Формування структури сплаву АМг6 у зварних з'єднаннях виробів відповідального призначення тривалого терміну експлуатації

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦіОНАЛЬНА МЕТАЛУРГіЙНА АКАДЕМіЯ УКРАїНИ

УДК 669.715:621.791

Формування структури сплаву АМг6 у зварних з'єднаннях виробів відповідального призначення тривалого терміну експлуатації

Спеціальність 05.16.01

“Металознавство та термічна обробка металів”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

СИНИЦІНА ЮЛІЯ ПЕТРІВНА

Дніпропетровськ - 2007



Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник Доктор технічних наук, професор Калинушкін Євген Павлович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедри металознавства

Офіційні опоненти: Доктор технічних наук, професор Спиридонова Ірина Михайлівна, Дніпропетровський національний університет, м. Дніпропетровськ, професор кафедри металофізики;

Кандидат технічних наук, доцент Береза Олена Юріївна, Дніпропетровський державний аграрний університет, м. Дніпропетровськ, професор кафедри фізики та матеріалознавства

Провідна установа: ДП “Науково-дослідний та конструкторсько-технологічний інститут трубної промисловості ім. Я.Ю. Осади” (відділення матеріалознавства та термообробки), Міністерство промислової політики України, м. Дніпропетровськ

Захист відбудеться " 12 " червня 2007 р. о 12 - 30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д08.084.02 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

Автореферат розісланий " 04 " травня 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради А.М. Должанський



АНОТАЦІЯ

Синиціна Ю.П. Формування структури сплаву АМг6 у зварних з'єднаннях виробів відповідального призначення тривалого терміну експлуатації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.01 - Металознавство і термічна обробка металів. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2007.

Дисертація спрямована на подовження терміну експлуатації зварних з'єднань виробів відповідального призначення зі сплаву АМг6.

Вперше встановлено наявність і температурні умови утворення кластерних з'єднань певних морфологічних типів у розплаві промислового сплаву АМг6. Це дозволяє розробити раціональні режими охолодження зварних з'єднань у виробах відповідального призначення для їх тривалого зберігання. зварний температурний промисловий сплав

Набуло подальшого розвитку дослідження кількісних характеристик структури кластерних утворень у розплаві сплаву АМг6 в інтервалі надліквідусних температур. Це дозволило розширити уявлення про процеси, що протікають у розплаві сплаву АМг6, і їх впливу на структуроутворення при твердінні сплавів на основі алюмінію, а також процеси природного старіння у зварних з'єднаннях сплаву АМг6 при їх тривалому зберіганні.

Набуло подальшого розвитку дослідження умов зернограничного окрихчування зварних з'єднань сплаву АМг6 після перегріву до температур, що забезпечують структурні зміни ближнього порядку розташування атомів. Такі дані є базовими для розробки режимів зварювання та дозволяють визначити критерій надійності для зварних з'єднань виробів відповідального призначення при їх тривалому зберіганні.

Набуло подальшого розвитку встановлення зв'язку між виділенням надлишкових фаз на основі Al і Mg по межах зерен та структурою кластерних утворень у сплаві АМг6. Отримані дані дозволили розробити раціональні режими зварювання у виробах відповідального призначення з урахуванням перегріву сплаву. Набуло подальшого розвитку дослідження структуроутворення сплаву АМг6 при його плавленні та твердінні у температурному, характерному для зварювальних процесів. Отримані дані дозволяють виробити рекомендації з вибору типу зварювання для виробів відповідального призначення для тривалого зберігання до початку експлуатації.

Ключові слова: сплав АМг6, надлишкова фаза, кластери, рідина, зварне з'єднання, старіння, нерівноважне плавлення, структуроутворення, твердіння.



АННОТАЦИЯ

Синицына Ю.П. Формирование структуры сплава АМг6 в сварных соединениях изделий ответственного назначения длительного срока эксплуатации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.01 - Металловедение и термическая обработка металлов. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертация направлена на продление срока эксплуатации сварных соединений изделий ответственного назначения из сплава АМг6.

Впервые установлены наличие и температурные условия образования кластерных соединений определенных морфологических типов в расплаве промышленного сплава АМг6. Получило дальнейшее развитие исследование структурообразования сплава АМг6 при его плавлении и затвердевании в температурном интервале, характерном для сварочных процессов. Полученные данные позволяют не только выработать рекомендации по выбору способа сварки для изделий ответственного назначения, но и для других легких сплавов, например сплавы системы Al - Li.

Получило развитие установление связи между выделением избыточных фаз на основе Al и Mg на границах зерен в зависимости от структуры кластерных образований в сплаве АМг6. Это позволяет разработать рациональные режимы охлаждения сварных соединений в изделиях ответственного назначения предназначенных для их длительного хранения и выработать рекомендации по выбору типа сварки

Получило развитие исследование количественных характеристик структуры кластерных образований в расплаве сплава АМг6 в интервале надликвидусных температур. Это позволило расширить представления о процессах, протекающих в расплаве сплава АМг6, и их влиянии на структурообразование при затвердевании сплавов на основе алюминия, а также процессах естественного старения и условий зернограничного охрупчивания в сварных соединениях сплава АМг6 при их длительном хранении в локальних областях перегрева до температур, обеспечивающих структурные изменения ближнего порядка расположения атомов.

Ключевые слова: сплав АМг6, избыточная фаза, кластеры, жидкость, сварное соединение, старение, неравновесное плавление, структурообразование, затвердевание.



SUMMARY

Synytsina Y.P. AMg6 alloy structure formation in welding joints of critical products for long operating time. - Typescript.

Candidate dissertation according to the specialty 05.16.01 - Physical metallurgy and metals heat-treatment. - National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2007.

The present Candidate dissertation is directed for the prolongation of operating time of welding joints for critical products made from AMg6 alloy.

Presence and temperature conditions of definite morphology cluster compounds formation in industrial AMg6 melt have been determined for the first time. The investigation of AMg6 alloy structure formation during its' melting and solidification under the specific for welding intervals of cooling rates has been developed. The determination of association between excess phases based on Al and Mg abstraction along grain boundaries depending from cluster structure in AMg6 melt has been developed. The obtained data allows the proper welding modes development for long - term storage critical products.

The investigation of cluster compounds structure quantity characteristics in AMg6 alloy melt (in the area of above-liquidus temperatures) has been developed. This fact allows the knowledge development both about the processes which take place in AMg6 alloy melt and their influence on structure formation under the solidification of alloys based on Al. Also, it makes possible to investigate the processes of natural aging in AMg6 alloy welding joints during their long-term storage.

The investigation of grain-boundary cracking in AMg6 alloy welding joints after overheating has been developed. These overheating temperatures provide near arrangement of atoms changing.

Key words: AMg6 alloy, excess phase, cluster, liquid, welding joint, aging, nonequilibrium melting, structure formation, solidification.



ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Сплави системи Al - Mg відносять до числа найбільш використовуваних легких сплавів у машинобудуванні та є одними із самих перспективних при розробці легких високоміцних сплавів, які використовують для зварювання виробів відповідального призначення й тривалого зберігання до початку їх експлуатації.

Процес зварювання включає процеси нерівноважного плавлення й наступного твердіння розплаву. Тому особливе значення в цих умовах має визначення температурної залежності будови розплаву сплаву АМг6, а саме наявність і температурні умови утворення кластерних утворень певних морфологічних типів і їх спадкоємний вплив на структуру твердого сплаву. Ці процеси вивчено для модельних сплавів. Однак, відомостей про вплив процесів, що відбуваються в рідкому розплаві промислових алюминієво-магнієвих сплавів, на процеси структуроутворення, немає.

Особливістю промислового сплаву АМг6 є його схильність до утворення зернограничних виділень інтерметалевих фаз при твердінні й у твердому стані. Це призводить до зернограничного окрихчування промислового сплаву АМг6 після перегріву його розплаву до температур, що забезпечують структурні зміни ближнього порядку розташування атомів. Визначення залежності між процесами структурних змін ближнього порядку в рідині й окрихчування зварених з'єднань у твердому стані робить можливим підготовку рекомендації про зниження схильності зварних з'єднань до інтеркристалевого окрихчування. Традиційний шлях вирішення цієї задачі, підвищення якості зварних з'єднань шляхом введення додаткових компонентів, не усуває зернограничного окрихчування, однак призводить до подорожчання сплаву.

Особливості атомної структури рідких алюмінієво-магнієвих сплавів, а саме, кластерних утворень в інтервалі надліквідусних температур істотно впливають на кінетику їх твердіння, до якісної зміни механізму твердіння, а саме, виділенням надлишкових фаз на основі Al і Mg на межах зерен залежно від структури кластерних утворень у сплаві АМг6 і комплексу фізико-механічних властивостей затверділого сплаву, але, на жаль, запропоновані теорії про процеси, які відбуваються у рідкому стані, у тому числі й кластерні, стосуються модельних, а не промислових сплавів.

Відсутність зазначених даних ускладнює керування процесами твердіння промислових алюминієво-магнієвих сплавів, і як наслідок, одержання неякісних зварних з'єднань у виробах відповідального призначення й тривалого зберігання до початку їх експлуатації.

Тому робота, спрямована на вивчення питань будови, структури й кількісних характеристик кластерних утворень у розплаві промислового сплаву АМг6 в інтервалі надліквідусних температур, а також особливостей впливу режимів зварювання на структурні характеристики, умови виділення, склад надлишкових фаз залежно від структури кластерних утворень і впливу інтервалу швидкостей охолодження на структуроутворення сплаву АМг6 при його плавленні та твердінні, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання дисертаційної роботи пов'язане з тематичними планами наукових досліджень Національної металургійної академії України за науково-дослідною роботою: ДР № 0102U000873, а також з темами, які виконувалися в рамках програми “Зарядье” ДКБ Південне.

Мета й завдання дослідження. Встановити закономірності структуроутворення у зварених швах сплаву АМг6 за різних температурних параметрів формування шва, а також встановити взаємозв'язок будови рідкого металу зі структурою зварних з'єднань зі сплаву АМг6 виробів відповідального призначення при тривалому зберіганні.

Для досягнення поставленої мети в роботі необхідно було вирішити наступні завдання:

· вивчити будову розплаву промислового сплаву АМг6 в інтервалі надліквідусних температур;

· вивчити структуру й кількісні характеристики кластерних утворень у розплаві сплаву АМг6;

· вивчити особливості впливу способів зварювання на структурні характеристики сплавів типу АМг6;

· вивчити умови виділення й склад надлишкових фаз залежно від структури кластерних утворень;

· використати отримані дані для підвищення якості зварених з'єднань сплаву АМг6 виробів відповідального призначення.

Об'єкт дослідження. Закономірності формування мікроструктури сплаву АМг6 з урахуванням процесів, що відбуваються в рідкому стані на можливість продовження строків зберігання виробів до початку експлуатації.

Предмет дослідження. Структури сплаву АМг6, отримані методами спінінговання розплаву на диск та швидкого охолодження з твердо-рідкого та рідкого стану, а також зварні з'єднання сплаву АМг6 у складі виробів відповідального призначення, які проходять тривале зберігання до початку експлуатації.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження роботи базуються на фундаментальних положеннях металознавства про структуру й процеси, що протікають у рідині, законах зварюваності виробів і процесів, що відбуваються при тривалому зберіганні виробів (природному старінні). При проведенні досліджень було використано сучасні методи: мікроструктурний аналіз - використовувався для визначення мікроструктури й фазового складу промислового сплаву АМг6, а також для оцінки кількості, розмірів, форми й розподілу фаз: Mg₅Al₈, FeAl₃, Mg₂Si, (Si,Fe)Al₃; рентгеноструктурний аналіз - використовували для ідентифікації фаз Mg₅Al₈, FeAl₃, Mg₂Si, (Si,Fe)Al₃ за їх кристалоструктурними характеристиками: локальний мікрорентгеноспектральний аналіз - використовували для визначення хімічного складу мікрообластей промислового сплаву АМг6; електронну мікроскопію - використовували для дослідження мікроструктурних характеристик сплаву і фрактографічного дослідження зломів промислового сплаву АМг6; отримані результати обробляли за допомогою спеціальних програм.

Наукова новизна отриманих результатів. Наукова новизна роботи визначається наступними результатами:

1. Вперше встановлено наявність і температурні умови утворення кластерних з'єднань певних морфологічних типів у розплаві промислового сплаву АМг6. Розробка відрізняється досліджуваним матеріалом - промисловим сплавом АМг6. Це дозволяє розробити раціональні режими охолодження зварених з'єднань у виробах відповідального призначення для їх тривалого зберігання.

2. Набуло подальшого розвитку дослідження кількісних характеристик структури кластерних утворень у розплаві сплаву АМг6 в інтервалі надліквідусних температур. Розробка відрізняється досліджуваним матеріалом - промисловим сплавом АМг6 і методом одержання зразків (спінингування розплаву на диск, мікротомії й наступного дослідження на растровому електронному мікроскопі високої розділової здатності у відсутності теплових і радіаційних змін атомної будови). Це дозволило розширити уявлення про процеси, що протікають у розплаві сплаву АМг6, і їх впливу на структуроутворення при твердінні сплавів на основі алюмінію, а також процесах природного старіння у зварених з'єднаннях сплаву АМг6 при їх тривалому зберіганні.

3. Набуло подальшого розвитку дослідження умов зернограничного окрихчування зварених з'єднань сплаву АМг6 після перегріву до температур, що забезпечують структурні зміни ближнього порядку розташування атомів. Розробка відрізняється досліджуваними температурними інтервалами перегріву розплаву сплаву АМг6 у зварених з'єднаннях виробів відповідального призначення. Такі дані для є базовими для розробки режимів зварювання та дозволяють визначити критерій надійності для зварювальних з'єднань виробів відповідального призначення при їх тривалому зберіганні.

4. Набуло подальшого розвитку встановлення зв'язку між виділенням надлишкових фаз на основі Al і Mg на границях зерен та структурою кластерних утворень у сплаві АМг6. Розробка відрізняється визначенням залежності виділень надлишкових фаз на основі Al і Mg від структури кластерних утворень за допомогою растрового електронного мікроскопа. Отримані дані дозволили розробити раціональні режими зварювання у виробах відповідального призначення з урахуванням перегріву сплаву.

5. Набуло подальшого розвитку дослідження структуроутворення сплаву АМг6 при його плавленні та твердінні у температурному інтервалі характерному для зварювальних процесів. Розробка відрізняється температурним інтервалом характерним для зварювальних процесів сплаву АМг6. Отримані дані дозволяють не тільки дати рекомендації з вибору типу зварювання для виробів відповідального призначення та тривалого терміну зберігання до початку експлуатації, але і інших легких сплавів, зокрема сплавів системи Al - Li.

6. Набуло подальшого розвитку дослідження процесів природного старіння у зварних з'єднаннях сплаву АМг6 в залежності від способу зварювання. Розробка відрізняється досліджуваним матеріалом - зварними з'єднаннями сплаву АМг6, які отримані способами автоматичного та ручного зварювання. Отримані дані дозволяють визначити ймовірні температури у зварній ванні, при яких у процесі твердіння не утворюються зернограничні виділення надлишкових фаз у процесі їх тривалого зберігання до початку експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів. Практичне значення отриманих результатів полягає у тому, що шляхом теоретичних узагальнень результатів комплексних досліджень, встановлених закономірностей структуроутворення, взаємозв'язку між процесами, що протікають у рідині, й структурних змін, що відбуваються у твердому стані при тривалому зберіганні виробів відповідального призначення зі сплавів типу АМг6 були визначені параметри зварювання, що забезпечують необхідний комплекс експлуатаційних властивостей виробів.

На підставі результатів теоретичних і експериментальних досліджень сформульовано рекомендації з питань підвищення стабільності характеристик міцності конструкційних сплавів і можливості продовження термінів їх експлуатації:

Запропоновано наступні рекомендації для ДКБ Південного:

- ґрунтуючись на змінах кластерної будови рідкого сплаву, було раціоналізовано технологічні параметри зварювання виробів у зв'язку з тим, що перегрів сплаву у зварювальній ванні впливає на механізм його старіння при тривалому зберіганні;

- з використанням критерію надійності визначено можливий час зберігання виробів, при якому структурні характеристики змінюються менш ніж на 10 %, і фаза, що зміцнює, не утворює зернограничних прошарків, що не призведе до втрати характеристик міцності (Акт про використання рекомендацій від 05.10.2006 р).

Крім того, наукові результати також використовуються в навчальному процесі на кафедрі металознавства Національної металургійної академії України при виконанні студентами лабораторних, практичних робіт, дипломних проектів і випускних магістерських робіт (Довідка від 06.10.2006 р).

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи, отримано здобувачем самостійно при проведенні досліджень, результати яких опубліковано в співавторстві (у порядку, наведеному у списку опублікованих робіт). Авторові належать: [1, 2, 3] - постановка мети й завдань дослідження; вибір наукових підходів їх рішень; проведення експериментів з виготовлення зразків зі сплаву АМг6 для металографічних, мікрорентгеноспектральних та фрактографічних досліджень; аналіз отриманих результатів, формулювання висновків за отриманими результатами; [4, 5] - постановка мети й завдань дослідження; вибір наукових підходів їх рішень; проведення експериментів з виготовлення зразків зі сплавів системи Al - Li для металографічних, мікрорентгеноспектральних та фрактографічних досліджень; аналіз отриманих результатів, формулювання висновків за отриманими результатами; [6, 7] - постановка мети й завдання дослідження для сплаву АМг6; проведення експериментів з виготовлення зразків зі сплаву АМг6 для металографічних, фрактографічних досліджень;

Апробація результатів роботи. Результати дисертації було повідомлено й обговорено на: II Міжнародній конференції “Наука й освіта ' 1999” (м. Київ - Дніпропетровськ - Луганськ - Черкаси - Дніпродзержинськ, 1999 р.); III Міжнародній конференції “Наука й освіта ' 2000” (м. Київ - Дніпропетровськ - Харків - Черкаси, 2000 р.); II Всеукраїнській молодіжній науково - практичній конференції “Людина й космос” (м. Дніпропетровськ, 2000 г.); 21 Міжнародній щорічній науково - практичній конференції “Композиційні матеріали в промисловості” (м. Ялта, 2001 р.); IV Міжнародній конференції “Наука й освіта ' 2001” (м. Дніпропетровськ - Дніпродзержинськ - Харків - Черкаси - Житомир, 2001 р.); VII Міжнародній науково - практичній конференції “Наука й освіта ' 2004” (м. Дніпропетровськ, 2004 р.); II Міжнародній науково - технічній конференції “Молода академія 2005” (м. Дніпропетровськ, 2005 р.).

Публікації. Матеріали дисертаційної роботи опубліковано в 7 друкованих працях у спеціалізованих наукових виданнях, перелік яких затверджено ВАК України.

Структура дисертації. Робота складається з вступу, 5 розділів, висновків, списку літературних джерел з 117 найменувань і додатків. Загальний зміст роботи викладено на 119 сторінках. Робота містить: таблиць - 4, рисунків - 55.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведено загальну характеристику проблем, зв'язаних із формуванням структури сплаву АМг6 у зварних з'єднаннях виробів відповідального призначення тривалого терміну експлуатації, обґрунтовано актуальність, сформульовано мету і задачі дослідження, освітлено наукову новизну і практичну цінність отриманих результатів.

У першому розділі наведено огляд літературних джерел з питань структурних змін при зварюванні, аналізу діаграми стану системи Al - Mg, впливу легуючих елементів на структуроутворення сплавів системи Al - Mg, сучасних уявлень про будову металевих розплавів та методів дослідження розплавів, умов та механізмів утворення кластерів.

Однією з головних причин погіршення корозійної стійкості сплаву є випадіння - фази (Мg₅А1₈) по межах зерен, яка має більш електронегативний потенціал у порівнянні з потенціалом - твердого розчину. Сплави є дуже чутливими до корозії під напругою, якщо вони мають структуру з тонкими (нитковидними) виділеннями - фази по межах зерен.

Технологія зварного виробництва являє собою мікроелектрометалургію, основним етапом якої є плавлення металу. Після розплавлення металу відбувається твердіння рідкої металевої ванни, часто з дуже великими швидкостями через малі обсяги рідини і високу теплопровідність основного металу. Тому процеси, що відбуваються в рідкому металі, становлять особливий інтерес. Традиційний спосіб підвищення експлуатаційних властивостей, пов'язаний з додатковим легуванням і модифікуванням, багато в чому вичерпав себе, тому актуальними є дослідження, спрямовані на пошук нетрадиційних способів керування структуроутворенням і формуванням комплексу властивостей сплавів. Найбільш перспективним є поліпшення структурних характеристик сплавів і термогодинний вплив на метал в області навкололіквидусних температур і безпосередньо при його твердінні.

Вивчення робіт провідних вчених в області металознавства, а саме, процесів, які протікають у рідини, та методів вивчення цих процесів (Дж.Стюарта, Ф.Франка, Дж. Бернала, Я.И. Френкеля, В.И. Данилова, И.З. Фишера, А.Ф. Скрышевского, П.С. Попеля, В.И. Мазура й інших) показало, що проведені дослідження присвячено, взагалі, модельним сплавам.

Особливості формування структури у твердому стані зварних з'єднань алюмінієво-магнієвих сплавів описано в роботах К.П. Буніна, Ю.Н. Тарана, В.И. Добаткина, Г.А. Николаєва, И.Н. Фридляндера й інших дослідників.

На підставі аналізу літературних даних визначено етапи рішення актуальної науково-технічної задачі - підвищення якості зварних з'єднань виробів відповідального призначення зі сплаву АМг6 після тривалого їх зберігання.

В другому розділі наведено дані про матеріал і методики дослідження. Матеріалом слугували зразки сплаву АМг6, отримані методами спінінгування розплаву на диск та швидкого охолодження з твердо-рідкого та рідкого стану, а також зварні з'єднання сплаву АМг6 у складі виробів відповідального призначення, які проходять тривале зберігання до початку експлуатації.

У роботі було використано сучасні методи: мікроструктурний аналіз - використовували для визначення мікроструктури й фазового складу промислового сплаву АМг6, а також для оцінки кількості, розмірів, форми й розподілу фаз: Mg₅Al₈, FeAl₃, Mg₂Si, (Si,Fe)Al₃; рентгеноструктурний аналіз - використовували для ідентифікації фаз Mg₅Al₈, FeAl₃, Mg₂Si, (Si,Fe)Al₃ за їх кристалоструктурними характеристиками: локальний мікрорентгеноспектральний аналіз - використовувався для визначення хімічного складу мікрообластей промислового сплаву АМг6; електронну мікроскопію - використовували для дослідження мікроструктурних характеристик і фрактографічного дослідження зломів промислового сплаву АМг6; отримані результати обробляли за допомогою спеціальних програм.

У третьому розділі У сплавах системи Al - Mg спостерігається значна зміна розчинності в - фази (Mg₅Al₈) в б - фазі залежно від температури. Це може забезпечити в сплавах із вмістом магнію більше ніж 1,4 % (за масою), але не вище 17,4 %, після загартування однофазну структуру - пересичений б - твердий розчин. При старінні такого сплаву відбувається виділення високодисперсної фази Mg₅Al₈ з упорядкованою структурою, переважно по межах зерен. Такий характер розпаду приводить до різкого зниження корозійної стійкості при майже невеликому збільшенні міцності.

Було проведено металографічний аналіз зразків, отриманих на установці стоп - гартування. Тут і далі під загартуванням розуміють, що при прискореному охолодженні у гартівній ванні рідина твердіє з утворенням пересиченого твердого розчину й дрібно дисперсперсної евтектики, що морфологічно відрізняється від фаз на момент початку прискореного охолодження. Хімічний склад досліджених зразків складає з Mg (5,60 - 6,30 %), Si (0,40 - 0,60 %), Fe (0,50 - 0,70 %), Cu (0,20 - 0,50 %) за масою та Al - основа. Вибіркове травлення проводили за загальноприйнятими методиками у розчині (33,3 мл HNO₃ + 100 мл води) при температурі 70єС протягом 10 сек. Травлення виявило багатофазність структури сплаву. При нагріванні сплаву до температури 500єС, структура представлена б - твердим розчином і включеннями фази Mg₅Al₈. Порівняльний аналіз зі структурою вихідного сплаву показує укрупнення включень фази Mg₅Al₈ при її незмінній об'ємній частці. Це свідчить про процес коалесценції, а наявність глобулярних включень - про процеси коагуляції.

Зерна твердого розчину частково орієнтовані у напрямку прокатки сплаву. Фаза виділяється по межах зерен і має пластинчасту морфологію. Процеси плавлення досліджуваного сплаву починаються при температурі 550єС. Перші мікроділянки рідини утворюються на межі поділу фази Mg₅Al₈ і б - твердого розчину. Морфологія рідкої фази у загартованих зразках, являє собою пересичений твердий розчин легуючих компонентів в алюмінії. Тут і далі під рідкою фазою розуміється продукт її твердіння при прискореному охолодженні у гартівній ванні з охолодним середовищем (10% розчином повареної солі). За допомогою методу фазового контрастування та растрової електронної мікроскопії зазначену фазу ідентифіковано, як Mg₅Al₈. При дослідженні характеристик первинної електронної емісії ця фаза має більш темний відтінок, що свідчить про її менший порядковий номер (внаслідок підвищеного змісту Mg). Це також підтверджено результатами мікрорентгеноспектрального аналізу: границя поділу - матриця.

Порівняльний аналіз зі структурою, отриманою при нагріванні до температури 500єС, показує укрупнення включень Mg₅Al_8, а зміна морфології фази свідчить про протікання процесів коалесценції. Початок плавлення фази Mg₅Al_8, а, відповідно, й зменшення її об'ємної частки також свідчить про інтенсифікацію процесів сферіодизації. Включення Mg₅Al₈ набувають глобулярної форми.

Подальше підвищення температури до 600єС призводить до збільшення кількості рідкої фази й зміни її складу. При ізотермічній витримці зазначені процеси призводять до збіднення твердого розчину, який прилягає до рідини, кремнієм і залізом, що також відбивається на складі рідини. У зв'язку із цим протягом ізотермічної витримки в деяких випадках поряд зі збільшенням кількості рідкої фази спостерігається її часткове твердіння з утворенням евтектики скелетної форми. Також при цій температурі спостерігається початок плавлення евтектики Al + Mg₅Al₈. При цьому фрагменти евтектичного плавлення розташовуються як по межах зерен, так і усередині зерна. Середній розмір фаз і їхня об'ємна частка при температурі нагрівання під загартування 600єС знижується у порівнянні з попередньою температурою загартування. Через невелику кількість рідкої фази визначення її об'ємної частки не можливе.

Кількість рідкої фази стає помітною вже при температурі нагрівання під загартування 650єС. Структура, загартована від цієї температури, являє собою б - твердий розчин, включення надлишкової фази Mg₅Al₈ і рідину. У структурі спостерігається збільшення розміру надлишкової фази, що є наслідком протікання процесів коалесценції фази Mg₅Al₈. При цьому об'ємна частка надлишкової фази Mg₅Al₈ також збільшується. Фаза розташовується як по межах зерен вихідного металу, так і в осьових ділянках.

Структура зразків, нагрітих до 700єС, являє собою б - твердий розчин, надлишкові фази Mg₅Al₈ і (Si, Fе)А1₃ та рідину. Наявність фаз - Mg₅Al₈ і (Si, Fе)А1₃ - підтверджено результатами рентгеноспектрального аналізу. Дослідження сплаву при температурі 700єС не виявило значної зміни кількості рідкої фази. При цьому було зафіксовано утворення нової фази (Si, Fе)А1₃. Ця фаза має вигляд дрібно дисперсних включень кубічної форми, які можуть утворювати ланцюжки. Включення нової фази найчастіше виявляються у місцях контакту рідини й фази Mg₅Al₈. Аналіз досліджених особливостей дозволяє припустити можливість здійснення перитектичного перетворення:

Mg₅Al₈ > Ж + (Si, Fе)А1₃.

Існування перитектичної реакції підтверджено також зміною складу рідини, що свідчить про дифузійний масопереніс через рідину легуючих елементів і елементів домішок. Особливістю зазначеного перитектичного перетворення є те, що кількість рідкої фази істотно не збільшується. Результати мікрорентгеноспектрального аналізу показують зниження змісту Mg. Як видно, у цьому випадку рідка фаза виконує функцію трансферту елементів між твердими фазами, що беруть участь у перитектичній реакції. При даній температурі збільшується сумарна об'ємна частка фаз, але при цьому розмір цих фаз значно зменшується. При температурі нагрівання під загартування 750°С інтенсифікуються процеси плавлення, що призводить до збільшення кількості рідкої фази. У процесі плавлення спостерігається зменшення розміру фаз Mg₅Al₈ і (Si, Fе)А1₃, а також зменшення їх об'ємної частки. Можна припустити, що плавлення відбувається за механізмом зворотних при нагріванні перитектичних реакцій наступного типу:

Al₈Mg₅ > Mg₂Si + Ж (Si, Fе)А1₃ > FеА1₃ + Ж



Існування роздільних перитектичних реакцій підтверджується ще й тим, що фази Mg₅Al₈ - Mg₂Si і (Si, Fе)А1₃ - FеА1₃ мають загальну межу поділу, попарно контактуючи з рідиною. При зазначеній температурі не спостерігається близького розташування фаз Mg₅Al₈ - Mg₂Si і (Si, Fе)А1₃ - FеА1₃ відповідно вищевказані перитектичні реакції здійснюються в одному інтервалі. Отже, структура сплаву, нагрітого до температури 700єС, являє собою фази Mg₅Al₈, Mg₂Si, (Si, Fе)А1₃, FеА1₃, рідину і б - твердий розчин. Підвищення температури до 800єС не призводить до якісних змін структури. Наявність у структурі фаз Mg₂Si, FeAl₃ підтверджено результатами мікрорентгеноспектрального аналізу. При температурі стоп-гартування 800єС спостерігається незначне зменшення розміру надлишкових фаз і незначне збільшення кількості об'ємної частки фаз.

При збільшенні температури до 850єС кількість нерозплавленого твердого розчину незначна. Структура сплаву, нагрітого до температури 850°С, являє собою б - твердий розчин, у якому присутні фази FeAl₃ і Mg₂Si, які локалізуються на межі поділу твердий розчин - рідина й розчиняються у рідкій фазі. Про наявність даних фаз свідчать результати мікрорентгеноспектрального аналізу.

Неможливо однією моделлю кристалічної структури описати усю ріноманітність кристалічних ґрат у складних фазах з різним типом межатомної взаємодії, так само неможливо дати єдину модель будови рідини для різних складних систем.

Під структурними перетвореннями в металевих розплавах розуміють перебудову ближнього порядку, що супроводжується стрибкоподібною зміною межатомної відстані й (або) координаційного числа. Про структурні перетворення в рідині вище лінії рівноважного ліквідусу взагалі судять за зміною фізичних властивостей розплаву й результатами його рентгеноструктурного аналізу. Однак ці методи не дозволяють виявити морфологію кластерних утворень і характер їх взаємодії.

У роботі було здійснено спробу безпосереднього спостереження структури сплавів системи алюміній - магній при температурах вище рівноважного ліквідусу. Зразки досліджували, за допомогою растрового електронного мікроскопа з холодним катодом з підвищеною роздільною здатністю. При роздільній здатності менш 1,5 нм вдалося розділити продукти загартування рідкої фази (ближній порядок) і кластерні утворення розміром 5 - 500 нм.

За умов прискореного охолодження (спінінгування розплаву на диск, який швидко обертається) структура сплаву, нагрітого до температури 1000°С, являє собою зону розупорядкування, що займає весь об'єм. За літературними даними температура розупорядкування перевищує температуру плавлення (627°С) на 200 - 500°С. Зразки досліджували при кімнатній температурі (20°С), але в описі фотографій було використано температуру, при якій здійснювали загартування методом спінінгування розплаву на диск.

Відповідно до прийнятих сучасних теорій, оскільки швидкість охолодження при твердінні рідкого стану становить 10⁶ К/с і зразки досліджували одразу ж після одержання, то зміна їх фазового складу в результаті природного старіння зведено до мінімуму. Для перевірки цього висновку кілька зразків витримували протягом трьох годин у вакуумі при температурі 1000°С. Їх структура при цьому не змінилася.

Для певної відповіді на питання про структурні перетворення в рідких металах необхідні достовірні й детальні дослідження структури ближнього порядку, які не можуть бути отримані експериментально. У зв'язку із цим використовують різні моделі будови рідини. Відповідно до однієї з таких теорій в рідині є групи атомів - сиботаксиси, з упорядкованим, подібно кристалічному розташуванню атомів. Упорядковане розташування атомів у сиботаксисах (їх також називають кластерами, комплексами й ін.) чергується з хаотичним у розпорядкованих областях. Різких обкреслених меж між упорядкованою й розупорядкованною зонами не існує. Аналіз результатів дослідження рідкого стану методами рентгеноструктурного й мікрорентгеноспектрального аналізів зразків, загартованих з високою швидкістю, дозволив авторам зробити висновок, що вторинні виділення являють собою сильно пересичений твердий розчин Mg в Al. Однак морфологія вторинних виділень у даній роботі не досліджувалася. Це пов'язано із труднощами фіксування високотемпературного стану за умов швидкоминучих процесів утворення й розпаду кластерів. Крім того мікрорентгеноспектральний аналіз має не досить високої локальності для того, щоб зробити висновок про склад вторинних виділень. За умов прискореного охолодження структура сплаву нагрітого до температури 850⁰С, відповідно до теорії кластерів, може бути представлена розупорядкованою зоною, дисперсність якої складає 5 - 25 нм і кластерними утвореннями, які морфологічно відрізняються у структурі рідини. На жаль, локальність сучасних мікрорентгеноспектральних аналізів через фізичні особливості цього методу становить 500 - 1000 нм, у зв'язку із цим визначення точного хімічного складу неможливе. Однак електронне зондування в області скупчення кластерів одного типу дозволяє якісно визначити їх фазовий склад. Зокрема було встановлено, що кластери, радіус яких становить 50 нм, відносяться до наступного типу (Fe_xSi_yMg_z)Al. Дану будову рідини, з погляду кластерної моделі, можна пояснити тим, що предметом дослідження були не модельні сплави, а промисловий сплав АМг6. Утворення кластерів переважно відбувалося в ділянках сегрегації мікродомішок, кількість (масова частка) яких не дозволяло їх відповідно ідентифікувати.

При температурі загартування в інтервалі від 800°С до 750°С можливі об'єднання кластерів радіусами від 20 нм до 60 нм типу (Fe_xSi_yMg_z)Al у термодинамічностійкі групи в даному температурному інтервалі.

При 700⁰С спостерігали структурні перебудови кластерів. У рідкому стані багатьма авторами зафіксовано відхилення від монотонності температурної залежності структурночутливих характеристик. Кластери переміщаються у рідині, можуть розпадатися й виникати, час їх життя при температурі поблизу температури плавлення дорівнює 10^-7 - 10^-8 с.

Самі кластери й розпорядкована зона є термодинамічно нестійкими. Продовження “життя” кластерів (сиботаксисів) і розпорядкованої зони залежить від складу рідини й температури. Це можна пояснити тим, що для утворення кластера типу (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈ потрібно більшу кількість атомів, ніж для кластера (Fe_xSi_yMg_z)Al. Отже, обсяг і радіус кластерного утворення збільшується до 100 нм, при цьому зберігається сферична форма кластера. Наявність кластера типу (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈ підтверджено результатами якісного мікрорентгеноспектрального аналізу.

При температурі 650°С морфологічні зміни кластерів типу (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈ не відбуваються. Можливі об'єднання кластерів радіусами 50 - 100 нм (близько 10000 атомів) у термодинамічностійкі групи при даній температурі (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈. При зародженні в металевому розплаві зародків твердої фази, необхідне переохолодження рідини, тим більше, чим вище ступінь валентності міжатомних зв'язків у кристалі.

Особливу увагу приділено лікваційним процесам, що протікають у рідині при температурі 700°С, бо при даній температурі відбувається перебудова кластерних утворень. За аналогією із процесами стрибкоподібних змін властивостей (конденсації, розшарування розчинів) можна думати, що при деякій температурі здійснюється стрибок концентрації вакансій. Концепція, висунута Френкелем, Бреслером, Франком показує, що зменшення енергії утворення вакансій може викликати стрибкоподібний процес - структурну дифузію. Вище температури 700°С стійкими є кластерні утворення типу (Fe_xSi_yMg_z)Al, тому що температура плавлення або ж, точніше сказати, температура, що призводить рідину до хаотичного стану вище 1000°С, й зв'язок між атомами кластерних утворень (Fe_xSi_yMg_z)Al вище, ніж між атомами кластерних утворень (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈. Виникнення нового кластерного утворення пов'язано з перебудовою кластерів (флуктуацій). Кластерне утворення малого обсягу менш стійке в порівнянні із кластерами більшого обсягу, тому що вони мають додаткову вільну поверхневу енергію. За певних умов термодинамічно можливим є утворення кластерів більшого обсягу, тому що кластери малого обсягу - термодинамичнонестійкі. Водночас, кластери більшого обсягу не можуть виникнути відразу, минаючи стадії малих розмірів. Ріст кластерів малого обсягу призведе до термодинамічностійких кластерних утворень більшого обсягу. Тоді як при температурі перегріву нижче 700°С (близької до температури ліквідусу даного сплаву 627°С) атомний зв'язок між кластерними утвореннями (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈ збільшується й атоми кластерного утворення притягують до себе атоми Si. Структурна мікронеоднорідність розплаву спричиняє формування в ньому й хімічної неоднорідності внаслідок нерівномірного розподілу домішкових атомів між структурними складовими (кластерами й розпорядкованною зоною). Це явище має назву внутрішньої адсорбції. Аналізуючи отримані результати можна зробити висновок про те, що кластерні утворення типу (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈ є не стійкими в умовах високих перегрівах рідини, у той же час кластерні утворення типу (Fe_xSi_yMg_z)Al - нестійкі за умов, так званих, низьких температур (поблизу лінії ліквідусу).

У четвертому розділі вивчено формування структури сплаву системи Al - Mg при природному старінні.

У відповідності до діаграми стану, у сплавах системи Al - Mg, спостерігається значна зміна розчинності в - фази залежно від температури в б - твердому розчині. Це забезпечує при прискореному охолодженні та вмісті магнію від 1,4 до 17,4 % (за масою) однофазну структуру - пересичений б - твердий розчин. Водночас при старінні такого сплаву відбувається виділення високодисперсної фази переважно по межах зерен. Такий характер розпаду призводить до різкого зниження корозійної стійкості при дуже невеликому збільшенні міцності. Це явище можна пояснити низьким рівнем спотворення на межі поділу частка виділень - матриця, малою міцністю самих часток і реактивною дифузією, що супроводжується руйнуванням або виникненням нових фаз.

В якості досліджуваного матеріалу було використано зразки сплаву АМг6 і зварні з'єднання даного сплаву як у вихідному стані, так і після їх природного старіння протягом 9 і 13 років.

Дослідження полягали в проведенні металографічного кількісного та якісного аналізів. При цьому аналізували об'ємну частку та дисперсність в - фази, а також коефіцієнт суміжності. Структурний аналіз не виявив візуальних розходжень із вихідним станом. Кількість ділянок, що мають схильність до наступного окрихчування, практично не змінилася. Старіння сплаву проявляється лише в невеликому збільшенні об'ємної частки в - фази і її кристалів.

Більшою мірою процеси старіння проявляються у зварених з'єднаннях сплаву АМг6. Структуру зварного шва надано рівноосьовими включеннями в - фази, схильної до сегрегації в міжосьових областях первинних дендритів. При автоматному зварюванні зону термічного впливу надано декілька більшою кількістю в - фази у порівнянні з металом шва, яка проявляє деяку тенденцію до декорування зерен. Однак, зернограничні виділення носять фрагментарний характер. Водночас у місцях перегріву або ручного підвара стиків мають місце досить протяжні зернограничні виділення, у деяких місцях можливо механічне й корозійне розтріскування.

Фрактографічний аналіз поверхні руйнування зразків зварених з'єднань сплаву АМг6 після зберігання протягом 9 - 13 років показав значні зміни в характері руйнування залежно від локалізації магістральної тріщини й геометричних параметрів звареного з'єднання. Як узагальнений параметр, що враховує обидва ці фактори було обрано безрозмірний коефіцієнт (К), що представляє собою відношення величини зони термічного впливу шва до товщини зварного виробу. Фізична суть цього коефіцієнта полягає у наступному. Відомо, що погонна енергія зварювання визначається перетином зварних виробів. Перегрів металу у зварювальній ванні збільшує зону термічного впливу шва. Таким чином, коефіцієнт, з одного боку, враховує геометричні розміри шва й, з іншого боку, відбиває перегрів металу в рідкому стані. Таким чином, величина коефіцієнту показує існування впливу на закономірності старіння сплаву й зміни його властивостей. При невеликих значеннях К = 0,03 - 0,15 руйнування сплаву відбувається за в'язким механізмом, що характеризується ямочним зламом. При К = 0,03 фасетки зламу досить глибокі, включення зміцнюваної фази, що ініціюють руйнування, мають глобулярну форму на дні фасеток. При К = 0,08 глибина фасеток зменшується й зміцнювана фаза набуває стрижневої форми.

При К = 0,15 руйнування характеризується меншою пластичною деформацією до зародження магістральної тріщини. При середніх значеннях К = 0,2 - 0,23 у зламах спостерігаються мікроділянки квазікрихкого руйнування, розташування яких не має структурної прив'язки. У фасетках в'язкого відколу, що прилягають до областей квазікрихкого руйнування, виявляються дрібні включення, частково зруйновані при деформації, які морфологічно відрізняються від включень зміцнюваної фази. При максимальних значеннях К = 0,3 - 0,35 у зламах виявлено ділянки крихкого відколу, що мають терасоподібну будову. Області відколу мають характерну шиферність і рівчакість, а ділянки тендітного відколу - дрібно дисперсну будову.

Обробка даних кількісного металографічного аналізу підтверджує, що ступінь розпаду твердого розчину залежить від параметрів зварювання.

При збільшенні значень погонної енергії до критичних, які забезпечують заданий перегрів металу, спостерігається зменшення глибини фасеток в'язкого руйнування й руйнування за типом в'язкого відколу, а також збільшення відсотка мікроділянок тендітного руйнування, ініційованого зернограничними виділеннями інтерметалевої в - фази.

У п'ятому розділі вивчено формування структури сплаву системи Al - Li при плавленні у температурному інтервалі 650...800°С. При перегріванні сплаву системи Al - Li вище температури плавлення та його наступного природного старіння було зафіксовано зернограничне виділення Al₂CuLi.

У зварних з'єднання термічностійких зміцнюваних алюмінієво-літієвих сплавів, які отримані методом аргонодугового зварювання також можливо утворення міжграничних інтерметалевих фаз, наприклад фази Al₂CuLi після штучного старіння.

Застосування методу детонаційного впливу, забезпечує високоякісне нерознімне з'єднання з рівномірним розподілом зміцнюваної фази.



ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В дисертації викладено теоретичне узагальнення і запропоновано нове рішення наукової і практичної задач - встановлення закономірностей структуроутворення у зварених швах сплаву АМг6 за різних температурних параметрів формування шва з рідкого стану у твердий з використанням сучасних металографічних методів дослідження для досягнення необхідних властивостей у зварних з'єднаннях виробів відповідального призначення та тривалого терміну зберігання.

1. Аналіз літератури свідчить про те, що вивчення закономірностей формування структури, особливо процесів, що відбуваються в рідині сплаву АМг6, а також вплив режимів зварювання на можливості продовження строків експлуатації, є актуальним завданням.

2. Металографічним методом вивчено закономірності структуроутворення при плавленні сплаву АМг6. Структура зразків при нагріванні у температурному інтервалі 550 - 850°С являє собою б - твердий розчин і виділення інтерметалевих фаз Mg₂Si, FeAl_3, Mg₅Al₈, (Si, Fе)А1_3. Перші мікроділянки рідини утворюються при температурі 550°С на межі поділу фази Mg₅Al₈ і б - твердого розчину. При температурі 600°С спостерігається початок плавлення евтектики Al + Mg₅Al_8, яка розташовується як по межах зерен, так і усередині зерна. При температурі 650°С кількість рідкої фази стає помітною, а збільшення розміру включень Mg₅Al₈ є наслідком протікання процесів коалесценції. При температурі 700°С структуру, за результатами мікрорентгеноспектрального аналізу надано б - твердим розчином, фазами Mg₅Al₈ і (Si, Fе)А1₃ і рідиною. Зафіксовано утворення дрібно дисперсних включеннями кубічної форми нової фази (Si, Fе)А1₃ за перитектичним механізмом Mg₅Al₈ > Ж + (Si, Fе)А1₃. Підвищення температури до 800°С не призводить до якісних змін структури. При температурі 850°С кількість нерозплавленого твердого розчину незначна. Структура сплаву за результатами мікрорентгеноспектрального аналізу являє собою б - твердий розчин та фази FeAl₃ і Mg₂Si, які локалізуються на межах поділу твердий розчин - рідина. Металографічним методом вивчені закономірності структуроутворення при плавленні у сплаві системи Al - Li.

3. Методом високошвидкісного загартування з рідкого стану (спінінгування розплаву на диск) було отримано структури сплаву АМг6 при нагріванні до температур 600 - 1000°С. За результатами структурного аналізу та використовуючи модель кластерної будови, дозволили розділити в структурі зони упорядкування (кластери) і розупорядкування. Методом растрової електронної мікроскопії високої роздільної здатності встановлено, що кластерні утворення мають розмір 50 - 500 нм і морфологічно відрізняються в структурі рідини. Визначено ймовірні температурні інтервали існування кластерних утворень і проведено їх класифікацію на високотемпературні кластерні утворення (700 - 850°С) малого обсягу типу (Fe_xSi_yMg_z)Al і низькотемпературні кластерні утворення (627 - 700°С) великого обсягу - типу (Fe_xSi_y)Mg₅Al₈. Експериментально встановлено, що температура розупорядкування сплаву АМг6 становить 1000°С, вище цієї температури у зразках присутня винятково зона розупорядкування.

4. Досліджені зміни структури зварних з'єднань сплаву АМг6 при його природному старінні. Показано, що природне старіння сплаву АМг6 після 9 років не призводить до значних змін у структурі, які спостерігаються після 13 років зберігання. Встановлено кореляцію між характерним розташуванням і кількістю надлишковим фаз у зварних з'єднаннях і механізмом руйнування. При збільшенні погонної енергії до критичних, що забезпечують заданий перегрів металу, спостерігається зменшення глибини фасеток в'язкого руйнування й руйнування за типом в'язкого відколу, а також збільшення відсотка мікроділянок тендітного руйнування, ініційованого зернограничними виділеннями інтерметалевої в - фази.