Изучение взаимосвязи строения и свойств сплавов на основе Fe, Cu и Al в твердом и жидком состояниях тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Константинов Андрей Николаевич

ИЗУЧЕНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ СТРОЕНИЯ И СВОЙСТВ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ Ре, Си и А1В ТВЕРДОМ И ЖИДКОМ СОСТОЯНИЯХ

Специальность 02.00.04 - Физическая химия

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата химических наук

2 8 НОЯ 2013

Екатеринбург - 2013

005540767

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина» и ФГБОУ ВПО «Уральский государственный педагогический университет»

Защита диссертации состоится 20 декабря 2013 года в 1200 на заседании диссертационного совета Д 004.001.01 при Федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте металлургии Уральского отделения Российской академии наук по адресу: 620016, г. Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в Центральной научной библиотеке Уральского отделения Российской академии наук.

Научный руководитель

Чикова Ольга Анатольевна, доктор физико-математических наук

Официальные оппоненты:

Тюрин Александр Георгиевич, доктор химических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Челябинский государственный университет», заведующий кафедрой аналитической и физической химии

Долматов Алексей Владимирович, кандидат химических наук, ФГБУН Институт металлургии Уральского отделения Российской академии^ наук, старший научный сотрудник лаборатории • физической , химии металлургических расплавов

Ведущая организация:

ФГБУН Институт химии твердого тела Уральского отделения Российской академии наук

Автореферат разослан «_> ноября 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук

Дмитриев Андрей Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Важнейшим условием эффективности научно-технической политики является разработка новых технологий получения металлов и их сплавов. Теоретическое и практическое изучение связи твердого и жидкого состояния металлических сплавов, закономерностей кристаллизации направлено на разработку новых методов промышленного производства, позволяющих получать металлы и сплавы повышенного качества. Изучение взаимосвязи строения и свойств твердых и жидких металлических сплавов является предметом изучения физической химии. Механизм и количественное описание данной взаимосвязи являются в большей степени дискуссионными, по-прежнему актуально накопление и обобщение эмпирического материала.

Одно из наиболее актуальных направлений исследований - выяснение механизмов, позволяющих управлять важными технологическими и служебными свойствами материалов: прочностью, пластичностью и т.п. Решение подобных задач требует проведения комплексных исследований структуры и свойств материалов с использованием современных экспериментальных методов. Строение металлов в жидком состоянии характеризуется микронеоднородностью, разрушение которой происходит в условиях высоких температур, при этом меняются структура и свойства литого металла. Широко известны результаты исследований П.В. Гельда, Б.А. Баума с сотрудниками связи структуры шихты, технологического режима выплавки со свойствами расплава и литого металла. Выводы Б.А. Баума привели к представлению о наличии необратимых изменений структурного состояния металлических расплавов при изменении температуры или при изотермических выдержках - необратимого разрушения неравновесного микронеоднородного состояния, унаследованного от гетерофазного кристаллического образца -гомогенизации металлического расплава. Действительно, полное смешение атомов компонентов и формирование однородного расплава в производственных условиях достигается далеко не всегда. Нередко кристаллизации подвергается недостаточно подготовленный неравновесный расплав, сохранивший черты своей предыстории,

Г\

что влияет на механизм и кинетику кристаллизации и приводит к понижению качества и нестабильности характеристик готовых изделий.

Изучению взаимосвязи строения и свойств твердых и жидких металлических сплавов для оптимизации технологии получения изделий из них посвящена данная работа, выводы и рекомендации которой направлены на установление закономерностей связи твердого и жидкого состояния металлических сплавов и улучшение качества металлопродукции.

Исследования выполнены в ЦКП «Современные нанотехнологии» ИЕН УрФУ, в Исследовательском центре физики металлических жидкостей Института материаловедения и металлургии УрФУ, в Институте физики металлов УрО РАН, на кафедре «Литейные и высокоэффективные технологии» в Центре современных литейных технологий Самарского государственного технического университета.

Целью работы является установление закономерностей связи строения и свойств сплавов системы Fe-Cu, Al-28Mac.%Cu-6Mac.%Si, Cu-10Mac.%Sn, Al-50мас.%Бп в твердом и жидком состояниях; исследования направлены на разработку технологии получения сплавов повышенного качества путем определения температуры гомогенизации металлической жидкости.

В работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. Изучить микрорасслоение и условия кристаллизации расплавов системы Fe-Cu и разработать технологию получения объемных образцов псевдосплавов Fe-43Mac.%Cu, Fe-63Mac.%Cu, предусматривающую промышленные скорости охлаждения слитка (1-10 К/с).

2. Исследовать закономерности влияния гомогенизации расплавов припоев Al-28Mac.%Cu-6Mac.%Si, Cu-10Mac.%Sn на микроструктуру слитка и паяных соединений, характеристики смачивания и растекания.

3. Установить роль гомогенизации расплава баббита Al-50Mac.%Sn в улучшении обрабатываемости слитка давлением.

Научная новизна работы сформулирована в виде следующих положений, которые выносятся на защиту:

1. Впервые на диаграмме состояния системы Fe-Cu во всем интервале составов обозначены температуры гомогенизации металлической жидкости, нагрев выше которых при последующем охлаждении и кристаллизации приводит к существенному изменению микроструктуры и свойств литого металла.

2. Разработана и апробирована на примере вискозиметрического исследования расплавов системы Fe-Cu методика статистического анализа результатов эксперимента, позволяющая установить параметры оптимального режима ТВО расплава.

3. На примере баббита Al-50Mac.%Sn впервые проведен сравнительный анализ влияния гомогенизации расплава, увеличение скорости охлаждении на порядок и модифицирование добавками Zr и Ti на микроструктуру и механические свойства отдельных фаз слитка.

4. Автором предложен оригинальный способ оценки обрабатываемости слитка давлением на основе измерения модуля Юнга отдельных фазовых составляющих методом наноинденгирования межфазного давления.

5. Впервые проведено систематическое исследование влияния гомогенизации расплава припоя Cu-10Mac.%Sn не только на микроструктуру слитка и формирующихся при пайке стали диффузионных слоев, но и на характеристики смачивания и растекания.

6. В условиях опытного производства впервые проведен сравнительный анализ влияния на микроструктуру слитка гомогенизации расплава и модифицирования аморфной лентой того же состава.

Практическая ценность:

1. Разработан оригинальный способ улучшения микроструктуры и свойств получения слитков промышленно важных сплавов Fe-43Mac.%Cu, Fe-63Mac.%Cu, Al-28Mac.%Cu-ÓMac.%Si, Cu-10Mac.%Sn, Al-50Mac.%Sn. В результате оптимизировано малотоннажное производство припоя А34, получен акт внедрения в Центре современных литейных технологий Самарского государственного технического университета на кафедре «Литейные и высокоэффективные технологии».

2. Существенно расширены представления о возможности гомогенизации расплава как способа улучшения качества литых изделий путем сравнительного анализа влияния гомогенизации, закалки и модифицирования.

3. Впервые получены результаты влияния гомогенизации расплава на паяемость и обработку слитка давлением.

Апробация работы. Результаты работы докладывались и обсуждались на ХУП Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых (Екатеринбург, 2011), I Студенческой научно-практической конференции «Молодежь в науке и образовании: проблемы и перспективы развития» (Екатеринбург, 2011), 2ой Уральской школе молодых ученых «Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия» (УрГУ им. A.M. Горького Уральский центр коллективного пользования «Современные нанотехнологии» Компания «Нанотехнологии-МДТ», 19-22 апреля 2011), VI Всероссийской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (Екатеринбург УрФУ, 2011), XIV областном конкурсе научных работ студентов учреждений высшего и среднего профессионально образования Свердловской области «Научный олимп» по направлению «Технические науки» (Екатеринбург УрФУ, 2011), XII Международной научно-технической школе-семинаре металловедов - молодых ученых (Екатеринбург УрФУ, 2011), 4-й Всероссийской научно-технической конференции «Взаимодействие науки и литейно-металпургического производства» (Самара, 2012), 11-ом Российском семинаре «Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов» (Курган, 2012), 11-ой Международной интерактивной научно-практической конференция «Инновации в материаловедении и металлургии» (Екатеринбург УрФУ, 2012), Всероссийской молодежной конференции «Физика и химия наноразмерных систем» (Екатеринбург УрФУ, 2012), Международной научно-технической Уралской школе-семинаре металловедов-молодых ученых «Материаловедение и металлофизика легких сплавов» (Екатеринбург УрФУ, 2012), XII Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых

«Философия и наука» (Екатеринбург, 23 апреля 2013 г.), V Уральском горнопромышленном форуме «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР» (Институт металлургии УрО РАН, Екатеринбург 1-4 октября 2013 г.).

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 17 научных работ в журналах и сборниках трудов российских и международных научно-технических конференций, в том числе 12 в изданиях из перечня ведущих научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения. Диссертация изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 42 рисунка, 10 таблиц, а также список литературы из 221 наименования.

Во введении обоснована актуальность, сформулированы цель и задачи исследований, показаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе проведен обзор литературы, посвященной современным представлениям о природе микронеоднородностей в металлических расплавах, а также влиянию их необратимого разрушения на микроструктуру и свойства литого металла. Представления о природе химической микронеоднородности металлических расплавов, причинах ее длительного существования при температурах, близких к ликвидусу, закономерностях разрушения при нагреве до определенных температур сформулированы в работах Гельда П.В., Баума Б.А. и Попеля П.С. Гомогенное состояние достигается путем нагрева расплава до определенной для каждого состава температуры или иным энергетическим воздействием на него, например, ультразвуковой обработкой. На основании анализа обширного экспериментального материала было показано, что перевод расплава в гомогенное состояние при последующем охлаждении и кристаллизации даже со скоростями 1-10 °С/с приводит к формированию структуры слитка подобной модифицированной. Перевод расплава в гомогенное состояние лежит в основе оптимизации режима температурно-временной обработки жидкого металла и

рассматривается в контексте явления металлургической наследственности как перспективный способ повышения уровня механических свойств металлопродукции. В первой главе сформулированы цель, задачи, выбраны и объекты исследования.

Во второй главе описаны методы экспериментальных исследований.

Обоснован выбор вискозиметрии как основного метода изучения структурного состояния металлических расплавов, а также описана методика измерения кинематической вязкости металлических расплавов. Вязкость металлических расплавов измерялась методом затухающих крутильных колебаний тигля в режиме нагрева и последующего охлаждения образца Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась с использованием методов статистического анализа в программе Microsoft Excel.

Угол смачивания и диаметр пятна смоченной поверхности при растекании расплавов по поверхности твердых тел измерялись методом лежащей капли в условиях совместного нагрева образца и подложки. Профиль исследуемой капли снимали цифровой фотокамерой с копированием изображения на компьютер, угол смачивания определяли с помощью программы анализа изображений SIAMS 600.

Термограммы получены с помощью высокотемпературного дифференциального термоанализатора ВДТА-8МЗ, который позволяет проводить опыты в интервале температур от комнатной до 2000 °С. Опыты проводили в режимах нагрева и последующего охлаждения образцов со скоростями - 10, 20 и 40 °С/мин. В качестве эталона использовали зонно-очгаценный монокристалл вольфрама и алюминий марки А999. Разработана методика физико-химического анализа результатов измерений, позволяющая определять энтальпию, энергию активации фазовых превращений и оценивать равновесный размер зародыша новой фазы.

Количественный и качественный металлографический анализ осуществляли с помощью оптических микроскопов «Neophot-32» и «МБС-9». Количественный металлографический анализ (в основном, определение среднего размера зерна и

объемных долей фаз) осуществляли с использованием системы автоматического анализа изображений SLAMS 600.

Изучение кристаллического строения, элементного состава фаз, химических и структурных свойств опытных образцов с более высоким пространственным разрешением проводили с помощью рабочей станции Auriga CrossBeam с использованием приставок для микрорентгеноспектрального анализа и дифракции обратно рассеянных электронов. Впервые применили сканирующий зондовый микроскоп NTEGRA Therma в режиме полуконтактной атомно-силовой микроскопии, снабженный термостоликом SU005NTF, позволяющий нагревать исследуемые образцы до 300 °С.

При проведении механических испытаний в микрообъемах -наноиндентировании использовали наносклерометрический модуль Зондовой НаноЛаборатории NTEGRA. Обработку и анализ СЗМ-изображений проводили с помощью программных средств Nova и SPEP.

Третья глава посвящена результатам экспериментального изучения микрорасслоения и условий кристаллизации расплавов системы Fe-Cu. Исследованы температурные и временные зависимости кинематической вязкости расплавов Fe-Cu во всем концентрационном интервале. Опыты проведены в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. Шихтовыми материалами служили медь марки МкОО и карбонильное железо марки ОСЧ. Измерения вязкости проводили в атмосфере высокочистого гелия под давлением 105 Па. Систематическая погрешность измерения v составляла 3%, а случайная, определяющая разброс точек в ходе одного опыта, при доверительной вероятности р=0,95 не превышала 1,5%.

Обнаружено расхождение политерм кинематической вязкости v(T), отвечающих режимам нагрева и охлаждения (гистерезис). Температуры, отвечающие ветвлению кривых v(T), нанесли на диаграмму состояния системы Fe-Cu, и получили «двугорбую» куполообразную кривую, лежащую на 150-200 °С выше линии ликвидус, границу области существования в расплаве

микронеоднородностей (рис. 1). Полученные результаты можно качественно интерпретировать с позиций представлений о метастабильной микрогетерогенности жидких сплавов. Согласно этим представлениям при переходе через купол макрорасслоения не образуется сразу же однородный на атомном уровне раствор и микрорасслоенное состояние сохраняется в определенном интервале температур.

le ?нпо массе) П И> 2(1 3(1 41) 5(1 60 7(1 S0 90 100

t,'C

1700

1600

1500гь,

1400

П"

1300

1200

1100

liM.XT''

1000

900

S00L.

700

600 ————————--

О 10 М 30 40 50 60 70 КО 9(1 100

Cu Feíct.ll.) Fe

Рис. 1. Диаграмма состояния сплавов Fe-Cu А - купол микрорасслоения в расплавах Fe-Cu, построенный по результатам измерения вязкости расплава

• - купол макрорасслоения на две фазы, обогащенные соответственно железом и медью

Судя по ветвлению кривых вязкости, переход расплава в состояние истинного раствора происходит вблизи точек этого ветвления. Двугорбый характер кривой, видимо, связан с тем, что при концентрациях, близких к критическому значению хКр=Хне=0,548, при достаточно медленном повышении температуры составы контактирующих фаз существенно сближаются по мере приближения к куполу несмешиваемости. При концентрациях, далеких от х*,,, различие составов фаз

сохраняется во всей двухфазной области. В результате после перехода через линию ликвидус формируется микрогетерогенное состояние расплава, которое сохраняется вплоть до температур, соответствующих особым точкам на кривых у(Т).

С целью анализа временных зависимостей вязкости рассчитаны среднее квадратичное отклонение значений вязкости (а) и коэффициент корреляции Пирсона значений вязкости и времени (Б). Установлено, что в опытах, где гистерезис кривых у(Т) не обнаружен, значения а отвечают заявленной погрешности измерений, а значения Б не превышают 0,7, что соответствует оценке силы корреляционной связи как средняя связь. В опытах, где наблюдался гистерезис -среднее квадратичное отклонение значений кинематической вязкости расплавов в четыре-пять раз превышало погрешность измерений, а значение Б перед переходом в гомогенное состояние составляло 0,9, что соответствует оценке силы корреляционной связи как сильная связь.

На примере сплавов Ре-43мас,%Си, Ре-63мас.%Си полученных путем нагрева металла в жидком состоянии до 1500 и 1700 °С, соответственно, показано, что перегрев расплава на 200° приводит к изменению микроструктуры слитка (рис. 2).

Fe-63Mac.%Cu (Т„=1500 °С) Fe-63Mac.%Cu (Т„=1700 °С)

Рис. 2. Микроструктура сплавов Fe-Cu

Размеры дендритных образований, при различных температурах перегрева расплава, существенно отличаются. На перегретом до 1700 °С образце поперечный размер вторичной ветви дендрита достигает 10 мкм, в то время как на образце, охлажденном от температуры 1500 °С, он около 50 мкм.

В четвертой главе представлены результаты экспериментального изучения влияния гомогенизации расплавов припоев А34 (А1-28мас.%Си-6мас.%81), Си-10мас.%8п на микроструктуру слитка и паяных соединений, характеристики смачивания и растекания.

Изучено влияние гомогенизации расплава А1-28мас.%Си-6мас.%81 на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов. Тгом=950 °С расплава А1-28мас.%Си-6мас.%81 была определена ранее на основе анализа результатов вискозиметрического исследования. В результате анализа термограмм обнаружено, что гомогенизирующий перегрев расплава припоя А34 при последующем охлаждении и кристаллизации приводит к поэтапному уменьшению теплоты фазовых переходов и энергии активации диффузионных процессов.

Проведено исследование микроструктуры образцов припоя, полученных с добавкой мелкокристаллической быстрозакаленной шихты (МКП) и с перегревом расплава выше температуры гомогенизации Тгом=950 °С (Тп=1000 °С, Тл=600 °С). Результаты представлены в Таблице 1 и на рис. 3. В результате сравнительного металлографического анализа образцов припоя А34, полученных различными способами, установлено, что их фазовый состав полностью идентичен, гомогенизация расплава повлияла на объемную долю, размеры и морфологию выделений первичных кристаллов СиА12 и эвтектики. Дополнительное модифицирование МКП усиливает указанное влияние гомогенизации металлической жидкости на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов припоя А34.

Рис. 3 Микроструктура образцов сплава А34 (а - партия 1; б - партия 2; в - партия 3; г - партия 4). Оптическая микроскопия

Таблица 1. Технологии изготовления и параметры микроструктуры припоя А34

№ партии Технология изготовления Размер дендритов а-А1, мкм Микротвердость эвтектики, МПа Размер кристаллов Si, мкм Объемная доля Si, %

1 '[ „ = Т, = 600 °С 327 2158 20 5,5

2 Т„= 1000 °С,Т„ = 600 °С 200 2020 17 4,3

3 Т„ = 1000 °С, Т„ = 600 "С, МКП (5% по массе) 300 2059 14 6,9

4 Т„ = Т„ = 600 °С, МКП (5% по массе) 310 2530 16 5,8

Тп - температура перегрева готового расплава; Тл - температура литья; МКП -

мелкокристаллический переплав

Предложен новый способ получения сплава припоя А34, основанный на перегреве жидкого металла выше температуры гомогенизации Ттом. Опытным путем показано, что перегрев расплава припоя А34 до температуры Т=1000 °С > Ттом при охлаждении и кристаллизации даже с медленными скоростями решил основную проблему при производстве слитков данного припоя: исключил формирование в

структуре слитка грубой тройной эвтектики (AI+CuAb+Si) и первичных кристаллов кремния (рис. За), которые существенно снижают технологические и эксплуатационные свойства припоя А34. В результате оптимизировано малотоннажное производство припоя А34, получен акт внедрения в Центре современных литейных технологий Самарского государственного технического университета на кафедре «Литейные и высокоэффективные технологии».

Дополнительно изучено влияние температуры нагрева слитка припоя на его микроструктуру. Впервые средствами пк-АСМ проведено изучение строения поверхности образцов припоя А34 при повышенных температурах 150 и 300 "С на температурном столике SU005NTF, входящего в комплект зондовой нанолаборатории NTEGRA Therma для определения оптимального температурного режима искусственного старения.

Изучено влияние гомогенизации расплава припоя Cu-10Mac.%Sn на микроструктуру слитка, характеристики смачивания и растекания по поверхности стали СтЗ, особенности строения и фазового состава паяных соединений. Температура гомогенизации Тгом, отвечающая необратимому изменению структурного состояния расплава Cu-10Mac.%Sn, определена в результате вискозиметрического исследования и составляет 1200 °С. В результате анализа термограмм обнаружено, что гомогенизирующий перегрев расплава Cu-10Mac.%Sn при последующем охлаждении и кристаллизации приводит к уменьшению удельной теплоты кристаллизации.

Измерены температурные и временные зависимости угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов Cu-10Mac.%Sn по поверхности стали СтЗ ' (рис. 4). Исследовано растекание двух образцов -гомогенизированного в жидком состоянии и выплавленного по стандартной технологии. Сравнительный анализ временных и температурных зависимостей угла смачивания и диаметра пятна смоченной поверхности при растекании расплавов Cü-10Mac.%Sn по поверхности стали СтЗ показал, что предварительная гомогенизация сплава в жидком состоянии при последующем расплавлении

приводит к существенному улучшению смачивания и растекания с течением времени. Для негомогенизированных расплавов характерна только зависимость смачивания и растекания от температуры.

О, мм 10,510,0 -9,5

9,0 8.5

Ж-Н4+Ж

. ^ - -г.....-

♦ -960С • 1000С ~Аг-Ю50*С —4—I!00*С

960'С

.....І.

1000 С —А - Ю50°С —«-1»00*С

Ж

.........$......$...........^.....*......ї

.....*

А-----^

Д мм 8,6

7,0-в,б-

4.6 4.0-

/, МШ

а

-950°С +- 970°С ■ -А ■ 1000°С -—1050*С 1100*С

ІІПІПМІ

і, мин в

• 950 С - 970*С

Ю00 С - -4—1050 С

І. мин г

Рис. 4. Временные зависимости диаметра пятна смоченной поверхности (а), (в) и угла смачивания (б), (г) при растекании расплава Си-10мас.%8п по поверхности стали СтЗ (нагрев); (а), (б) - гомогенизированный и (в), (г) - негомогенизированный образец Проведено металлографическое исследование структур двух партий образцов сплава Си-10мас.%8п - полученной по традиционной технологии и с перегревом расплава выше Тгом. Обнаружено, что перегрев расплава выше Тгом при последующем охлаяедении и кристаллизации приводит к измельчению зерна и появлению дендритов сферолитоподобной морфологии, изменению химического состава, следствием которого является уменьшение макротвердости и к повышенной ликвации по сечению (рис. 5).

а 6

Рис. 5. Структуры гомогенизированного (а) и негомогенизированного (б)

образцов Cu-10Mac.%Sn-Cr3: 1-структура подложки - феррит и перлит, 2-переходный слой (~ 30 мкм), 3-поверхностный слой

Средствами оптической микроскопии проведен качественный и количественный металлографический анализ строения твердофазных соединений, полученных в результате взаимодействия расплава Cu-10Mac.%Sn с поверхностью стали СтЗ в условиях смачивания. Образцы имеют три характерные зоны: подложка, переходный слой и поверхностный слой. Обнаружены признаки диспергирования подложки. Гомогенизация расплава приводит к увеличению количества всплывших фрагментов интерметаллида состава Cu2FeSn и объемной долей эвтектоида, что, в целом приводит к большей однородности a-твердого раствора Sn в Си в поверхностном слое образца.

В пятой главе представлены результаты экспериментального исследования влияния гомогенизации металлического расплава Al-50Mac.%Sn на обрабатываемость слитка давлением, а также результаты исследования механических свойств фаз образцов сплава Al-50Mac.%Sn, полученных различными способами: традиционным способом (нагрев расплава до 700 °С и охлаждение со скоростью 0,2 °С/с), при повышенной до 1150 °С температуре нагрева жидкого металла, увеличенной до 4 °С/с скорости охлаждения образца и при добавке в бинарный сплавав 0,06% Ti и 1% Zr. Тгом=950 °С расплава Al-50Mac.%Sn была определена ранее на основе анализа результатов вискозиметрического исследования. Изучено влияние гомогенизации, скорости охлаждения и введения

модифицирующих добавок на значение модуля Юнга и твердости фаз сплава А1-50мас.%8п методом наноиндентирования, а также влияние гомогенизации расплава А1-50мас.%5п на кристаллическое строение и элементный состав фаз. На основе методов математической теории упругости, показано, что при механическом воздействии на двухфазный материал, на межфазной границе возникает дополнительное давление, обусловленное различием модулей упругости матрицы и включения, которое превышает приложенное механическое усилие в сотни раз:

Р

' я(гца+ц(х„-\)У

где е =-—---); Хо =——; Я = с„и ц = с,, - постоянные Ляме для

Е, Е, Л„ +р.„

кубической решетки, Я - радиус включения; Р - внешнее усилие. Индекс «О»

относится к характеристикам включения.

Дополнительное давление на границе структурных составляющих слитка,

обладающих различными упругими модулями, является причиной разрушения

сплава А1-50мас.%8п при обработке его давлением.

Результаты измерений представлены в Таблице 2.

Таблица 2. Механические свойства фаз сплава Al-50Mac.%Sn

Способ получения образца Эвтектика Твердый раствор Sn в Al

5, % Г, % Е, ГПа Н, ГПа 5д, % Г, % <JT, МПа Е, ГПа НМ, ГПа

Т„=700 °С «ом=0,2 "С/с 87,7 - 97,93±4,93 0,51±0,06 71,0 3,3 213,4 68,88± 5,10 0,73±0,07

Т„=1150°С ^=0,2 °С/с 89,5 0,8 55,37±1,81 0,52±0,04 75,1 6,8 614,3 49,24± 3,01 0,62±0,03

Т„=700 "С и<ш.=4 °С/с 84,8 - 100,73±4,)9 0,56±0,01 71,4 3,7 216,1 68,89± 1,10 0,66±0,02

ТИ=П50 °С ьохл=4 "С/с 87,2 2,3 45,22±1,61 0,65±0,02 74,5 7,6 770,1 36,56± 0,47 0,69±0,03

Т„=1150°С г)охл=4°С/с + 0,06%Т1 87,5 57,26±3,10 0,55±0,06 74,7 13, 7 650,7 68,57± 11,59 0,73±0,07

Т„=1150°С иохл=4 °С/с + о,1%гт 86,2 7,6 35,31±5,93 0,57±0,05 77,6 7,8 711,7 39,28± 1,76 0,63±0,06

Проведена оценка возникающих механических напряжений, обусловленных

двухфазностью образца A!-50Mac.%Sn (рис. 6): эвтектика и a-Al. Расчет показал, что

17

дополнительное давление, обусловленное различием модулей упругости матрицы и включения, у гомогенизированного образца в 9 раз менее чем у реперного, закалка наоборот увеличивает дополнительное давление в 6,5 раза. Даже предварительная гомогенизация образца не спасает положение - наблюдается увеличение давления в 4,6 раза. Добавка тагана несколько исправляет ситуацию - уменьшение давления по отношению к реперу в 1,5 раза, циркония - в 3 раза. Можно предположить, что именно указанное дополнительное давление и послужило причиной разрушения образцов при прокатке.

Рис. 6. Микроструктура сплава Al-50Mac.%Sn Проведено исследование кристаллического строения и элементного состава фаз образцов сплава Al-50Mac.%Sn, полученных различными способами, с помощью традиционных методов металлографии: рабочей станции Auriga CrossBeam, применением сфокусированного ионного пучка для пробоподготовки, рентгеновского микроанализа для выявления элементного состава фаз, дифракции обратно рассеянных электронов для изучения кристаллического строения металла. Получены Карты ориентации кристаллитов (углы Эйлера) и полюсные фигуры (двухмерные проекции функции распределения ориентировок ODF), построены гистограммы дезориентации кристаллитов для гомогенизированного в жидком состоянии и реперного образцов сплава Al-50Mac.%Sn. По результатам анализа дифракционных картин Кикучи построены карты фактора Тейлора для системы деформаций (системы скольжения), характерной для алюминия: {111}<-П1> при направлении нагружения |) оси (ОХ) для реперного образца (Т„=700 °С и скорости охлаждения иохл=0,2 °С/с) и гомогенизированного в жидком состоянии (Тн=1150 °С и скорости охлаждения uOXJ.=0,2 °С/с). Анализ гистограмм углов дезориентации для реперного и гомогенизированного в жидком состоянии образцов показывает, что в первом случае имеет место большое количество больше угловых границ, во втором

случае практически все границы малоугловые, текстуированность материала для гомогенизированного образца выше. Сравнение полученных карт фактора Тейлора показало, что гомогенизированный в жидком состоянии образец характеризуется более высокой степенью однородности деформации.

Результаты проведенного исследования позволили рекомендовать перегрев лигатуры А1-50мас.%Бп в жидком состоянии выше Тгом=950 °С как эффективный способ уменьшения ее склонности к расслоению при прокатке. Предложен новый способ улучшения обрабатываемости давлением слитка лигатуры Al-50Mac.%Sn, основанный на сближении значений упругого модуля фаз, вследствие гомогенизирующего нагрева расплава выше 1000 °С.

Основные выводы по работе:

1. Проведено вискозиметрическое исследование расплавов Fe-Cu во всем концентрационном интервале в режиме нагрева и последующего охлаждения образцов. Обнаружено расхождение политерм кинематический вязкости, отвечающих режимам нагрева и охлаждения. По результатам измерений в надликвидусной части диаграммы состояний системы Fe-Cu построены границы области существования в расплаве микронеоднородностей. Разработана и апробирована на примере вискозиметрического исследования расплавов системы Fe-Cu методика статистического анализа результатов эксперимента, позволяющая установить параметры оптимального режима ТВО расплава.

2. Показано, что комбинированная обработка расплава А1-28мас.%Си-6Mac.%Si (гомогенизация и модифицирование добавкой мелкокристаллической шихты) способствует наиболее существенному измельчению кристаллов первичного кремния в структуре слитка припоя А34 и исключает формирование грубой тройной эвтектики (Al+CuAl2+Si). Предложен новый способ получения слитка припоя А34, основанный на перегреве жидкого металла выше температуры гомогенизации ТГО)<=950°С.

3. Предложены новые варианты подготовки расплава припоя Cu-10Mac.%Sn к литью и кристаллизации - температурно-временная обработка расплава на основе информации о необратимых изменениях в структуре металлической жидкости.

4. Решена проблема расслоения лигатуры сплава Al-50Mac.%Sn. Исходя, из результатов экспериментальных исследований даны рекомендации по производству лигатуры А1-50мас.%Бп - повышение до 1150 °С температуры нагрева

19

металлической жидкости и введение в расплав Zr. В рамках представлений математической теории упругости показано, что дополнительное давление, обусловленное различием модулей Юнга матрицы и включения, у гомогенизированного образца в 9 раз меньше, чем у образца, полученного без перегрева металлической жидкости.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Влияние добавок меди на вязкость и микрорасслоение расплава железа [Текст] / О, А. Чикова, А. Н. Константинов, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин // Известия вузов. Черная металлургия. - 2013. -№5,- С.14-18.

2. Вязкость и расслоение расплавов Fe-Cu [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин // Металлы. - 2013. -№ 5. - С. 13-18.

3. Исследование влияния структурного состояния расплава на кристаллическое строение и механические свойства фаз сплава. Al-50%Sn методом наноинденгарования [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, Е. В. Шишкина, Д. С. Чезганов //Металлы.-2013.-№4.-С. 70-81.

4. Микрорасслоение и условия кристаллизации расплавов Fe-Cu [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин //Расплавы. -2013. -№ 3.-С. 57-66.

5. О влиянии специальных способов обработай на свойства расплава и структуру припоя А34 [Текст] / К. В. Никитин, И. Ю.Тимошкин, В. И. Никитин, О. А. Чикова, И. Г. Бродова, А. Н. Константинов, Г. В. Овчинников // Металлургия машиностроения. - 2011. - № 4. - С. 17-21.

6.0 влиянии температуры нагрева и модифицирования расплава Al-28Bec.%Cu-6Bec.%Si на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов [Текст] / К. В. Никитин, О. А. Чикова, А. Н. Константинов, И. Ю. Тимошкин // Металловедение и термическая обработка металлов. - 2013. - №4. - С. 30-35.

7. Оптимизация технологии изготовления припоя А34 на основе изучения связи структуры и свойств жидкого и литого металла [Текст] / О. А. Чикова,

А. Н. Константинов, К. В. Никитин, Г. В. Овчинников //Расплавы,-2013.-№ 1.-С. 68-78.

8. Расслоение расплавов Cu-10%Mac.Sn при смачивании поверхности стали [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, М. А. Витюнин, Г. В. Овчинников // Расплавы. - 2013. - № 1. - С. 18-29.

9. Расслоение расплавов Sn-Cu при смачивании меди [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, М. А. Витюнин, Г. В. Овчинников // Расплавы. - 2012. - № 4. -С. 1-9.

10. Чикова О. А. Измерение методом наноивдентирования модуля Юнга и твердости фаз сплавов Al-50Mac.%Sn, полученных различными способами [Текст] / О. А. Чикова, Е. В. Шишкина, А. Н. Константинов II Физика металлов и металловедение. - 2013. -№ 7, т. 114. - С. 1-8.

11. Чикова О. А. Способ получения слитков припоя А34 на основе изучения связи строения и свойств жидкого и твердого металла [Текст] / О. А. Чикова, К. В. Никитин, А. Н. Константинов // Известия вузов. Цветная металлургия. - 2013. -№2.-С. 28-33.

12. Chikova О. A. Measurement of Young's Modulus and Hardness of Al-50 wt % Sn Alloy Phases using Nanoindentation [Текст] / О. A. Chikova, A. N. Konstantinov, E. V. Shishkina // The Physics of Metals and Metallography. -2013. - V. 114, № 7. - P. 616-622.

В других изданиях

13. Гомогенизация как перспективный способ подавления расслоения расплавов Fe-Cu [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, В. С. Цепелев, В. В. Вьюхин // Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР : тр. науч.-практ. конф. с междунар. участием и элементами шк. для молодых ученых, 1-4 окт. 2013 г., г. Екатеринбург. - Екатеринбург, 2013. - С. 360-364.

14. Изучение микроструктуры поверхности образца сплава А1-28мас.%Си-6Mac.%Si при повышенных температурах средствами СЗМ [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, Г. В. Овчинников, К. В. Никитин // Физические

свойства металлов и сплавов: сб. тез. докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина - Екатеринбург, 2011. - С. 165.

15. Константинов А. Н. Системный подход как метод проектирования технологии получения припоя А34 [Текст] / А. Н. Константинов // Философия и наука: материалы ХП Всерос. науч.-практ. конф. молодых ученых, 23 апр. 2013 г., г. Екатеринбург / Урал. гос. пед. ун-т ; под ред. Л. А. Беляевой. -Екатеринбург,2013.-С. 112-116.

16. Моделирование условий обработай давлением образцов сплава А1-50%5п, полученных различными способами [Текст] / О. А. Чикова, Е. В. Шишкина, Д. С. Чезганов, А. Н. Константинов // Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов : тр. 11-го Рос. семинара / Курган, гос. ун-т; под ред. Б. С. Воронцова. - Курган, 2012. - С. 26-28.

17. О влиянии гомогенизации расплава А1-28мас.%Си-6мас.%81 на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов [Текст] / К. В. Никитин, О. А. Чикова, А. Н. Константинов, Г. В. Овчинников // Современные нанотехнологии. Сканирующая зондовая микроскопия : сб. тез. 2-ой Урал. шк. молодых ученых, 19-22 апр. 2011 г. / Урал. гос. ун-т им. А. М. Горького. - Екатеринбург, 2011. - С. 20.

18. О влиянии термовременной обработки и модифицирования расплава припоя А34 на микроструктуру слитка [Текст] / К. В. Никитин, О. А. Чикова, А. Н. Константинов, Г. В. Овчинников // Физические свойства металлов и сплавов: сб. тез. докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2011. - С. 69.

19. Чикова О. А. Измерение модуля Юнга и нанотвердосга фаз сплава А1-50%8п методом наноиндентирования [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов // Физика и химия наноразмерных систем: сб. тез. докл. Всерос. молодеж. конф., 13-14 нояб. 2012 г., г. Екатеринбург / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина -Екатеринбург, 2012. - С. 41-42.

20. Чикова О. А. Изучение особенностей структурного состояния твердых и жидких сплавов А1-28мас.%Си-6мас.%81 методом ДТА [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов, Г. В Овчинников // Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, 25 марта - 1 апреля

2011 г. : тез. докл. / Ин-т электрофизики УрО РАН. - Екатеринбург, 2011. -С. 116-117. ,;-,

21. Чикрва О. А. Изучение особенностей субмикрокристаллического строения фаз сплава Al-50%Sn методом ДОЭ [Текст] / О. А. Чикова, Д. С. Чезганов, А. Н. Константинов // Физика и химия наноразмерных систем : сб. тез. докл. Всерос. молодеж. конф., 13-14 нояб. 2012 г., г. Екатеринбург / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2012. - С. 88-89.

22. Чикова О. А. Изучение средствами СЗМ влияния температуры нагрева жидкого и твердого сплава Al-28Mac.%Cu-6Mac.%Si на строение поверхности литых образцов [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов // XII Международная научно-техническая школа-семинар металловедов - молодых ученых : сб. науч. тр. / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2011, - С. 111-113. , .

23. Чикова О. А-.Исследование механических свойств фаз сплава Ab50%Sn методом наноиндентирования [Текст] / О. А- Чикова, Е. В. Шишкина, А. Н. Константинов // XIII Международная научно-техническая Уральская школа-семинар, молодых ученых - металловедов : сб. науч. тр. / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, . 2012. -С. 353-355.

24. Чикова О. А. Микрогетерогенность расплавов Fe-Cu [Текст] У О. А. Чикова, А. Н. Константинов, А. Д. Малов // Физика и химия наноразмерных систем : сб. тез. докл. Всерос. молодеж. конф., 13-14 нояб. 2012 г., г. Екатеринбург / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2012. -С. 43-44.

25. Чикова О. А. О влиянии гомогенезации расплава Al-28Mac.%Cu-6Mac.%Si на строение и фазовый состав закристаллизованных образцов [Текст] / О. А. Чикова, К. С. Колесникова, А. Н. Константинов // Семнадцатая Всероссийская научная конференция студентов-физиков и молодых ученых, 25 марта -1 апреля 2011 г.: тез. докл. / Ин-т электрофизики УрО РАН. - Екатеринбург, 2011. - С. 117-118.

26. Чикова О. А. О влиянии температуры нагрева и модифицирования расплава припоя А34 на строение и фазовый состав слитка [Текст] / О. А. Чикова,

К. В. Никитин, А. Н. Константинов // Инновации в материаловедении и металлургии : материалы I междунар. интерактив, науч.-пракг. конф. / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина; под ред. В. А. Мальцева [и др.]. - Екатеринбург, 2012.-С. 165-169.

27. Чикова О. А. Об интерпретации результатов дифференциального термического анализа жидких и твердых образцов металлических сплавов [Текст] / О. А. Чикова, 3. А. Истомина, А. Н. Константинов // Физические свойства металлов и сплавов : сб. тез. докл. VI Всерос. науч.-техн. конф. / Урал, федер. ун^г им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2011. - С. 116.

28. Чикова О. А. Оптимизация технологии получения слитков припоя А34 на основе изучения особенностей структурного состояния твердого и жидкого металла [Текст] / О. А. Чикова, А. Н. Константинов // Актуальные проблемы развития технических наук : сб. тез. науч. работ участников XIV обл. конкурса науч. работ студентов учреждений высш. и сред. проф. образования Свердл. обл. «Научный олимп» по направлению «Технические науки» / Урал, федер. ун-т им. первого Президента России Б. Н. Ельцина. - Екатеринбург, 2011. - С. 9-10.

29. Microheterogeneity of liquid Fe-Cu alloys [Текст] / V. S. Tsepelev, O. A Chikova, V. V. Weikhin, A. N. Konstantinov // IV International Conference on colloid chemistry and physicochemical mechanics, 30 June - 5 July 2013 г., Moscow, Russia. - Moscow, 2013. -P. 127-128.

Подписано в печать 12.11.2013 г. Формат 60x84/16 Бумага офсетная. Печать оперативная. Усл. пл. 1,5. Тираж 125 экз. Заказ № 4233 Отпечатано в отделе множительной техники Уральского государственного педагогического университета 620017, г. Екатеринбург, пр. Космонавтов, 26. e-mail: uspu@uspu.ru