Файл: Алюминиевые и магниевые сплавы, армированные волокнами..pdf

Рис. 8. Микроструктура композиции магний — сталь AFC-77, на которой видна локальная коррозия матрицы, X 300 [14]

Литературные данные о результатах исследования коррозионной стойкости композита на основе магния, армированного волокнами, очень ограничены и не могут дать определенного представления о коррозии этих материалов в различных условиях. В работе [14] исследовалась коррозионная стойкость композиции магний-высоко-

Армирующие волокна брали в виде проволоки диаметром 0,213 мм. Коррозионная стойкость композиции определяется при испытании в разбавленном (2%) растворе щавелевой кислоты при комнатной температуре. Образцы погружались в раствор на время от 10 сек до нескольких минут.

151

эффекты сильно выражены. На границе между матрицей и волокна­

ми наблюдается интенсивная локальная коррозия магниевой матри­ цы (рис. 8).

Втабл. 5 приведены некоторые свойства композита магний—бор

всравнении со свойствами стандартных легких сплавов и компози­ ционных материалов на основе алюминия.

Рис. 9. Удельная прочность жаропроч пых сплавов и композиции при повы­ шенных температурах [7]

6 — A l - с п л а в 2 0 2 4 - T 8 1

Приведенные в табл. 5 данные свидетельствуют о том, что ком­ позиционный материал, созданный на основе системы магний—бор, по удельной прочности превосходит большинство известных до сих пор высокопрочных металлических материалов и композиций на

5,6% Zn — 2,5% Mg — 1,6% Cu —0,3% Cr); Ті-сплав (Ti — 6% AI—4% V); Ве-сплав (S-2U0).

152

алюминиевой основе, а по удельной жесткости является конкурентом бериллия.

Преимущества этого композита еще более отчетливо проявляются при испытании при повышенных температурах — до 500° С (рис. 9).

2.СВЕРХЛЕГКИЕ МАГНИЕВОЛИТИЕВЫЕ СПЛАВЫ И КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ИХ ОСНОВЕ

А. Матричные магниеволитиевые сплавы

Магниеволитиевые сплавы являются самым легким конструкци­ онным металлическим материалом. Удельный вес их равен 1,30— 1,65 г/см3, что на 30—10% меньше удельного веса стандартных магниевых сплавов и составляет половину такового алюминиевых сплавов. Помимо того, что магниеволитиевые сплавы, содержащие более 5,7% лития, значительно легче стандартных магниевых спла­ вов, они обладают рядом других преимуществ: повышенной пластич­ ностью и деформируемостью, сравнимой с пластичностью и деформи­ руемостью высокотехиологическнх алюминиевых сплавов; высоким удельным модулем упругости — 3000—3200, в то время как у стандартных магниевых сплавов удельная жесткость равна 2300— 2500; повышенным пределом текучести при сжатии (в 1,5—2 раза большем, чем у стандартных магниевых сплавов); незначительной анизотропией механических свойств; хорошими механическими свойствами, в том числе пластичностью и ударной вязкостью, при криогенных температурах; отсутствием чувствительности к надрезу и высокой ударной вязкостью; высокой удельной теплоемкостью, составляющей 75—80% от теплоемкости бериллиевых сплавов;

Рис. 10. Диаграмма со­ стояния сплава магний — литий [16]

хорошей свариваемостью; несклонностью к коррозионному рас­ трескиванию под напряжением и некоторыми другими особенностя­ ми, которые обусловливаются прежде всего присутствием в сплаве значительного количества лития.

В последние годы в СССР созданы новые композиции сверхлегких магниеволитиевых сплавов, прочностные свойства которых при кратковременных испытаниях на растяжениие практически нахо-

153

дятся на уровне свойств наиболее широко распространенных стандартных деформируемых магниевых сплавов МА8иМА2-1 [15].

Прежде чем перейти к описанию структуры и свойств многоком­ понентных магниеволитиевых сплавов, коротко охарактеризуем

[16, 17]. Твердый раствор лития в магнии (сс-фаза) простирается до содержания лития 5,7 вес. % (17 ат. %). Твердый раствор на основе лития (ß-фаза) характерен для магниеволитиевых сплавов, содер­ жащих более 10,3 вес.% (30 ат.%) лития. Двухфазная (а + ß)- область находится в интервале от 5,7 до 10,3 вес. % лития.

154

Повышенная взаимная растворимость магния и лития обуслов­ лена прежде всего наличием диагонального эффекта, близостью атомных размеров (величина несоответствия атомных радиусов магния и лития не превышает 15 %) и близостью электрохимиче­ ских свойств.

Для системы магний — литий характерно практически полное отсутствие изменения растворимости в твердом состоянии с темпе­ ратурой, т. е. двойные магниеволитиевые сплавы не упрочняются при термообработке.

Сплавы на основе магниевого твердого раствора имеют ГПУ решетку магния. Однако величины осей а и с и отношения между ними существенно меняются при увелтчении содержания лития

в нем в достаточной степени, чтобы существенно понизить отношение da от 1,6235 для чистого магния до 1,6078 для сплава Mg — 18,4 ат.% Li. Величина осей а и с изменяется при этом соответственно от 3,2095 до 3,1918 Â и от 5,2106 до 5,1319 Â, что приводит к значи­ тельному искажению гексагональной структуры и существенно сказывается на деформационных характеристиках магниеволитие­ вых сплавов на основе а-фазы.

Наиболее подробно деформационные характеристики магниеволи­ тиевых сплавов с ГПУ решеткой были исследованы в работе Хаусера

и улучшает пластические характеристики магния в результате возникновения дополнительного интенсивного скольжения по плоскостям призмы, в то время как для чистого магния деформация происходит только за счет скольжения по плоскости базиса. Такое изменение механизма деформации было объяснено в работе [19]

возможным при увеличении отношения da в магниеволитиевых сплавах.

В работе [20] высказывается предположение, что в сплавах маг­ ния с 4—5% * лития возможен ближний порядок, который способ­ ствует возникновению призматического скольжения, тем более что в указанных сплавах наблюдается увеличение критического напря­ жения сдвига для базисной плоскости в несколько раз [21].

Содержание лития в магниеволитиевых сплавах более 5,7% приводит к появлению в их структуре ß-фазы — литиевого твердого раствора с ОЦК структурой. Двухфазные (а + Р)-сплавы по многим характеристикам занимают промежуточное положение между одно­ фазными магниеволитиевыми сплавами на основе магниевого и ли­ тиевого твердых растворов.

* Здесь и далее % по весу.

155

При содержании более 10,3% лития в магнии образуется одно­ родный ß-твердый раствор с ОЦК решеткой лития. Присутствие в магниеволитиевых сплавах литиевого твердого раствора с ОЦК кристаллической структурой обусловливает целый ряд особенностей этих сплавов относительно магния и сплавов на его основе. Литие­ вый твердый раствор, обладая ОЦК решеткой с меньшей плотностью упаковки атомов (координационное число 8), чем у ГПУ решетки магния (координационное число 12), способствует увеличению диффузионной подвижности атомов легирующих элементов и вакан­ сий и тем самым облегчает протекание сдвиговых процессов при воздействии температуры и напряжений. Кроме того, можно ожи­ дать, что легирование магния (Гпл — 650° С, Е = 4300 кПмм2) значительным количеством легкоплавкового лития (ТІІЛ— 186° С), обладающего к тому же низким модулем упругости Е = 500 кГ/мм2, уменьшает прочность межатомных связей и ускоряет диффузионные процессы. В литиевом твердом растворе с ОЦК структурой по сравнению с ГПУ структурой магния наблюдается увеличение числа плоскостей скольжения, что также способствует снижению сопротивления деформации.

Одной из особенностей деформации магниеволитиевых сплавов, содержащих ß-фазу с ОЦК решеткой, является их пониженная пластичность при добавлении 15% алюминия [22]. Малые добавки лития к магнию в области магниевого твердого раствора несколь­ ко повышали способность к наклепу, а последующее легирова­ ние существенно уменьшало деформационное упрочнение, которое было особенно низким у сплавов на основе литиевого твердого ра­ створа [221.

В работе [23] было показано, что магнневолитневые сплавы на основе ß-фазы обладают значительно меньшей величиной дефор­ мационного упрочнения по сравнению с магниевыми сплавами, не содержащими литий. Однако высокая пластичность ß-твердого раствора с ОЦК решеткой позволяла применять большие степени холодной деформации (50—75%), что дало возможность повысить их прочностные характеристики в 1,2—1,5 раза. Такое упрочне­ ние не было термически устойчивым и частично снималось уже при

ния в диапазоне от —196 до +300° С, а также чувствительность спла­ вов к концентратору напряжения. Авторы показали (рис. і 1, а, б), что легирование магния 4% лития приводит к повышению пределов

156

Содержания лития в сплавах более 8% приводит к значительному (в 5—10 раз) росту пластичности при всех температурах испытания (см. рис. 11,б, г). При повышении содержания лития до 14% плас­ тические характеристики сплава уменьшаются при температурах испытания ниже 60° С, в то время как при 100° они непрерывно увеличиваются с обогащением сплава литием.

Прочностные свойства всех изученных сплавов существенно уве­ личиваются при понижении температуры испытания (рис. 12). При изменении температуры от +200 до —196° С предел прочности магния возрастает от 6,5 до 39,7 (в 6,1 раз), сплава Mg — 4% Li —-

от 4 до 29,4 (в 7,3 раза); сплава Mg — 8% Li — от 1,8 до 23,5 (в 12,9 раза) и Mg—14% Li—от 1 до 15 кГ/мм2(в 15 раз). Аналогично изменяется предел текучести. Полученные данные показывают, что легирование магния литием повышает температурную чувствитель­ ность прочностных характеристик магниеволитиевых сплавов, при­ чем указанный эффект становится более заметным для сплавов, содержащих литиевый твердый раствор с ОЦК структурой.

Если прочность всех изученных материалов изменяется более или менее монотонно с увеличением температуры испытания, то изменение пластических характеристик магния существенно отлича­ ется от изменения соответствующих свойств магниеволитиевых сплавов. Так, если 6 и ф увеличиваются с ростом температуры, то введение в магний добавок лития приводит к образованию на

и, по-видимому, прежде всего натрия. Локальная диффузия атомов натрия или каких-либо других примесей к границам зерен при определенных условиях испытания образцов [25], вероятно, имеет место и в данном случае несмотря на то, что сплавы сравнительно

ность. Увеличение содержания лития в сплавах существенно сни­ жает склонность к хрупкому разрушению даже при криогенных температурах Гкр (критическая температура чувствительности к надрезу), при которых сг,ѵ = ов. Так, для магния Ткр = —25°, для сплава Mg — 4% Li она равна —100°, а для сплава Mg — 8% Li —(—130°). Сплав Mg — 14% Li на основе литиевого твердого раствора практически не чувствителен к надрезу в исследованном интервале температур.

Помимо температурной зависимости механических свойств маг­ ния и его сплавов с литием в работе [26] была изучена зависимость прочности а,, и пластичности ф прессованных прутков диаметром

157