (b, d,f): (a,b) optical micrographs, (c, d) EBSD analysis, and (e,f) distribution histogram according to a grain size 350 п 300 250 200 150 100-1 50 0 6 5 св С 4 чз is 3Н чз 0,05 0,10 0,15 Деформация 0,20 1 , Начало IV стадии 0 0,05 0,10 0,15 0,20 Деформация Рис. 3. Диаграммы истинное напряжение - истинная деформация (а): образец в состоянии поставки (кр. 1), образец после циклического рифления прессованием (кр. 2); зависимость коэффициента деформационного упрочнения от пластической деформации (b): образец в состоянии поставки (кр. 1); образец после трех циклов циклического рифления прессованием (кр. 2) 2 1 Fig. 3. True stress - true strain diagram for Mg-Mn-Ce alloy (a) at as-received state (curve 1) and after three cycles of cyclic groove pressing (curve 2); strain hardening coefficient as a function of the plastic strain of Mg-Mn-Ce alloy (b) at as-received state (curve 1) and after three cycles of cyclic groove pressing (curve 2) Образцы из сплава Mg-Mn-Ce, подвергнутого циклическому рифлению прессованием, демонстрируют механическое поведение, отличное от поведения образцов в состоянии поставки. Произошло увеличение прочностных характеристик, так условный предел текучести возрос на ~30 % и составил (140 ± 5) МПа, предел прочности увеличился на ~17 % и составил (320 ± 10) МПа. Предельная деформация до разрушения составила ~19 %. Подобные изменения прочностных свойств при испытаниях на растяжение в целом характерны для магниевых сплавов при модификации их микроструктуры различными методами ИПД [14-17]. Изменения значений предельной деформации до разрушения магниевого сплава при уменьшении среднего размера зерна могут быть обусловлены активацией новых дополнительных систем скольжения в зернах с микронными размерами, подобный эффект наблюдался в различных магниевых сплавах при измельчении зе-ренной структуры [18-21]. Измельчение зеренной структуры в магниевых сплавах также существенно уменьшает анизотропию их механических свойств. Для дальнейшего анализа деформационного поведения обратимся к рис. 3, b, как видно из представленных графиков, при модификации зеренной структуры изменяется также и коэффициент деформационного упрочнения (КДУ). На протяжении почти всей третьей стадии (стадии параболического упрочнения) значение КДУ образца из обработанного материала выше, чем у образца из материала в состоянии поставки. Также стоит отметить уменьшение переходной зоны при переходе на четвертую стадию, что обусловлено более быстрым переходом от базисного скольжения к призматическому за счет уменьшения размера зерна. Уровень деформационного упрочнения и механизм переориентации внутри зерна, а также механизмы его измельчения при умеренных температурах деформации объясняются формированием в образце дислокационной субструктуры, в частности они определяют упрочнение при больших пластических деформациях (стадии III и IV кривых деформации), соответствующих обработке ЦПР [22-24]. Микротвердость образцов в исходном состоянии и после рифления прессованием была измерена на полуавтоматическом микротвердомере Duramin 5 производства Struers при нагрузке 2.0 Н и временем выдержки под нагрузкой 12 с. Значение микротвердости сплава Mg-Mn-Ce после обработки методом ЦПР имеет тенденцию к увеличению. В состоянии поставки микротвердость сплава Mg-Mn-Ce составляла 0.48 ГПа, а после трех циклов ЦРП на 12.5 % выше (0.54 ГПа). Заключение Интенсивная пластическая деформация материала до степени 3.5 приводит к измельчению зерна и формированию в материале структуры с распределением размеров зерен в диапазоне от 0.5 до 5 мкм. Проведенное исследование влияния модификации зеренной структуры листового проката магниевого сплава Mg-Mn-Ce, на особенности механического поведения при растяжении и микротвердость показало, что структурные изменения, достигнутые после трех циклов ЦРП приводят к улучшению механических свойств материала, предел упругости и временное сопротивление разрушению возрастают на 30 и 17 % соответственно, при испытаниях на осевое растяжение в квазистатических условиях со скоростью деформации 10 с-1. За счет уменьшения среднего размера зерна также улучшается склонность материала к активации дополнительных систем скольжения, что, в свою очередь, способствует достижению больших степеней деформации по сравнению с крупнокристаллическим материалом. Полученные данные о механическом поведении сплава Mg-1.3Mn-0.2Ce после обработки ЦПР согласуются с экспериментальными данными о механическом поведении мелкозернистых ГПУ сплавов, полученных другими методами ИПД.

Скачать электронную версию публикации