eng
Выпуск #5/2025
Е.В.Бобрук
ПРОЯВЛЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
ПРОЯВЛЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ В НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВАХ
Просмотры: 966
В представленной статье приведен обзор формирования наноструктурированного состояния, сопровождающегося распадом пересыщенного твердого раствора с образованием Zn, Mg, Cu сегрегаций и вторичных фаз, в сплавах систем Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si и Al–Cu–Mg для достижения эффекта низкотемпературной сверхпластичности.
Получено: 21.05.2025 г. | Принято: 30.05.2025 г. | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318
Научная статья
ПРОЯВЛЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ в наноструктурированных алюминиевых сплавах
Е.В.Бобрук1, к.т.н., вед. науч. сотр., доц., ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
Аннотация. В представленной статье приведен обзор формирования наноструктурированного состояния, сопровождающегося распадом пересыщенного твердого раствора с образованием Zn, Mg, Cu сегрегаций и вторичных фаз, в сплавах систем Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si и Al–Cu–Mg для достижения эффекта низкотемпературной сверхпластичности.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, наноструктурное состояние, сегрегация, сверхпластичность, зернограничное проскальзывание
Для цитирования: Е.В. Бобрук. Проявление низкотемпературной сверхпластичности в наноструктурированных алюминиевых сплавах. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 308–318. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318.
Received: 21.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318
Original paper
MANIFESTATION OF LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTICITY IN NANOSTRUCTURED ALUMINUM ALLOYS
E.V.Bobruk1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher, Docent, ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
Abstract. The presented paper gives an overview of nanostructured state formation accompanied by the decomposition of supersaturated solid solution with forming the Zn, Mg, Cu segregations and secondary phases in alloys of Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si and Al–Cu–Mg systems to achieve the effect of low-temperature superplasticity.
Keywords: Al alloy, nanostructured state, segregation, superplasticity, grain boundary sliding
For citation: E.V. Bobruk. Manifestation of low-temperature superplasticity in nanostructured aluminum alloys. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP.308–318. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318.
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпластическое (СП) поведение обычно описывают соотношением (1):
, (1)
где, согласно [1], D – коэффициент диффузии; G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса; K – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; d – средний размер зерна; σ – приложенное напряжение (напряжение течения); p – показатель степени обычно равная 2; n – величина, обратная коэффициенту скоростной чувствительности напряжения течения m; A – безразмерный коэффициент.
Данное уравнение показывает взаимосвязь между внешними условиями деформации и внутренним строением материалов. Из него следует, что уменьшение размера зерна должно приводить к увеличению скорости и снижению температуры деформации, при которых проявляется СП-поведение.
На сегодняшний день известно, что при переходе сплавов с размером зерен менее 10 мкм в СП-состояние наблюдается смена механизма деформации от внутризеренного дислокационного скольжения (ВДС), контролируемого объемной диффузией, к зернограничному проскальзыванию (ЗГП), контролируемому диффузией по границам зерен (ГЗ) [2–4].
Многими исследователями [3–5] отмечены необычные свойства ГЗ в наноструктурных металлах, полученных воздействием интенсивной пластической деформацией (ИПД). Наряду со структурой ГЗ на развитие зернограничных процессов заметное влияние оказывают тип и концентрация примесей и сегрегации [6, 7], что является важным в проявлении СП поведения при пониженных температурах.
Целью данной работы являлось обобщение результатов недавних исследований реализации низкотемпературной СП (НТСП), установленной на модельных и промышленных Al сплавах таких систем легирования, как Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si и Al–Cu–Mg. В этих исследованиях особое внимание уделено выявлению физической природе НТСП, где наряду с ультрамелким размером зерен в алюминиевых сплавах, сформированных в процессе ИПД, заметную роль играет состояние ГЗ, связанное с наличием зернограничных сегрегаций, а также наноразмерные частицы вторых фаз, которые подавляют миграцию ГЗ и, таким образом, ограничивают рост зерен [8–15].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования были выбраны сплавы: Al-30%Zn, Al-4.8%Zn-1.2%Mg-0.14%Zr, Al–5.7Zn–2.2Mg–1.6Cu–0.25Cr, Al-5,66Mg-0,81Mn-0,67Zn-0,09Zr, Al-0,60Mg-0.60Si-0,10Cu-0,10Mn-0,15Zn-0,50Cr и Al-4,98Cu-1,49Mg-0,73Mn-0,04Si-0,07Fe (вес.%).
Для формирования наноструктурированного (НС) состояния после обработки получали твердый раствор, из которого делали заготовки из материалов исследования в виде дисков диаметром 20 мм подвергали ИПД методом кручения под квазигидростатическим давлением (КВД) при комнатной температуре (КТ) и приложенном давлении 6 ГПа.
Для структурных исследований использовались просвечивающий электронный микроскоп JEOL JEM 2100, сканирующие ПЭМ (СПЭМ) JEOL®-ARM200F с детектором JEOL® JED-2300 для энерго-дисперсионного (ЭДС) анализа и Titan Themis G2 200 с детектором EDS Super-X, сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с полевой эмиссией FEI Quanta 600, оснащенного программным обеспечением TSL OIMTM. Более подробно методики описаны в работах [8–16].
Механические испытания проводили на универсальной испытательной машине INSTRON-5982, оснащенной термокамерой с программным обеспечением Bluehill 3 для определения напряжения течения и относительного удлинения до разрыва. Величину коэффициента скоростной чувствительности (m) определяли по формуле (2):
, (2)
где σ – напряжение течение при степени деформации 100%; έ – скорость деформации.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В процессе кручения под высоким давлением (КВД) при КТ в бинарном модельном сплаве Al-30Zn сформирована однородная УМЗ-структура (рис.1а) [8–10]. Формирование УМЗ-структуры сопровождается распадом пересыщенного твердого раствора, приводящего к зарождению частиц Zn как в теле, так и по границам зерен алюминия (рис.1b). Размер зерен алюминия составляет 410±30 нм, размер выделений Zn внутри зерен алюминия – 10±4 нм. Крупные частицы Zn размером более 100 нм образуются в тройных стыках этих зерен. На границе большинства зерен отмечается образование прослоек атомов Zn, имеющих ширину около 5 нм.
Формирование НС-состояния в сплаве Al-30Zn, обладающего отмеченными выше особенностями, привело к проявлению признаков НТСП [8, 10]. В НС-состоянии Al-30Zn сплав демонстрирует необычайно высокое удлинение до разрушения – 235% при КТ и скорости деформации 10–4 с–1. При этом коэффициент скоростной чувствительности (m) составляет 0,32. Повышение температуры испытания до 100 °С позволило достичь удлинения 265% при скорости деформации 10–4 с–1. Величина m составляет 0,45.
На основании исследований бинарного сплава было установлено, что легирование Zn позволяет кардинально перестроить состояние высокоугловых ГЗ в алюминевых сплавах с ультрамелким зерном. В результате ускоренных диффузионных процессов атомы Zn при деформации перераспределяются и формируют сегрегации по границам зерен алюминия, облегчающие ЗГП – основного механизма СП [8].
Другим распространенным легирующим элементом алюминиевых сплавов является Mg, который, как было показано в исследованиях [5, 11, 12], в процессе формирования ультрамелких или наноразмерных зерен, образуя сегрегации вдоль границ зерен алюминия и наноразмерные частицы вторых фаз, повышает их устойчивость к деформационно-термическим воздействиям за счет снижения энергии ГЗ, и уменьшения их подвижности, что тоже оказывает положительное влияние на достижение повышенных значений пластичности.
На примере высокопрочных НС-сплавов системы Al–Zn–Mg в работах [11, 12] было представлено влияние взаимодополняющих элементов Zn и Mg на особенности структурно-фазового состояния и эффект НТСП. Обработка образцов сплава Al-4.8Zn-1.2Mg-0.14Zr (вес.%) методом КВД при КТ привела к формированию наноструктурного состояния с размером зерна около 100 нм и образованию частиц метастабильной вторичной η´-фазы MgZn2 размером до 5 нм вблизи границ зерен алюминия (рис.2). ЭДС-анализ показал, что в результате КВД по границам зерен алюминия избыток атомов Mg и/или Zn, при этом соотношение Zn и Mg изменяется вдоль границы (рис.2b).
В НС-состоянии сплав Al–Zn–Mg–Zr демонстрирует эффект НТСП. Удлинение до разрушения 500% достигается при температуре 170 °С и скорости деформации 10–2 с–1, а величина m составляет 0,37. При 200 °С максимальное удлинение составляет 700% при скорости деформации 5 ∙ 10–4 с–1. Показатель m заметно увеличивается (до 0,73). По результатам исследований [11, 12] НТСП осуществляется преимущественно за счет реализации ЗГП, протекание которого облегчается присутствием атомов Zn по ГЗ, при этом ВДС подавлено сегрегациями Mg и внутризеренными наноразмерными частицами фазы MgZn2.
Также известны сплавы алюминия, демонстрирующие СП-поведение, которые не содержат Zn в качестве основного легирующего элемента, например, термически неупрочняемые сплавы системы Al–Mg–Mn.
В процессе КВД при КТ в сплаве Al-5,66Mg-0,81Mn-0,67Zn-0,09Zr (вес.%) (марки 1565ч) сформировано НС-состояние с размером зерен 95±3 нм и регламентированным распределением частиц вторичных фаз, таких как Al3Mg2 (преимущественно по ГЗ), Al6Mn и Al3Zr [13]. Использование КВД также обеспечило образования сегрегаций Mg по границам Al зерен (рис.3). Формирование такого состояния позволило реализовать в сплаве эффект высокоскоростной НТСП при температурах 250 и 300 °С и скорости деформации 5 ∙ 10–3 с–1. При этих температурно-скоростных условиях достигнуто максимальные удлинения 300 и 500%, а m составил 0,35 и 0,28 соответственно [13, 14].
Прецизионное исследование деформационного рельефа после СП-деформации показало, что высокоскоростная СП при температуре 300 °С осуществляется путем сочетания кооперативного ЗГП (КЗГП) и ВДС [14]. Наноразмерные частицы фазы Al3Mg2 и сегрегаций Mg по ГЗ в процессе деформации улучшают устойчивость зерен к укрупнению за счет уменьшения как энергии ГЗ, так и ограничения их подвижности, что оказывает положительное влияние на пластичность.
Еще одним представителем алюминиевых сплавов, легированных Mg, являются широко используемые в России и за рубежом низколегированные сплавы системы Al–Mg–Si. В процессе КВД при КТ в сплаве Al-0,60Mg-0.60Si-0,10Cu-0,10Mn-0,15Zn-0,50Cr (вес.%) (марки 6060) сформировано НС-состояние со средним размером зерна 180 нм. В структуре обнаружены наноразмерные частицы вторичной фазы Mg2Si, а также сегрегации атомов Mg и Si по ГЗ [15]. По результатам механических испытаний НС сплав демонстрирует признаки НТСП при температурах 150 и 180 °С в НС Al–Mg–Si сплаве. Максимальные значения удлинения до разрушения (240%) отмечается при скорости деформации 10–4 с–1 и температуре 200 °С. Величина m составляет 0,32 [15]. Полюсная фигура для НС-сплава после КВД (рис.4b), демонстрирует особенности текстуры деформации с умеренной интенсивностью максимальной плотности полюсов (текстурный индекс, обозначающий отклонение от случайной текстуры, составил 2,47). СП-деформация при температуре 150 °С привела к заметному рассеянию текстуры, видимому на полюсных фигурах (рис.4с), текстурный индекс снизился до 1,22 [15]. СП-деформация приводит к переориентации зерен в сторону случайной текстуры. Этот процесс вызван интенсифицированными некристаллографическими режимами деформации, такими как скольжение или вращение границ зерен. Анализ микроструктуры НС-сплава после деформации при 150 и 180 °С показал, что ЗГП и ВДС с образованием субзеренных границ вносят значительный вклад в СП течение [15].
Еще одним из наиболее востребованных сплавов на основе Al являются сплавы системы Al–Cu–Mn. В результате обработки КВД при КТ получено НС-состояние в сплаве Al-4,98Cu-1,49Mg-0,73Mn-0,04Si-0,07Fe (вес.%) (марки 2024) со средним размером зерна 100±7 нм. В теле зерен алюминия наблюдаются единичные глобулярные частицы фазы ϑ (CuAl2) размером до 5 нм [16]. В сплавах системы Al–Cu образуются сегрегации Cu по границам Al зерен [1]. В результате испытаний при температуре 240 °С (0,56Тпл) максимальные удлинения (280%) были достигнуты при скоростях деформации 10–3 с–1, параметр m составил 0,32. Повышение температуры испытаний до 270 °С (0,60Тпл) привело к достижению максимального удлинения (400%) при скорости деформации 10–3 с–1, параметр m=0,33. Наноразмерные частицы фазы ϑ(CuAl2) и сегрегаций Cu по ГЗ в процессе деформации, также как и Mg, улучшают устойчивость зерен к укрупнению за счет уменьшения как энергии ГЗ, так и ограничения их подвижности, что оказывает положительное влияние на пластичность.
Стоит отметить, что сплав 2024 системы Al–Cu–Mn, как и сплав 6060 системы Al–Mg–Si в мелкозернистом состоянии, не склонны к проявлению СП.
ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.6 представлен обобщающий анализ экспериментальных результатов влияния структурно-фазовых состояний, в том числе наличие сегрегаций Zn, Mg, Cu на эффект НТСП в сплавах Al–Zn–Mg–Zr, Al–Zn–Mg–Сu и Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si, Al–Cu–Mg с размером зерен 100–400 нм в виде карты температурно-скоростных условий эффекта НТСП. Можно сделать вывод о том, что в НС алюминиевых сплавах легирование Zn способствует значительному снижению диапазона температур проявления низкотемпературной СП до 20 (КТ) – 200 °С, при этом скоростной интервал от 10–4 до 10–3 с–1, в то время как Mg способствует проявлению высокоскоростной деформации 5 ∙ 10–3–10–2 с–1. Максимальную температуру 250–300 °С перехода в СП-состояние проявил алюминиевый сплав с содержанием Mg более 5вес.%.
Благодаря взаимодействию с кристаллическими дефектами, атомы растворенного вещества играют решающую роль в эволюции микроструктуры алюминиевых сплавов во время деформации. Определена роль легирующих элементов в проявлении НТСП: легирование цинком алюминиевых сплавов с ультрамелкими зернами позволяет существенно перестроить большеугловые границы. Это достигается за счет ускоренных диффузионных процессов, которые перераспределяют атомы Zn при деформации и приводят к образованию сегрегаций или нанослоев вдоль ГЗ, облегчая ЗГП. В то же время сегрегации Mg и Cu закрепляют границы зерен алюминия и затрудняют их миграцию в процессе деформации, а образованные частицы вторых фаз подавляют ВДС.
ВЫВОДЫ
Проанализированы условия и критерии проявления низкотемпературной сверхпластичности или ее признаков наноструктурированными сплавами систем Al–Zn, Al–Zn–Mg–Zr, Al–Zn–Mg–Cu, Al–Mg–Mn, Al–Cu–Mg и Al–Mg–Si при относительно низких температурах от комнатной до 300 °С, которые характеризуются скоростной чувствительностью m (0.31…0.77).
БлагодарностИ
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 24-19-00819, https://rscf.ru/project/24-19-00819/. Все исследования выполнены в центре коллективного пользования "Нанотех" Уфимского университета науки и технологий.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.
Zhilayev A.P., Pshenichnyuk A.I. Superplasticity and grain boundaries in ultrafine-grained materials. Cambridge International Science Publishing Limited in association with Woodhead Publishing Limited: Cambridge, UK, 2010.
Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П., Жиляев А.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства нанокристаллических материалов. Новосибирск: Наука, 2001.
Demirtas M., Purcek G. An overview of the principles of low-temperature superplasticity in metallic materials processed by severe plastic deformation. Mater. Trans. 2023. Vol. 64. PP. 1724–1738.
Sauvage X., Enikeev N., Valiev R., Nasedkina Y., Murashkin M. Atomic-scale analysis of the segregation and precipitation mechanisms in a severely deformed Al–Mg alloy. Acta Materialia. 2014. Vol. 72. PP. 125–136.
Sauvage X., Wilde G., Divinsky S., Horita Z., Valiev R.Z. Grain boundaries in ultrafine grained materials processed by severe plastic deformation and related phenomena. Mat. Sci. Eng. 2012. Vol. A 540. PP. 1–12.
Setman D., Schafler E., Korznikova E., Zehetbauer M.J. The presence and nature of vacancy type defects in nanometals detained by severe plastic deformation. Materials Science and Engineering. 2008. Vol. A 493 (1–2). PP. 116–122.
Song Z., Niu R.M., Cui X., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Enikeev N.A., Gu Ji., Song M., Bhatia V., Ringer S.P., Valiev R.Z., Liao X. Mechanism of room-temperature superplasticity in ultrafine-grained Al–Zn alloys. Acta Materialia. 2023. Vol. 246. P. 118671.
Sauvage X., Murashkin M.Yu., Straumal B.B., Bobruk E.V., Valiev R.Z. Ultrafine grained structures resulting from SPD-induced 3 phase transformation in Al–Zn alloys. Advanced Engineering Materials. 2015. Vol. 17. No. 12. PP. 1821–1827.
Bobruk E.V., Sauvage X., Enikeev N.А., Straumal B.B., Valiev R.Z. Mechanical behavior of ultrafine-grained Al–5Zn, Al–10Zn, Al–30Zn alloys. Reviews on advanced materials science. 2015. Vol. 43 (1/2). PP. 45–51.
Chinh N.Q., Murashkin M.Yu., Bobruk E.V., Lábár J.L., Gubicza J., Kovács Z., Ahmed A.Q., Maier-Kiener V., Valiev R.Z. Ultralow-temperature superplasticity and its novel mechanism in ultrafine-grained Al alloys. Mater. Res. Lett. 2021. Vol. 9. No. 11. PР. 475–482.
Gubicza J., El-Tahawy M., Lábár J.L., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Chinh N.Q. Evolution of microstructure and hardness during artificial aging of an ultrafine-grained Al-Zn-Mg-Zr alloy processed by high pressure torsion. Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55 (35). PP. 16791–16805.
Бобрук Е.В., Рамазанов И.А., Астанин В.В., Зарипов Н.Г., Казыханов В.У., Дриц А.М., Мурашкин М.Ю., Еникеев Н.А. Проявление сверхпластичности при пониженных температурах сплава 1565ч системы Al–Mg в ультрамелкозернистом и наноструктурном состояниях. Физика металлов и металловедение. 2023. Т. 124. № 8. С. 771–782.
Astanin V.V., Bobruk E.V., Ramazanov I.A., Abramova M.M., Zaripov N.G., Enikeev N.A. High strain-rate superplasticity of ultrafine-grained Al-Mg-Mn-Zn-Zr alloy. Letters on Materials. 2023. Vol. 13. No. 4 (52). PP. 408–413.
Bobruk E.V., Dolzhenko P.D., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Enikeev N.A. The microstructure and strength of UFG 6060 alloy after superplastic deformation at a lower homologous temperature. Materials. 2022. Vol. 15. P. 6983.
Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Ramazanov I.A., Kazykhanov V.U., Valiev R.Z. Low-temperature superplasticity and high strength in the Al 2024 alloy with ultrafine grains. Materials. 2023. Vol. 16. No. 2. P. 727.
Nasedkina Y., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Enikeev N.A. Mechanisms of precipitation induced by large strains in the Al-Cu system. Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 710. PP. 736–747.
Научная статья
ПРОЯВЛЕНИЕ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОЙ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ в наноструктурированных алюминиевых сплавах
Е.В.Бобрук1, к.т.н., вед. науч. сотр., доц., ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
Аннотация. В представленной статье приведен обзор формирования наноструктурированного состояния, сопровождающегося распадом пересыщенного твердого раствора с образованием Zn, Mg, Cu сегрегаций и вторичных фаз, в сплавах систем Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si и Al–Cu–Mg для достижения эффекта низкотемпературной сверхпластичности.
Ключевые слова: алюминиевый сплав, наноструктурное состояние, сегрегация, сверхпластичность, зернограничное проскальзывание
Для цитирования: Е.В. Бобрук. Проявление низкотемпературной сверхпластичности в наноструктурированных алюминиевых сплавах. НАНОИНДУСТРИЯ. 2025. Т. 18. № 5. С. 308–318. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318.
Received: 21.05.2025 | Accepted: 30.05.2025 | https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318
Original paper
MANIFESTATION OF LOW-TEMPERATURE SUPERPLASTICITY IN NANOSTRUCTURED ALUMINUM ALLOYS
E.V.Bobruk1, Cand. of Sci. (Tech), Leading Researcher, Docent, ORCID: 0000-0001-8226-9887 / e-bobruk@yandex.ru
Abstract. The presented paper gives an overview of nanostructured state formation accompanied by the decomposition of supersaturated solid solution with forming the Zn, Mg, Cu segregations and secondary phases in alloys of Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si and Al–Cu–Mg systems to achieve the effect of low-temperature superplasticity.
Keywords: Al alloy, nanostructured state, segregation, superplasticity, grain boundary sliding
For citation: E.V. Bobruk. Manifestation of low-temperature superplasticity in nanostructured aluminum alloys. NANOINDUSTRY. 2025. Vol. 18. No. 5. PP.308–318. https://doi.org/10.22184/1993-8578.2025.18.5.308.318.
ВВЕДЕНИЕ
Сверхпластическое (СП) поведение обычно описывают соотношением (1):
, (1)
где, согласно [1], D – коэффициент диффузии; G – модуль сдвига; b – вектор Бюргерса; K – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; d – средний размер зерна; σ – приложенное напряжение (напряжение течения); p – показатель степени обычно равная 2; n – величина, обратная коэффициенту скоростной чувствительности напряжения течения m; A – безразмерный коэффициент.
Данное уравнение показывает взаимосвязь между внешними условиями деформации и внутренним строением материалов. Из него следует, что уменьшение размера зерна должно приводить к увеличению скорости и снижению температуры деформации, при которых проявляется СП-поведение.
На сегодняшний день известно, что при переходе сплавов с размером зерен менее 10 мкм в СП-состояние наблюдается смена механизма деформации от внутризеренного дислокационного скольжения (ВДС), контролируемого объемной диффузией, к зернограничному проскальзыванию (ЗГП), контролируемому диффузией по границам зерен (ГЗ) [2–4].
Многими исследователями [3–5] отмечены необычные свойства ГЗ в наноструктурных металлах, полученных воздействием интенсивной пластической деформацией (ИПД). Наряду со структурой ГЗ на развитие зернограничных процессов заметное влияние оказывают тип и концентрация примесей и сегрегации [6, 7], что является важным в проявлении СП поведения при пониженных температурах.
Целью данной работы являлось обобщение результатов недавних исследований реализации низкотемпературной СП (НТСП), установленной на модельных и промышленных Al сплавах таких систем легирования, как Al–Zn, Al–Zn–Mg, Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si и Al–Cu–Mg. В этих исследованиях особое внимание уделено выявлению физической природе НТСП, где наряду с ультрамелким размером зерен в алюминиевых сплавах, сформированных в процессе ИПД, заметную роль играет состояние ГЗ, связанное с наличием зернограничных сегрегаций, а также наноразмерные частицы вторых фаз, которые подавляют миграцию ГЗ и, таким образом, ограничивают рост зерен [8–15].
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве материала исследования были выбраны сплавы: Al-30%Zn, Al-4.8%Zn-1.2%Mg-0.14%Zr, Al–5.7Zn–2.2Mg–1.6Cu–0.25Cr, Al-5,66Mg-0,81Mn-0,67Zn-0,09Zr, Al-0,60Mg-0.60Si-0,10Cu-0,10Mn-0,15Zn-0,50Cr и Al-4,98Cu-1,49Mg-0,73Mn-0,04Si-0,07Fe (вес.%).
Для формирования наноструктурированного (НС) состояния после обработки получали твердый раствор, из которого делали заготовки из материалов исследования в виде дисков диаметром 20 мм подвергали ИПД методом кручения под квазигидростатическим давлением (КВД) при комнатной температуре (КТ) и приложенном давлении 6 ГПа.
Для структурных исследований использовались просвечивающий электронный микроскоп JEOL JEM 2100, сканирующие ПЭМ (СПЭМ) JEOL®-ARM200F с детектором JEOL® JED-2300 для энерго-дисперсионного (ЭДС) анализа и Titan Themis G2 200 с детектором EDS Super-X, сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с полевой эмиссией FEI Quanta 600, оснащенного программным обеспечением TSL OIMTM. Более подробно методики описаны в работах [8–16].
Механические испытания проводили на универсальной испытательной машине INSTRON-5982, оснащенной термокамерой с программным обеспечением Bluehill 3 для определения напряжения течения и относительного удлинения до разрыва. Величину коэффициента скоростной чувствительности (m) определяли по формуле (2):
, (2)
где σ – напряжение течение при степени деформации 100%; έ – скорость деформации.
РЕЗУЛЬТАТЫ
В процессе кручения под высоким давлением (КВД) при КТ в бинарном модельном сплаве Al-30Zn сформирована однородная УМЗ-структура (рис.1а) [8–10]. Формирование УМЗ-структуры сопровождается распадом пересыщенного твердого раствора, приводящего к зарождению частиц Zn как в теле, так и по границам зерен алюминия (рис.1b). Размер зерен алюминия составляет 410±30 нм, размер выделений Zn внутри зерен алюминия – 10±4 нм. Крупные частицы Zn размером более 100 нм образуются в тройных стыках этих зерен. На границе большинства зерен отмечается образование прослоек атомов Zn, имеющих ширину около 5 нм.
Формирование НС-состояния в сплаве Al-30Zn, обладающего отмеченными выше особенностями, привело к проявлению признаков НТСП [8, 10]. В НС-состоянии Al-30Zn сплав демонстрирует необычайно высокое удлинение до разрушения – 235% при КТ и скорости деформации 10–4 с–1. При этом коэффициент скоростной чувствительности (m) составляет 0,32. Повышение температуры испытания до 100 °С позволило достичь удлинения 265% при скорости деформации 10–4 с–1. Величина m составляет 0,45.
На основании исследований бинарного сплава было установлено, что легирование Zn позволяет кардинально перестроить состояние высокоугловых ГЗ в алюминевых сплавах с ультрамелким зерном. В результате ускоренных диффузионных процессов атомы Zn при деформации перераспределяются и формируют сегрегации по границам зерен алюминия, облегчающие ЗГП – основного механизма СП [8].
Другим распространенным легирующим элементом алюминиевых сплавов является Mg, который, как было показано в исследованиях [5, 11, 12], в процессе формирования ультрамелких или наноразмерных зерен, образуя сегрегации вдоль границ зерен алюминия и наноразмерные частицы вторых фаз, повышает их устойчивость к деформационно-термическим воздействиям за счет снижения энергии ГЗ, и уменьшения их подвижности, что тоже оказывает положительное влияние на достижение повышенных значений пластичности.
На примере высокопрочных НС-сплавов системы Al–Zn–Mg в работах [11, 12] было представлено влияние взаимодополняющих элементов Zn и Mg на особенности структурно-фазового состояния и эффект НТСП. Обработка образцов сплава Al-4.8Zn-1.2Mg-0.14Zr (вес.%) методом КВД при КТ привела к формированию наноструктурного состояния с размером зерна около 100 нм и образованию частиц метастабильной вторичной η´-фазы MgZn2 размером до 5 нм вблизи границ зерен алюминия (рис.2). ЭДС-анализ показал, что в результате КВД по границам зерен алюминия избыток атомов Mg и/или Zn, при этом соотношение Zn и Mg изменяется вдоль границы (рис.2b).
В НС-состоянии сплав Al–Zn–Mg–Zr демонстрирует эффект НТСП. Удлинение до разрушения 500% достигается при температуре 170 °С и скорости деформации 10–2 с–1, а величина m составляет 0,37. При 200 °С максимальное удлинение составляет 700% при скорости деформации 5 ∙ 10–4 с–1. Показатель m заметно увеличивается (до 0,73). По результатам исследований [11, 12] НТСП осуществляется преимущественно за счет реализации ЗГП, протекание которого облегчается присутствием атомов Zn по ГЗ, при этом ВДС подавлено сегрегациями Mg и внутризеренными наноразмерными частицами фазы MgZn2.
Также известны сплавы алюминия, демонстрирующие СП-поведение, которые не содержат Zn в качестве основного легирующего элемента, например, термически неупрочняемые сплавы системы Al–Mg–Mn.
В процессе КВД при КТ в сплаве Al-5,66Mg-0,81Mn-0,67Zn-0,09Zr (вес.%) (марки 1565ч) сформировано НС-состояние с размером зерен 95±3 нм и регламентированным распределением частиц вторичных фаз, таких как Al3Mg2 (преимущественно по ГЗ), Al6Mn и Al3Zr [13]. Использование КВД также обеспечило образования сегрегаций Mg по границам Al зерен (рис.3). Формирование такого состояния позволило реализовать в сплаве эффект высокоскоростной НТСП при температурах 250 и 300 °С и скорости деформации 5 ∙ 10–3 с–1. При этих температурно-скоростных условиях достигнуто максимальные удлинения 300 и 500%, а m составил 0,35 и 0,28 соответственно [13, 14].
Прецизионное исследование деформационного рельефа после СП-деформации показало, что высокоскоростная СП при температуре 300 °С осуществляется путем сочетания кооперативного ЗГП (КЗГП) и ВДС [14]. Наноразмерные частицы фазы Al3Mg2 и сегрегаций Mg по ГЗ в процессе деформации улучшают устойчивость зерен к укрупнению за счет уменьшения как энергии ГЗ, так и ограничения их подвижности, что оказывает положительное влияние на пластичность.
Еще одним представителем алюминиевых сплавов, легированных Mg, являются широко используемые в России и за рубежом низколегированные сплавы системы Al–Mg–Si. В процессе КВД при КТ в сплаве Al-0,60Mg-0.60Si-0,10Cu-0,10Mn-0,15Zn-0,50Cr (вес.%) (марки 6060) сформировано НС-состояние со средним размером зерна 180 нм. В структуре обнаружены наноразмерные частицы вторичной фазы Mg2Si, а также сегрегации атомов Mg и Si по ГЗ [15]. По результатам механических испытаний НС сплав демонстрирует признаки НТСП при температурах 150 и 180 °С в НС Al–Mg–Si сплаве. Максимальные значения удлинения до разрушения (240%) отмечается при скорости деформации 10–4 с–1 и температуре 200 °С. Величина m составляет 0,32 [15]. Полюсная фигура для НС-сплава после КВД (рис.4b), демонстрирует особенности текстуры деформации с умеренной интенсивностью максимальной плотности полюсов (текстурный индекс, обозначающий отклонение от случайной текстуры, составил 2,47). СП-деформация при температуре 150 °С привела к заметному рассеянию текстуры, видимому на полюсных фигурах (рис.4с), текстурный индекс снизился до 1,22 [15]. СП-деформация приводит к переориентации зерен в сторону случайной текстуры. Этот процесс вызван интенсифицированными некристаллографическими режимами деформации, такими как скольжение или вращение границ зерен. Анализ микроструктуры НС-сплава после деформации при 150 и 180 °С показал, что ЗГП и ВДС с образованием субзеренных границ вносят значительный вклад в СП течение [15].
Еще одним из наиболее востребованных сплавов на основе Al являются сплавы системы Al–Cu–Mn. В результате обработки КВД при КТ получено НС-состояние в сплаве Al-4,98Cu-1,49Mg-0,73Mn-0,04Si-0,07Fe (вес.%) (марки 2024) со средним размером зерна 100±7 нм. В теле зерен алюминия наблюдаются единичные глобулярные частицы фазы ϑ (CuAl2) размером до 5 нм [16]. В сплавах системы Al–Cu образуются сегрегации Cu по границам Al зерен [1]. В результате испытаний при температуре 240 °С (0,56Тпл) максимальные удлинения (280%) были достигнуты при скоростях деформации 10–3 с–1, параметр m составил 0,32. Повышение температуры испытаний до 270 °С (0,60Тпл) привело к достижению максимального удлинения (400%) при скорости деформации 10–3 с–1, параметр m=0,33. Наноразмерные частицы фазы ϑ(CuAl2) и сегрегаций Cu по ГЗ в процессе деформации, также как и Mg, улучшают устойчивость зерен к укрупнению за счет уменьшения как энергии ГЗ, так и ограничения их подвижности, что оказывает положительное влияние на пластичность.
Стоит отметить, что сплав 2024 системы Al–Cu–Mn, как и сплав 6060 системы Al–Mg–Si в мелкозернистом состоянии, не склонны к проявлению СП.
ОБСУЖДЕНИЕ
На рис.6 представлен обобщающий анализ экспериментальных результатов влияния структурно-фазовых состояний, в том числе наличие сегрегаций Zn, Mg, Cu на эффект НТСП в сплавах Al–Zn–Mg–Zr, Al–Zn–Mg–Сu и Al–Mg–Mn, Al–Mg–Si, Al–Cu–Mg с размером зерен 100–400 нм в виде карты температурно-скоростных условий эффекта НТСП. Можно сделать вывод о том, что в НС алюминиевых сплавах легирование Zn способствует значительному снижению диапазона температур проявления низкотемпературной СП до 20 (КТ) – 200 °С, при этом скоростной интервал от 10–4 до 10–3 с–1, в то время как Mg способствует проявлению высокоскоростной деформации 5 ∙ 10–3–10–2 с–1. Максимальную температуру 250–300 °С перехода в СП-состояние проявил алюминиевый сплав с содержанием Mg более 5вес.%.
Благодаря взаимодействию с кристаллическими дефектами, атомы растворенного вещества играют решающую роль в эволюции микроструктуры алюминиевых сплавов во время деформации. Определена роль легирующих элементов в проявлении НТСП: легирование цинком алюминиевых сплавов с ультрамелкими зернами позволяет существенно перестроить большеугловые границы. Это достигается за счет ускоренных диффузионных процессов, которые перераспределяют атомы Zn при деформации и приводят к образованию сегрегаций или нанослоев вдоль ГЗ, облегчая ЗГП. В то же время сегрегации Mg и Cu закрепляют границы зерен алюминия и затрудняют их миграцию в процессе деформации, а образованные частицы вторых фаз подавляют ВДС.
ВЫВОДЫ
Проанализированы условия и критерии проявления низкотемпературной сверхпластичности или ее признаков наноструктурированными сплавами систем Al–Zn, Al–Zn–Mg–Zr, Al–Zn–Mg–Cu, Al–Mg–Mn, Al–Cu–Mg и Al–Mg–Si при относительно низких температурах от комнатной до 300 °С, которые характеризуются скоростной чувствительностью m (0.31…0.77).
БлагодарностИ
Исследование выполнено в рамках гранта РНФ № 24-19-00819, https://rscf.ru/project/24-19-00819/. Все исследования выполнены в центре коллективного пользования "Нанотех" Уфимского университета науки и технологий.
ИНФОРМАЦИЯ О РЕЦЕНЗИРОВАНИИ
Редакция благодарит анонимного рецензента (рецензентов) за их вклад в рецензирование этой работы, а также за размещение статей на сайте журнала и передачу их в электронном виде в НЭБ eLIBRARY.RU.
Декларация о конфликте интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликтов интересов или личных отношений, которые могли бы повлиять на работу, представленную в данной статье.
ЛИТЕРАТУРА / REFERENCES
Кайбышев О.А. Пластичность и сверхпластичность металлов. М.: Металлургия, 1975.
Zhilayev A.P., Pshenichnyuk A.I. Superplasticity and grain boundaries in ultrafine-grained materials. Cambridge International Science Publishing Limited in association with Woodhead Publishing Limited: Cambridge, UK, 2010.
Колобов Ю.Р., Валиев Р.З., Грабовецкая Г.П., Жиляев А.П. и др. Зернограничная диффузия и свойства нанокристаллических материалов. Новосибирск: Наука, 2001.
Demirtas M., Purcek G. An overview of the principles of low-temperature superplasticity in metallic materials processed by severe plastic deformation. Mater. Trans. 2023. Vol. 64. PP. 1724–1738.
Sauvage X., Enikeev N., Valiev R., Nasedkina Y., Murashkin M. Atomic-scale analysis of the segregation and precipitation mechanisms in a severely deformed Al–Mg alloy. Acta Materialia. 2014. Vol. 72. PP. 125–136.
Sauvage X., Wilde G., Divinsky S., Horita Z., Valiev R.Z. Grain boundaries in ultrafine grained materials processed by severe plastic deformation and related phenomena. Mat. Sci. Eng. 2012. Vol. A 540. PP. 1–12.
Setman D., Schafler E., Korznikova E., Zehetbauer M.J. The presence and nature of vacancy type defects in nanometals detained by severe plastic deformation. Materials Science and Engineering. 2008. Vol. A 493 (1–2). PP. 116–122.
Song Z., Niu R.M., Cui X., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Enikeev N.A., Gu Ji., Song M., Bhatia V., Ringer S.P., Valiev R.Z., Liao X. Mechanism of room-temperature superplasticity in ultrafine-grained Al–Zn alloys. Acta Materialia. 2023. Vol. 246. P. 118671.
Sauvage X., Murashkin M.Yu., Straumal B.B., Bobruk E.V., Valiev R.Z. Ultrafine grained structures resulting from SPD-induced 3 phase transformation in Al–Zn alloys. Advanced Engineering Materials. 2015. Vol. 17. No. 12. PP. 1821–1827.
Bobruk E.V., Sauvage X., Enikeev N.А., Straumal B.B., Valiev R.Z. Mechanical behavior of ultrafine-grained Al–5Zn, Al–10Zn, Al–30Zn alloys. Reviews on advanced materials science. 2015. Vol. 43 (1/2). PP. 45–51.
Chinh N.Q., Murashkin M.Yu., Bobruk E.V., Lábár J.L., Gubicza J., Kovács Z., Ahmed A.Q., Maier-Kiener V., Valiev R.Z. Ultralow-temperature superplasticity and its novel mechanism in ultrafine-grained Al alloys. Mater. Res. Lett. 2021. Vol. 9. No. 11. PР. 475–482.
Gubicza J., El-Tahawy M., Lábár J.L., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Chinh N.Q. Evolution of microstructure and hardness during artificial aging of an ultrafine-grained Al-Zn-Mg-Zr alloy processed by high pressure torsion. Journal of Materials Science. 2020. Vol. 55 (35). PP. 16791–16805.
Бобрук Е.В., Рамазанов И.А., Астанин В.В., Зарипов Н.Г., Казыханов В.У., Дриц А.М., Мурашкин М.Ю., Еникеев Н.А. Проявление сверхпластичности при пониженных температурах сплава 1565ч системы Al–Mg в ультрамелкозернистом и наноструктурном состояниях. Физика металлов и металловедение. 2023. Т. 124. № 8. С. 771–782.
Astanin V.V., Bobruk E.V., Ramazanov I.A., Abramova M.M., Zaripov N.G., Enikeev N.A. High strain-rate superplasticity of ultrafine-grained Al-Mg-Mn-Zn-Zr alloy. Letters on Materials. 2023. Vol. 13. No. 4 (52). PP. 408–413.
Bobruk E.V., Dolzhenko P.D., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Enikeev N.A. The microstructure and strength of UFG 6060 alloy after superplastic deformation at a lower homologous temperature. Materials. 2022. Vol. 15. P. 6983.
Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Ramazanov I.A., Kazykhanov V.U., Valiev R.Z. Low-temperature superplasticity and high strength in the Al 2024 alloy with ultrafine grains. Materials. 2023. Vol. 16. No. 2. P. 727.
Nasedkina Y., Bobruk E.V., Murashkin M.Yu., Valiev R.Z., Enikeev N.A. Mechanisms of precipitation induced by large strains in the Al-Cu system. Journal of Alloys and Compounds. 2017. Vol. 710. PP. 736–747.
Отзывы читателей
