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

4

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ

Свойства алюминиевых сплавов в литом состоянии

Представление об акустических свойствах алюминиевых сплавов в литом состоянии дают результаты исследования, выполненного на слитках [116]. Для исследования были использованы стандартные алюминиевые сплавы, отлитые полунепрерывным методом в завод­ ских условиях. Сплавы характеризовались различным содержанием легирующих элементов и относились к различным системам. Полу­ ченные значения отличались большим разбросом, однако можно считать, что они находились на том же уровне, что и значения коэффициента затухания для деформированных сплавов. Зависи­ мость между значениями коэффициента затухания и составом не прослеживалась. Наиболее низкие значения коэффициента затуха­ ния были для сильно легированного сплава В96ц. Однако для слит­ ков этого же сплава, полученных в несколько иных условиях, наблюдались также и очень высокие значения коэффициента зату­ хания. На затухание ультразвука в литых сплавах оказывает влияние пористость. В образцах, в которых были видны крупные поры, наблюдалось повышенное затухание ультразвука.

OLf 0 £ /л /

Рис. 38. Зависимость затухания ультразвука в литых алюминиевых сплавах от величины зерна; продольные волны, 10 Мгц

78

Между величиной зерна и коэффициентом затухания ультра­ звука, несмотря на различный фазовый состав сплавов, прослежи­ валась корреляция. На рис. 38 приведены средние логарифми­ ческие значения коэффициента затухания для образцов одной плавки в зависимости от средних размеров зерен. Можно видеть, что, несмотря на разброс, коэффициент затухания ультразвука в общем изменяется с увеличением величины зерна по кривой с максимумом, что находится в соответствии с теорией рассеяния.

Влияние легирования на коэффициент затухания ультразвука алюминия (двойные системы

и сплавы квазибинарных разрезов)

Влияние легирования на затухание ультразвука алюминия изу­ чали на сплавах двойных систем и квазибинарных разрезов тройных систем, которые нашли наибольшее промышленное применение: алюминий—кремний, алюминий—медь, алюминий—магний, алю­ миний—фаза Mg2Si, алюминий—фаза MgZn2 и др.

Сплавы выплавляли на алюминии чистотой 99,99% (А99). После отливки следовало горячее прессование со степенью обжатия 87%. Температуру прессования сплавов (около 400 ) устанавливали таким образом, чтобы обеспечить достаточно высокую пластичность в процессе деформации и в то же время избежать чрезмерного роста зерен в результате собирательной рекристаллизации.

Измеренные значения коэффициента затухания ультразвука сплавов некоторых систем в горячепрессованном состоянии пред­ ставлены на рис. 39. Сплавы всех систем испытывали в горяче­

хания ультразвука сплавов от состава следует отметить значитель­ но больший разброс, чем в случае магниевых систем. Несмотря на это, в общем прослеживаются те же самые закономерности, а именно: во всех системах можно было отметить снижение коэффи­ циента затухания при введении первых добавок легирующего элемента. Затем в большинстве систем (за исключением алюминий— магний и алюминий—цинк) следует повышение коэффициента затухания.

В системе алюминий—магний наблюдается снижение коэффи­ циента затухания до самой высокой исследованной концентрации— 21,5%. При этом начиная с 11% магния, т. е. концентрации, близ­ кой к растворимости магния в алюминиевом твердом растворе, изменение коэффициента затухания по мере легирования происходит более медленно. В системе алюминий-—цинк имеет место снижение коэффициента затухания вплоть до 20—22% цинка, после чего следует его повышение. В том случае, когда изученный диапазон концентраций охватывал эвтектические сплавы, при приближении к эвтектическому составу наблюдали снижение коэффициента затухания. Этот эффект был наиболее четко выражен в системе

79

алюминий—кремний, но его можно также предполагать в системе

алюминий—фаза Mg2Si.

В системе алюминий—кремний достаточно четко выражен максимум затухания в области доэвтектмческих сплавов, который можно связать с образованием близких по размерам, но различных по модулям упругости и плотности областей алюминиевого твердого раствора и деформированных эвтектпк. В системе алюмйиий—фаза Mg2Si максимум затухания в области доэвтектмческих сплавов выражен слабо, но все же его можно предполагать, также можно предполагать его в системе алюминий—фаза MgZn2, в которой диапазон изученных концентраций не охватывал эвтектических сплавов. Такое предположение можно сделать ввиду того, что начиная с концентраций, несколько превышающих растворимость легирующих элементов в твердом алюминии при температуре горя­ чего прессования, коэффициент затухания в этой системе возрастал. В системе алюминий—медь в области доэвтектмческих концент­ раций было исследовано недостаточное количество сплавов, и хотя максимум затухания не наблюдался, но возникновение его не исключалось.

При образовании в структуре крупных кристаллов, богатых ле­ гирующими элементами фаз — в заэвтектнческих сплавах (А1—Si) и в сплавах, претерпевающих перитектическое превращение,— наблюдалось возрастание затухания ультразвука.

Как и в случае сплавов на основе магния, изученные системы алюминиевых сплавов различались между собой по тому, насколько низкие значения коэффициента затухания достигались при легиро­ вании.Наиболее низкое затухание ультразвука имело место в случае сплавов алюминия, содержащих около 20% магния, и сплавов алюминия с ~ 20% цинка.

Отжиг сплавов при температурах, соответствующих протеканию процесса рекристаллизации, практически не сказывался на характе­ ре зависимости затухания ультразвука от состава.

Характерные микроструктуры, наблюдаемые после травления, выявляющего фазовый состав и размеры зерен сплавов, показаны на рис. 40, 41.

При горячем прессовании в сплавах различных систем процесс рекристаллизации протекал в различной степени, так что можно было наблюдать полностью рекристаллизованную структуру, со­ стоящую из равноосных зерен, частично рекристаллизованную структуру и нерекристаллизованную структуру, состоящую из крупных, вытянутых вдоль направления прессования зерен. Основ­ ное отличие структур, наблюдаемых в алюминиевых сплавах, по сравнению со структурами, наблюдаемыми в магниевых сплавах,— это больший размер зерен. Можно также отметить значительную разнозернистость и текстуру, образующуюся при рекристаллизации в некоторых сплавах. Эти факторы, по-видимому, ответственны за больший разброс в значениях коэффициента затухания., который наблюдался в случае сплавов на основе алюминия.

82

Основным закономерностям изменения коэффициента затухания, алюминия можно дать следующее объяснение. Начальное снижениекоэффициента затухания при легировании — результат допол­ нительного закрепления дислокаций. Кроме того, в нелегированном алюминии после горячего прессования рекристаллизация приводит к образованию зерен размером порядка нескольких десятых мил­ лиметра. При этих размерах зерен рассеяние ультразвука на 10 Мгц близко к максимальному, так что уменьшение и увеличение разме­ ров зерен при легировании должно сопровождаться снижением затухания.

Ввиду того, что во многих сплавах структура оказывалась в зна­ чительной степени нерекристаллизованной, проследить характер изменения величины зерна с увеличением концентрации легирую­ щих добавок в большинстве систем в горячепрессованном состоянии не удалось. С достаточной степенью определенности можно было считать, что величина зерна снижалась при легировании лишь в системах алюминий—магний и алюминий—фаза MgZn2. В отож­ женном состоянии в системе алюминий—кремний наблюдали увели­ чение размеров зерен алюминиевого твердого раствора при легиро­ вании. В системе алюминий—цинк величина рекристаллизованных зерен изменялась с увеличением содержания цинка в узких пределах без какой-либо закономерности.

В двухфазной области изменению коэффициента затухания при легировании можно дать то же объяснение, что и в случае магниевых сплавов. Увеличение затухания при образовании кристаллов вторых фаз должно быть обусловлено рассеянием ультразвука этими кри­ сталлами. Величина рассеяния должна повышаться с увеличением размеров кристаллов, их количеством и быть тем больше, чем больше модули упругости и плотность вторых фаз отличаются от модулей упругости и плотности алюминиевого твердого раствора. Максимум затухания в области доэвтектических сплавов, очевидно,— результат рассеяния ультразвука, обусловленного наличием в структуре областей деформированных эвтектик и алюминиевого твердого раствора, имеющих различные упругие характеристики и плотность. В системах, в которых области деформированной эвтектики выражены нечетко и мало отличаются по свойствам от алюминиевого твердого раствора, максимум затухания в области доэвтектических сплавов может быть слабо выражен и не наблю­ даться.

Несколько особняком среди изученных систем стоит система А1—Zn, в сплавах которой наблюдаются особенно низкие значения коэффициента затухания. Особенность этой системы — широкая область твердых растворов и быстрое протекание процессов распада пересыщенного твердого раствора цинка в алюминии при низких температурах старения, в том числе и комнатной.

Первоначально предполагалось, что снижение коэффициента затухания при легировании алюминия цинком вплоть до ~ 2 0 вес. % связано с увеличением закрепления дислокаций и уменьшением,

84

таким образом, дислокационной составляющей затухания. Такая точка зрения обосновывалась тем, что вплоть до ~ 20% цинка происходит увеличение твердости сплавов. Твердость же с опреде­ ленным приближением можно рассматривать как характеристику степени закрепления дислокаций при колебаниях.

С другой стороны, величина зерна с увеличением содержания цинка менялась мало и без четко выраженной закономерности, поэтому связать снижение коэффициента затухания с изменением размеров зерен нельзя. Влияние закрепления дислокаций на внут­ реннее трение обычно учитывается при небольших содержаниях легирующих элементов, когда их можно рассматривать как приме­ си. В случае же сплавов алюминий-цинк предполагается, что это закрепление продолжается вплоть до ~ 10 ат. %. Есть все основания считать, что при таком значительном легировании эффект закрепле­ ния дислокаций в алюминиевом твердом растворе имеет место. Помимо отмеченного увеличения содержания цинка об этом говорит снижение коэффициента затухания при распаде твердого раствора, которое происходит в- алюминиево-цинковых сплавах одновременно с увеличением твердости [247].

Однако в сплавах алюминия с ~ 2 0 % цинка достигаются очень низкие значения коэффициента затухания, которые объяснить лишь закреплением дислокаций нельзя. Эти значения такого же порядка, как в алюминиевых монокристаллах и магниевых сплавах МДЗ-1 и МДЗ-2, величина зерна у которых на порядок ниже, чем сплавов алюминия с ~20% цинка. Для того чтобы объяснить низкое затухание ультразвука в сплавах алюминия с цинком, следует пред­ положить, что растворение цинка в твердом алюминии приводит к уменьшению упругой анизотропности кристаллической решетки. Это предположение подтверждается отсутствием зависимости зату­ хания ультразвука в этих сплавах от величины зерна. Эксперимен­ тальные данные соответствующего исследования будут представле­ ны ниже.

Повышение затухания ультразвука в сплавах алюминий-цинк при увеличении содержания цинка более 20% следует объяснить появлением в структуре богатой цинком фазы.

В табл. 3 представлены данные по модулю упругости и плотности фаз и приведены рассчитанные значения величины g c, характери­ зующей рассеивающую способность изолированных кристаллов вторых фаз в соответствии с теорией Енга и Труелла [132].

Рассчитанные значения величины ge для различных систем алюминиевых сплавов различаются не более чем на порядок. Наи­

85