Зузяк П.М., Камінський О.С.

Вінницький національний технічний університет

Субструктурне зміцнення алюмінію та його дисперсійно-твердіючих сплавів

Машинобудівна і аерокосмічна техніка потребують створення матеріалів з наперед заданими підвищеними фізико-механічними властивостями. Традиційні термічні і механіко-термічні обробки мають великий успіх при підготовці технічних виробів з металів і їх твердих розчинів. Застосування таких обробок до дисперсійно-твердіючих сплавів обумовлює їх зміцнення в основному за рахунок виділення дисперсних фаз. Сформувати в таких сплавах субструктуру важко із-за блокування дислокацій домішковими атомами, зонами Гіньє-Престона і дисперсними фазами. У таких сплавах для переміщення дислокацій і їх перерозподілу в субграниці однієї термічної активації недостатньо [1].

Пропонується створювати в металах дислокації не за рахунок деформації, а шляхом багаторазового термоциклювання в полях зовнішніх напружень, або в умовах програмного навантаження. Наявність статичних або динамічних навантажень спільно з термічною активацією обумовлюють відрив дислокацій від стопорів різної потужності і дозволяють перебудувати їх у субграниці. Наступне виділення на субграницях домішок і дисперсних фаз стабілізує субструктуру і дозволяє отримати додаткове зміцнення конструкційного матеріалу.

Розроблено два способи формування зміцнюючої субструктури в алюмінії та його сплавах [1,2]. Це механіко-термічні обробки для алюмінію та його розбавлених твердих розчинів та термоциклювання без і при наявності полів зовнішніх напружень для дисперсійно-твердіючих сплавів. Застосування різних термоциклічних обробок у полях зовнішніх напружень значно підвищує можливості цілеспрямованого керування як структурними так і фазовими перетвореннями. Застосування цих обробок до дисперсійно-твердіючих сплавів дозволяє сформувати в них субструктуру за механізмом полігонізації або коміркової фрагментації з наступним виділенням на субграницях домішкових атомів, зон Гіньє-Престона і дисперсних фаз. Такий структурний стан металічного матеріалу характеризується великою енергоємністю і його здібністю більш рівномірно розподіляти зовнішні навантаження в усьому об’ємі матеріалу чи технічних конструкцій із нього, що в комплексі із збільшеним рівнем термічної стабільності заблокованих структур, приводить до різкого збільшення опору пластичній деформації при кімнатній і підвищеній температурах. Обидва методи формування зміцнюючої структури супроводяться формуванням на температурній залежності внутрішнього тертя трьох непружних ефектів [1,2]. Їх фізична природа вивчалась впродовж тривалих досліджень [3,4].

Дослідження проводились методом внутрішнього тертя (ВТ). Експериментально досліджувався низькочастотний спектр розсіяння пружньої енергії дисперсійно-твердіючих алюмінієвих сплавів Al-Cu-Zn. Експериментальна установка являє собою низькочастотний прилад типу оберненого крутильного маятника. Конструкція приладу дозволяла без демонтажу зразка проводити ТЦО в ПЗН з наступним вимірювання ВТ.

Після ТЦО виявлено зростання першої та другої критичних амплітуд деформації, що свідчить про зміцнення матеріалу. Характер зміни параметрів субструктури добре корелює з параметрами амплітудної залежності внутрішнього тертя, критичними амплітудами деформації, тангенсом кута нахилу амплітудної залежності ВТ, температурою конденсації.

Приводимо результати додаткових досліджень фізичної природи ефекту С, що проявляється при температурах 300-320⁰С. Він обумовлений взаємодією окремих дислокацій та їх скупчень всередині полігонів із дислокаціями у малокутових границях. Енергія активації цього процесу досить близька енергії активації самодифузії в алюмінії. Затухання в цьому випадку зв’язано з переповзанням індивідуальних дислокацій, їх скупчень та їх прилаштуванням до стінок полігонів в умовах розвинутої об’ємної сітки полігональних границь внаслідок неконсервативного переміщення окремих ланок дислокації з’єднаних порогами.

При термоциклюванні від 400⁰С і 450⁰С до 20⁰С збільшується ступінь досконалості сформованої субструктури. Субграниці стають замкнутими, густина дислокацій в них зростає. З підвищенням температури, а також під дією знакозмінних напруг в умовах розвитку об’ємної дифузії на дислокаціях утворюються пороги, які рухаючись вздовж дислокацій, обумовлюють їх переповзання.

Таким чином, величина ефекту С, обумовленого взаємодією індивідуальних дислокацій та їх скупчень всередині полігонів з дислокаціями, що утворюють малокутові границі, прямолінійно зростає із збільшенням ступеня деформації прямуючи до насичення. Впродовж високотемпературного відпалу величина цього ефекту зменшується за законом , що обумовлено анігіляцією порогів на дислокаціях. Виявлено додаткове зростання міцностних властивостей алюмінію і його сплавів внаслідок високотемпературної механіко-термічної обробки полігонізованого стану.

Список літератури.

1. Зузяк П.М., Камінський О.С. Зміна параметрів дислокаційної структури дисперсійно-твердіючих алюмінієвих сплавів під впливом термоциклічних обробок//Науковий вісник Чернівецького університету. Чернівці, 2004, випуск 201,с22-26.

2. Зузяк П.М. Явления поглощения энергии в метастабильных системах// Физика твердого тела. – Киев-Донецк: Вища школа, 1988. - Вып.18 –с.32-40.

3. Гордиенко Л.К., Зузяк П.М., Стронгин Б.Г. Внутреннее трение полигонизованнго алюминия//ФиХОМ.-1972.-№3.-с.56-63.

4. Зузяк П.М., Слободяник А.Д., Чернуха Ю.О. Можливості і перспективи субструктурного зміцнення дисперсійно-твердіючих алюмінієвих сплавів Al-Zn, Al-Cu.// Матеріалознавство та машинобудування .-К.-2005, - №3,-с.59-62.