Файл: Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов.pdf

Оценка рассеяния ультразвука вследствие различия в модулях упругости и плотности твердого раствора и деформированной эв­ тектики, согласно представленной модели, может быть проведена аналогично тому, как это делалось в случае поликристаллических материалов [116, 125]. Рассеяние ультразвука должно происходить вследствие различия в длине волны в обеих структурных составляю­ щих. Рассеянные волны будут возникать по поверхностям раздела, параллельным направлению распространения волн (ось х), и вели­ чина рассеяния будет тем больше, чем больше суммарная поверх­ ность раздела. Последняя с увеличением концентрации увеличива­ ется до того момента, когда области деформированной эвтектики станут равны областям твердого раствора (см. рис. 26, в), и затем будет уменьшаться. Таким образом, в соответствии с изменением суммарной поверхности раздела затухание ультразвука, обуслов­ ленное рассеянием в доэвтектических сплавах, должно изменяться с увеличением концентрации по кривой с максимумом.

Максимум затухания ультразвука в области доэвтектпческих сплавов наблюдается не во всех системах. По-видимому, это свя­ зано с тем, что на рассеяние ультразвука различными структурны­ ми составляющими накладывается рассеяние зернами магниевого твердого раствора. Снижение величины зерна в доэвтектических сплавах с увеличением содержания легирующей добавки в различ­ ных системах может быть выражено в разной степени. В том слу­ чае, когда система характеризуется повышенным снижением вели­ чины зерна при увеличении содержания эвтектической составляю­ щей, максимум может не наблюдаться в связи с тем, что эффекты, обусловленные рассеянием областями твердого раствора и дефор­ мированной эвтектики, будут вуалироваться снижением рассеяния зернами магниевого твердого раствора.

Другой причиной отсутствия максимума затухания в доэвтекти-- ческих сплавах некоторых систем может быть то, что разделение на области деформированной эвтектики и твердого раствора не всег­ да проявляется достаточно четко. В пределах областей твердого раст­ вора могут наблюдаться в достаточно большом количестве кристал­ лы второй фазы, а в пределах деформированной эвтектики отдель­ ные кристаллы могут быть разделены достаточно большими облас­ тями твердого раствора. Акустическая неоднородность материала при этом будет снижаться, и рассеяние ультразвука вследствие присутствия в структуре областей твердого раствора и деформиро­ ванной эвтектики будет меньше. Отсутствие четкого деления на области твердого раствора и деформированной эвтектики иллюст­ рируется микрофотографией структуры сплава магния с оловом, приведенной на рис. 24.

Низкий коэффициент затухания ультразвука в эвтектических сплавах, очевидно, обусловлен более высокой по сравнению с доэвтектическими сплавами акустической однородностью деформиро­ ванной эвтектики. Основной механизм затухания ультразвука, который можно предполагать в деформированных эвтектических

59

Л. Л. Рохлин

сплавах большинства систем, — рассеяние отдельными кристалла­ ми вторых фаз, размеры которых порядка нескольких микрон. Вследствие небольшой величины кристаллов рассеяние ультразву­ ка ими невелико, и измеренный коэффициент затухания оказывает­ ся низким.

Наконец, последняя характерная особенность изменения зату­ хания ультразвука с составом в сплавах магния, содержащих зна­ чительные количества легирующих элементов, — увеличение зату­ хания при переходе к заэвтектическим сплавам объясняется тем, что в заэвтектических сплавах образуются крупные кристаллы вто­ рых фаз, которые приводят к значительному рассеянию.

Поскольку рассеяние кристаллами вторых фаз играет существен­ ную роль в затухании ультразвука, интересно сравнить, насколько модули упругости и плотность различных фаз, встречающихся в магниевых сплавах, отличаются от модулей упругости и плотности находящегося с ними в равновесии магниевого твердого раствора. Соответствующие данные по модулям упругости и плотности фаз приведены в табл. 2. Одновременно в таблице приведены значения величины ge, фигурирующей в теории рассеяния ультразвука изолированными включениями в твердой среде Енга и Труелла [132]. Величина ge фактически определяет рассеивающую способность вторых фаз, составляющих включения в среде-твердом растворе.

Из табл. 2 видно, что наиболее близкие значения к модулю уп­ ругости и плотности магниевого твердого раствора имеют фазы Mg2Ca и А13Са и фазы, образующиеся в сплавах магния с редкозе­ мельными металлами: лантаном, неодимом и церием. Довольно близки модуль упругости и плотность второй фазы и находящего­ ся с ней в равновесии магниевого твердого раствора в системе маг­ ний—алюминий. Наибольшие различия в модуле упругости и плот­ ности вторых фаз и твердого раствора имеют место в случае систем магний—цирконий и магний—марганец.

Между величиной ge для различных систем магниевых сплавов и экспериментально наблюдаемыми значениями коэффициента за­ тухания ультразвука соответствия не прослеживается. Такого соот­ ветствия нельзя было и ожидать, так как на затухание ультразвука в сплавах оказывает влияние не только различие в модулях упругос­ ти и плотности фаз, но и размеры фаз, их количество и характер рас­ положения, а также размеры зерен твердого раствора.

Влияние легирования на скорость ультразвука магния

Влияние легирования на скорость ультразвука магния изуча­ ли на сплавах в горячепрессованном состоянии. Измерения скорос­ ти проводили на продольных волхах (10 Мгц). Параллельно измеря­ ли плотность сплавов. По результатам измерения скорости ультра­ звука и плотности были рассчитаны значения модуля упругости

М = рс?, определяющего распространение продольных ] волн

61

в средах. Результаты исследования представлены на рис. 27 [226, 228].

Из представленных данных видно, что в большинстве систем с увеличением содержания легирующего элемента скорость ультра­ звука снижается. Это относится к системам: магний—кадмий, магний—свинец, магний—олово, магний — цинк, магний—нео­ дим, магний—церий, магний—лантан и магний—медь. Таким образом, уменьшение скорости ультразвука по мере легирования имеет место в системах с самой различной растворимостью в магнии в твердом состоянии: от системы магний—кадмий с неограничен­ ной растворимостью до системы магний—медь, где растворимость практически отсутствует. Системы отличаются между собой по сте­ пени снижения скорости ультразвука по мере легирования. Наибо­

магний— кальций также намечается некоторое снижение скорос­ ти ультразвука, но оно настолько мало, что правильнее считать, что скорость ультразвука практически не изменяется.

В системе магний—алюминий в области образования магние­ вого твердого раствора скорость ультразвука по мере легирования несколько снижается, а в области образования в структуре кристал­ лов фазы Mg17Al12 — повышается. Наконец, в системе магний — кремний с увеличением содержания легирующего элемента наблю­ дается только повышение скорости ультразвука.

Во всех системах, кроме магний—кальций и магний—крем­ ний, плотность по мере увеличения содержания легирующего эле­ мента увеличивается независимо от того, образуются твердые раст­ воры или кристаллы вторых фаз. Этого следовало ожидать, так как все использованные легирующие элементы имеют большие атом­ ные веса, чем магний, и размеры атомов, меньшие или ненамного’ большие, чем размеры атомов магния. Слабое изменение плотности сплавов в магний-кальций, очевидно, связано с тем, что плотность фазы Mg2Ca близка к плотности магния. Малое изменение плотнос­ ти в системе магний—кремний, по-видимому, обусловлено малым, диапазоном рассмотренных концентраций.

Модуль упругости по мере увеличения содержания легирующего элемента в большинстве случаев увеличивается. Некоторое сниже­ ние модуля упругости по мере легирования наблюдается только в системе магний—кальций и в области твердых растворов в систе­ ме магний—свинец. В системе магний—алюминий в области твердых растворов модуль упругости с увеличением содержания легирующей добавки остается практически постоянным.

При рассмотрении экспериментальных данных по скорости ульт­ развука обращает на себя внимание тот факт, что при построении зависимостей от состава, выраженного в вес. %, точки очень хорошо

62