Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию
Методом равноканального углового прессования (РКУП) получены ультрамелкозернистые (УМЗ) образцы магниевых сплавов АМ60 и AZ91D. Методами просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и энергодисперсионного анализа изучены структурные особенности УМЗ-образцов. Особое внимание уделе...
Gespeichert in:
| Veröffentlicht in: | Физика и техника высоких давлений |
|---|---|
| Datum: | 2007 |
| Hauptverfasser: | , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russisch |
| Veröffentlicht: |
Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України
2007
|
| Online Zugang: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70299 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию / Р.К. Исламгалиев, О.Б. Кулясова, Л.Р. Курманаева // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 110-116. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860109489478303744 |
|---|---|
| author | Исламгалиев, Р.К. Кулясова, О.Б. Курманаева, Л.Р. |
| author_facet | Исламгалиев, Р.К. Кулясова, О.Б. Курманаева, Л.Р. |
| citation_txt | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию / Р.К. Исламгалиев, О.Б. Кулясова, Л.Р. Курманаева // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 110-116. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Физика и техника высоких давлений |
| description | Методом равноканального углового прессования (РКУП) получены ультрамелкозернистые (УМЗ) образцы магниевых сплавов АМ60 и AZ91D. Методами просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и энергодисперсионного анализа изучены структурные особенности УМЗ-образцов. Особое внимание уделено сравнительным исследованиям механических свойств, в частности, пределов прочности и выносливости.
The method of equal-channel angular pressing (ECAP) has been used to prepare ultrafine-grained (UFG) samples of magnesium alloys AM60 and AZ91D. Features of the UFG samples structure have been studied by methods of transmission electron microscopy, optical metallography and energy-dispersion analysis. Special attention is paid to comparative investigations of mechanical properties including ultimate strength, plastic limit and fatigue range.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:33:14Z |
| format | Article |
| fulltext |
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
110
PACS: 81.40.−z
Р.К. Исламгалиев, О.Б. Кулясова, Л.Р. Курманаева
СТРУКТУРНЫЕ ОСОБЕННОСТИ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ, ПОДВЕРГНУТЫХ РАВНОКАНАЛЬНОМУ
УГЛОВОМУ ПРЕССОВАНИЮ
Институт физики перспективных материалов,
Уфимский государственный авиационный технический университет
ул. К. Маркса, 12, г. Уфа, 450000, Россия
E-mail: saturn@mail.rb.ru
Методом равноканального углового прессования (РКУП) получены ультрамелко-
зернистые (УМЗ) образцы магниевых сплавов АМ60 и AZ91D. Методами просвечи-
вающей электронной микроскопии, оптической металлографии и энергодисперси-
онного анализа изучены структурные особенности УМЗ-образцов. Особое внима-
ние уделено сравнительным исследованиям механических свойств, в частности,
пределов прочности и выносливости.
Введение
Известно, что легкие магниевые сплавы вследствие высокой удельной
прочности являются перспективными для применения в качестве конструк-
ционных материалов [1]. Вместе с тем большинство изделий из этих сплавов
получают методами литья под давлением, поскольку они относятся к классу
труднодеформируемых материалов. В то же время для изготовления изделий
сложной формы все чаще прибегают к методам пластического формообра-
зования при повышенных температурах на УМЗ-материалах.
Одним из перспективных методов получения УМЗ-материалов является
РКУП, которое ведет к значительному измельчению зеренной структуры до
среднего размера зерен менее 1 µm и соответственно к повышению прочно-
сти различных металлов и сплавов [1]. Значения пластичности УМЗ-
металлов во многом определяются температурными режимами РКУП [2].
Эти значения обычно оказывают существенное влияние на характеристики
усталости, важные для многих конструкционных применений УМЗ-материалов.
Целью настоящей работы явилось изучение структуры и механических
свойств УМЗ-магниевых сплавов АМ60 и AZ91D, полученных методами
РКУП. В соответствии с поставленной целью проекта решались задачи по
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
111
оптимизации температуры РКУП в магниевых сплавах, изучению однород-
ности структуры, определению среднего размера зерен и размера частиц вы-
делений, а также исследованию пластичности, пределов прочности и вынос-
ливости.
Материалы и методики исследований
В качестве исходных материалов были использованы литые магниевые
сплавы АМ60 (Mg−6 wt.% Al−0.13 wt.% Mn) и АZ91D (Mg–8.7 wt.% Al–0.65
wt.% Zn−0.25 wt.% Mn), образцы которых предварительно гомогенизирова-
ны при температуре 410°С в течение 6 h. Для формирования УМЗ-структуры
использовали метод РКУП [1] с углом пересечения каналов, равным 120°С
по маршруту Вс.
Исходные образцы из сплава АМ60 диаметром 20 mm и длиной 100 mm
подвергали 10 проходам. В соответствии с диаграммой фазового равновесия
исследуемого сплава были выбраны три температуры РКУП: 350°C – сплав на-
ходится в однофазной области; 210°C – сплав в двухфазной области; 150°C –
сплав также в двухфазной области, но с большим объемом второй фазы.
Исходные образцы из сплава АZ91D подвергали 2 проходам при 400°C,
затем 2 проходам при 350°C и, наконец, 2 проходам при 300°C.
Структуру образцов изучали в просвечивающих электронных микроско-
пах Philips EM-430 и JEM-100B при ускоряющих напряжениях соответствен-
но 300 и 100 kV. Для изготовления фольг из РКУП-образцов были вырезаны
диски диаметром 2.3 mm и толщиной 0.15 mm, которые затем были электро-
полированы на установке Tenupol-5 с использованием электролита: 1% пер-
хлорной кислоты и 99% этанола. Химический состав вторых фаз в фольгах
РКУП-образцов исследовали методом энергодисперсионного анализа.
Механические свойства изучали на специализированной машине, разра-
ботанной для испытаний на растяжение наноструктурных образцов малых
размеров [3] и оснащенной компьютерной программой для контроля пара-
метров. Испытания проводили при постоянной скорости перемещения тра-
версы. При этом рабочая часть образцов имела размеры 0.5 × 1.0 × 4.0 mm.
Усталостные испытания проводили на стандартных плоских образцах
толщиной 1 mm при частоте 20 Hz, применяя асимметричный цикл напря-
жений при постоянной амплитуде.
Результаты и обсуждение
При изучении структуры сплава АМ60 после РКУП при температуре
350°C было обнаружено, что эта обработка ведет к неоднородному состоя-
нию. В частности, в структуре наблюдали равноосные зерна с размером
5−10 µm на ~ 60−70% просмотренной площади фольги. Остальную площадь
занимали вытянутые зерна с размером 0.3−1.5 µm в ширину и 5−15 µm в
длину (рис. 1,а), некоторые из них были двойниками. Внутри зерен наблю-
дали мелкодисперсные частицы размером до 30 nm.
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
112
а б в
г
В образцах после РКУП при температуре 210°С обнаружена более одно-
родная структура с равноосными зернами по всей поверхности образца
(средний размер зерен 2 µm) (рис. 1,б). Наблюдали два типа вторых фаз: 1)
мелкодисперсные частицы размером 30 nm (рис. 1,б), как и в предыдущей
обработке (рис. 1,а); 2) частицы со средним размером 0.5 µm (рис. 1,в), не-
равномерно распределенные как в те-
ле зерен, так и по их границам.
Энергодисперсионный анализ по-
казал различие в химическом составе
между частицами первого и второго
типов частиц (рис. 2): частицы с
большим размером содержат Mg и Al
и по диаграмме равновесия Mg−Al
соответствуют фазе γ-Mg17Al12 [4];
частицы с меньшим размером допол-
нительно содержат Mn.
Микроструктура образцов после
РКУП при температуре 150°C была
наиболее однородна со средним раз-
мером зерна ~ 1 µm (рис. 1,г). В них
Рис. 1. Типичные микроструктуры магниевого спла-
ва АМ60 после РКУП при температуре, °C: а − 350;
б, в − 210 (с размерами частиц соответственно 30 nm
и 0.5 µm); г − 150
1 µm1 µm 200 nm
1 µm
Рис. 2. Энергодисперсионный анализ
частиц в РКУП-образцах АМ60: ---- −
0.5 µm, ––– − 30 nm
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
113
также наблюдали два типа частиц, однако в этих образцах объемная доля
частиц второго типа была больше и частицы были распределены более од-
нородно, чем в образцах, прессованных при температуре 210°С.
Во всех образцах (после РКУП при различных температурах) наблюдали
высокую плотность дислокаций.
Для сравнения на рис. 3 представлена структура другого магниевого
сплава AZ91D до и после РКУП. После гомогенизации структура сплава ха-
рактеризовалась средним размером зерен свыше 100 µm и наличием круп-
ных частиц выделений типа Mg17Al12. Применение РКУП при температуре
300°С вызвало в данном сплаве существенное измельчение зеренной струк-
туры до среднего размера около 3 µm.
а б
Рис. 3. Микроструктура сплава AZ91D: а − после гомогенизации при T = 460°C в
течение 6 h; б − после РКУП при температуре 300°C
Таблица иллюстрирует механические свойства на растяжение исходного
литого сплава, а также РКУП-образцов, полученных при трех различных
температурах (150, 210 и 350°C). Очевидно, что, чем ниже температура
РКУП, тем выше предел прочности. В частности, после РКУП при темпера-
туре 150°C сплав AM60 не только демонстрирует наиболее высокие значе-
ния предела прочности, достигающие 310 MPa, но также сохраняет повы-
шенную пластичность, характерную для этого сплава в литом состоянии.
Повышение прочности в РКУП-образцах хорошо коррелирует с измельче-
нием зеренной структуры, в частности, чем меньше средний размер зерен,
тем выше наблюдаемый предел прочности. Сохранение повышенной пла-
стичности может быть следствием двух причин, во-первых, уменьшения
концентрации алюминия в матрице в результате выделения большого коли-
чества частиц фазы Mg17Al12, а, во-вторых, развития зернограничного про-
скальзывания при комнатной температуре [5]. В пользу первого предполо-
жения свидетельствует меньшая пластичность в образцах, подвергнутых
РКУП при температуре 350°C, в которых наблюдалась наименьшая объем-
ная доля выделений, тогда как второе предположение требует дополнитель-
ного экспериментального подтверждения.
50 µm 10 µm
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
114
Таблица
Механические свойства магниевых сплавов АМ60 и AZ91D
Сплав Средний размер
зерен, µm
Предел теку-
чести, MPa
Предел проч-
ности, MPa
Относительное
удлинение, %
AM60
литой > 100 30 115 16
РКУП, 350°C 18 105 225 13
210°C 2 130 250 15
150°C 1 235 310 15
AZ91D
гомогенизированный > 100 110 170 3
РКУП, 300°C 3 130 240 6
Следует отметить, что в сплаве AZ91D, подвергнутом РКУП, наблюдали
повышение не только предела прочности от 170 до 240 MPa, но и повыше-
ние пластичности от 3 до 6% (таблица), что должно благоприятно сказаться
на повышении усталостных свойств УМЗ-образцов.
На рис. 4,а представлены результаты усталостных испытаний магниевого
сплава АМ60, подвергнутого РКУП при различных температурах. Установ-
лено, что на базе 5·106 циклов предел выносливости образцов, прессованных
при температуре 350°C, составил примерно 90 MPa. Со снижением темпера-
туры РКУП до 210 и 150°C наблюдали увеличение предела выносливости
соответственно до 110 и 120 MPa. Для сравнения в крупнозернистом состоянии
в сплаве АМ60 наблюдается предел выносливости, равный примерно 45 MPa
[6]. В другом магниевом сплаве AZ91D измельчение зеренной структуры
методом РКУП с размера > 100 µm до ~ 3 µm также привело к существенно-
му росту предела выносливости от 50 до 140 MPa (рис. 4,б). То есть по ре-
зультатам исследований усталостных свойств можно сделать вывод, что в
УМЗ-состоянии магниевые сплавы АМ60 и AZ91D демонстрируют повы-
шенные более чем в 2 раза пределы выносливости по сравнению с обычным
104 105 106 107 108 109
50
100
150
200
250 Coarse-grained [6]
ECAP for 350°C
for 210°C
for 150°C
M
ax
im
um
st
re
ss
, M
Pa
Cycles to fracture, N
104 105 106 107 108 1090
50
100
150
200
250
Cycles to fracture, N
M
ax
im
um
st
re
ss
, M
Pa AZ91D after ECAP
after homogenization
after homogenization [6]
а б
Рис. 4. Графики зависимости максимального напряжения от количества циклов: а −
AM60, б − AZ91D
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
115
крупнозернистым состоянием. При этом в случае сплава АМ60 снижение
температуры РКУП с 350 до 150°C сопровождается дальнейшим измельче-
нием зеренной структуры с 5−10 µm до ~ 1 µm, что способствует повыше-
нию предела выносливости с 90 до 120 MPa.
Выводы
Применение РКУП привело к уменьшению среднего размера зерна до 1 и
3 µm в магниевых сплавах соответственно АМ60 и AZ91D. При этом сред-
ний размер зерен и однородность зеренной структуры существенно зависели
от температуры РКУП.
УМЗ-образцы магниевого сплава АМ60, подвергнутые РКУП при темпе-
ратуре 150°C, продемонстрировали примерно в 2.5 раза более высокие зна-
чения предела прочности по сравнению с исходным крупнозернистым мате-
риалом при сохранении исходной пластичности 15%. Измельчение зеренной
структуры методом РКУП в сплаве AZ91D привело не только к существен-
ному росту предела прочности от 170 до 240 MPa, но и к увеличению пла-
стичности с 3 до 6%.
Применение РКУП способствовало также значительному (более чем в 2
раза) повышению предела выносливости ультрамелкозернистых магниевых
сплавов АМ60 и AZ91D соответственно до 120 и 140 MPa.
1. R.Z. Valiev, T.G. Langdon, Prog. Mater. Sci. 51, 881 (2006).
2. Н.Ф. Юнусова, Р.К. Исламгалиев, Р.З. Валиев, Металлы № 2, 21 (2004).
3. О.Б. Кулясова, Р.К. Исламгалиев, Р.З. Валиев, ФММ 100, № 3, 83 (2005).
4. B. Massalski, Binary Alloy Phase Diagrams, ASM International, Materials Park,
Ohio (1990).
5. R.Z. Valiev, Nature Materials 3, 511 (2004).
6. H. Mayer, M. Papakyriacou, B. Zettl, S.E. Stanzl-Tschegg, Int. J. Fatigue 25, 245
(2003).
R.K. Islamgaliev, O.B. Kulyasova, L.R. Kurmanayeva
FEATURES OF STRUCTURE AND MECHANICAL PROPERTIES OF
MAGNESIUM ALLOYS SUBJECTED TO THE EQUAL-CHANNEL
ANGULAR PRESSING
The method of equal-channel angular pressing (ECAP) has been used to prepare ultra-
fine-grained (UFG) samples of magnesium alloys AM60 and AZ91D. Features of the
UFG samples structure have been studied by methods of transmission electron micros-
copy, optical metallography and energy-dispersion analysis. Special attention is paid to
comparative investigations of mechanical properties including ultimate strength, plastic
limit and fatigue range.
Физика и техника высоких давлений 2007, том 17, № 1
116
Fig. 1. Typical microstructures of magnesium alloy AM60 after ECAP at temperatures,
°C: а − 350; б, в − 210 (with the particle size of 30 nm and 0.5µm, respectively); г − 150
Fig. 2. Energy-dispersion analysis of particles for ECAP-samples of AM60: ---- − 0.5 µm,
––– − 30 nm
Fig. 3. Microstructure of alloy AZ91D: а − after homogenization at T = 460°C for 6 h; б −
after ECAP at a temperature of 300°C
Fig. 4. Maximum stress as a function of the number of cycles: а − AM60, б − AZ91D
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-70299 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0868-5924 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:33:14Z |
| publishDate | 2007 |
| publisher | Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Исламгалиев, Р.К. Кулясова, О.Б. Курманаева, Л.Р. 2014-11-02T08:35:25Z 2014-11-02T08:35:25Z 2007 Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию / Р.К. Исламгалиев, О.Б. Кулясова, Л.Р. Курманаева // Физика и техника высоких давлений. — 2007. — Т. 17, № 1. — С. 110-116. — Бібліогр.: 6 назв. — рос. 0868-5924 PACS: 81.40.−z https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70299 Методом равноканального углового прессования (РКУП) получены ультрамелкозернистые (УМЗ) образцы магниевых сплавов АМ60 и AZ91D. Методами просвечивающей электронной микроскопии, оптической металлографии и энергодисперсионного анализа изучены структурные особенности УМЗ-образцов. Особое внимание уделено сравнительным исследованиям механических свойств, в частности, пределов прочности и выносливости. The method of equal-channel angular pressing (ECAP) has been used to prepare ultrafine-grained (UFG) samples of magnesium alloys AM60 and AZ91D. Features of the UFG samples structure have been studied by methods of transmission electron microscopy, optical metallography and energy-dispersion analysis. Special attention is paid to comparative investigations of mechanical properties including ultimate strength, plastic limit and fatigue range. ru Донецький фізико-технічний інститут ім. О.О. Галкіна НАН України Физика и техника высоких давлений Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию Структурні особливості і механічні властивості магнієвих сплавів, підданих рівноканальному кутовому пресуванню Features of structure and mechanical properties of magnesium alloys subjected to the equal-channel angular pressing Article published earlier |
| spellingShingle | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию Исламгалиев, Р.К. Кулясова, О.Б. Курманаева, Л.Р. |
| title | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| title_alt | Структурні особливості і механічні властивості магнієвих сплавів, підданих рівноканальному кутовому пресуванню Features of structure and mechanical properties of magnesium alloys subjected to the equal-channel angular pressing |
| title_full | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| title_fullStr | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| title_full_unstemmed | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| title_short | Структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| title_sort | структурные особенности и механические свойства магниевых сплавов, подвергнутых равноканальному угловому прессованию |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/70299 |
| work_keys_str_mv | AT islamgalievrk strukturnyeosobennostiimehaničeskiesvoistvamagnievyhsplavovpodvergnutyhravnokanalʹnomuuglovomupressovaniû AT kulâsovaob strukturnyeosobennostiimehaničeskiesvoistvamagnievyhsplavovpodvergnutyhravnokanalʹnomuuglovomupressovaniû AT kurmanaevalr strukturnyeosobennostiimehaničeskiesvoistvamagnievyhsplavovpodvergnutyhravnokanalʹnomuuglovomupressovaniû AT islamgalievrk strukturníosoblivostíímehaníčnívlastivostímagníêvihsplavívpíddanihrívnokanalʹnomukutovomupresuvannû AT kulâsovaob strukturníosoblivostíímehaníčnívlastivostímagníêvihsplavívpíddanihrívnokanalʹnomukutovomupresuvannû AT kurmanaevalr strukturníosoblivostíímehaníčnívlastivostímagníêvihsplavívpíddanihrívnokanalʹnomukutovomupresuvannû AT islamgalievrk featuresofstructureandmechanicalpropertiesofmagnesiumalloyssubjectedtotheequalchannelangularpressing AT kulâsovaob featuresofstructureandmechanicalpropertiesofmagnesiumalloyssubjectedtotheequalchannelangularpressing AT kurmanaevalr featuresofstructureandmechanicalpropertiesofmagnesiumalloyssubjectedtotheequalchannelangularpressing |