Введение

Деформируемые магниевые сплавы могут успешно использоваться в элементах конструкций летательных аппаратов (самолетов, ракет, снарядов и др.), что обеспечивает снижение массы изделий и повышает тем самым их летные характеристики (дальность и скорость полета, увеличение массы полезной нагрузки и т. д.).

При разработке и эксплуатации ответственных по назначению изделий весьма важным является обеспечение надежности и высокой работоспособности. Повышение качества конструкций в немалой степени зависит от правильного выбора материала (сплава) и полуфабриката, предназначенного для изготовления деталей и узлов конструкции [1–4]. Так, особого внимания заслуживает группа среднепрочных экономнолегированных сплавов. Известно, что введение РЗМ (редкоземельных металлов) способствует заметному повышению ответственных служебных характеристик магниевых сплавов (прочностных, жаропрочных, коррозионных и т. д.) [5–10]. Во многом положительное воздействие РЗМ при легировании даже в малых количествах связано с появлением интерметаллидных фаз и их особой морфологией [5, 10–13].

За рубежом большое внимание уделяется развитию недорогих серийных магниевых сплавов известных систем (Mg–Al–Zn, Mg–Al–Zn–Mn, Mg–Zn–Mn), в состав которых вводят небольшие, но весьма эффективные добавки РЗМ – в частности Y, Gd, Nd и Ce. Это очень незначительно удорожает сплавы, но дает возможность заметно улучшить их технологические и механические свойства, что существенно повышает их конкурентоспособность. В странах с развитой экономикой магниевые сплавы с небольшими добавками РЗМ рассматриваются как перспективный конструкционный материал для современных отраслей техники (для изделий авиационной и автомобильной промышленности, ракетной техники).

Представители отрасли автомобилестроения в США, странах Евросоюза и Юго-Восточной Азии (Япония, Южная Корея, Китай и др.) постепенно наращивают объем применения магниевых сплавов в конструкциях своих изделий [9, 11, 13, 14].

Так, Совет США по стратегии исследований для автомобильной промышленности (United States Council for Automotive Research – USCAR) поставил к 2020 г. задачу: увеличить долю магниевых сплавов в конструкции легкового автомобиля до ~158 кг. Это позволит заменить 283,5 кг деталей из стали и алюминиевых сплавов на магниевые сплавы и уменьшит массу автомобиля на 126 кг [10, 11].

Сплав МА20-СП относится к современным отечественным экономнолегированным магниевым сплавам средней прочности системы Mg–Zn–Zr–Ce, в малом количестве содержит церий – недорогой РЗМ. Серийный сплав МА2-1 – аналог зарубежного сплава марки AZ31 (система Mg–Al–Zn–Mn) – известен давно и имеет свою сферу применения.

Цель данной работы заключается в сравнительном исследовании влияния фазового состава сплава МА20-СП, разработанного на основе серийного сплава МА20, и известного сплава МА2-1 на их механические и технологические свойства.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 8.4. «Высокопрочные коррозионностойкие свариваемые магниевые и литейные алюминиевые сплавы для изделий авиакосмической техники нового поколения» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [1].

Материалы и методы

Листы из сплава МА20-СП системы Mg–Zn–Zr–Ce изготовлены в опытно-промышленных условиях ФГУП» ВИАМ»: плоские слитки сечением 45×250 мм отлиты в металлическую изложницу, затем после механической обработки и гомогенизирующего отжига заготовки прокатаны на стане Дуо-400 на листы толщиной 2 мм.

Листы толщиной 2 мм из сплава МА2-1 изготовлены в промышленных условиях.

Сплав содержит следующие компоненты, % (по массе): Mg+4,3Al+1,07Zn+0,58Mn, основные примеси – 0,025Fe+0,004Ni+0,08Si. Состав сплава МА2-1 соответствует ГОСТ 14957–76.

Исследования микроструктуры сплавов проведены на оптическом инвертированном микроскопе DM IRM фирмы Leica. Изображения получали при помощи видеокамеры VEC 335, подсоединенной к компьютеру (разрешение – 3 мегапикселя). Для анализа и обработки видеоизображений использована отечественная программа Image Expert Pro 3x, разработанная фирмой «НЭКСИС».

Изучение фазового состава выполнено методом физико-химического фазового анализа [15]. В основе метода лежит принцип химического изолирования фаз с последующим рентгеноструктурным анализом изолята по методу порошков на дифрактометре D/МАХ-2500 фирмы Rigaku. Съемка изолята и монолитных образцов проведена в Cu K_α монохроматическом излучении. Интерпретация полученных результатов осуществлена при помощи программы Gade.

Механические свойства сплавов при одноосном растяжении определены в соответствии с ГОСТ 1497–84, модуль упругости при растяжении – по ГОСТ 9551–84; свойства при растяжении при повышенных температурах – по ГОСТ 9651–84; предел ползучести при повышенных температурах – по ГОСТ 11150–84; предел текучести при сжатии – по ГОСТ 25503–80, значения малоцикловой усталости получены при испытании по ГОСТ 25.502–79.

Результаты и обсуждение

Результаты фазового анализа сплава МА20-СП свидетельствуют о том, что качественно его фазовый состав весьма близок к фазовому составу сплава МА20. В сплаве МА20-СП обнаружены первичные фазы: Mg₂Zn₃ и цирконид Zn₂Zr₃, присутствующие как в литом состоянии, так и в состояниях после термической обработки и деформации.

Следует отметить, что цирконид цинка Zn₂Zr₃ образуется в незначительном количестве (следы) в виде дисперсных частиц. Размеры этих частиц, как правило, не превышают 0,2–0,7 мкм, что подтверждается результатами микроструктурного исследования (рис.1, а). Эти соединения выделяются в объеме всего зерна, реже – по границам зерен.

В составе сплава установлено также присутствие незначительного количества гидридов церия и циркония – CeH₂ и ε-ZrH₂ (следы). При этом количество циркония, связанного в гидридах, как правило, не превышает 5–10% от общей массы введенного циркония и составляет не более нескольких десятых долей объемного процента.

За исключением указанного гидрида CeH₂,церий практически не образует в сплаве МА20 самостоятельных фаз. Этот металл, входящий в цериевую подгруппу РЗМ, по отношению к магнию ведет себя как поверхностно-активный элемент – так же, как и цирконий, он препятствует росту зерен при повышенных температурах в процессе деформации, блокируя их границы. Это создает предпосылки для повышения температуры рекристаллизации сплава и роста уровня прочностных свойств при повышенных температурах.

Цинк, как легирующий компонент в сплаве МА2-1, не образует самостоятельных фаз с легирующим компонентом – марганцем. В сплаве МА2-1 образуется известная γ-фаза (Mg₁₇Al₁₂). При рекристаллизации сплава, инициированной горячей деформацией или термической обработкой, а также в процессе распада пересыщенного твердого раствора эта фаза выделяется, входя в состав псевдоэвтектики.

Псевдоэвтектика в основном располагается по границам зерен (рис. 1, б). Первичная фаза Mg₁₇Al₁₂ является упрочняющей, сохраняется в сплаве и после деформации.

Ранее авторами установлено, что γ-фаза Mg₁₇Al₁₂ обладает способностью обогащаться цинком и дополнительно алюминием, образуя интерметаллидную фазу [Mg₁₇(Al; Zn)₁₂].

Рис. 1. Микроструктура (×500) листов толщиной 2 мм из сплавов МА20-СП (а) и МА2-1 (б) в горячекатаном состоянии

Сравнение особенностей микроструктуры сплавов (лист толщиной 2 мм, состояние после отжига) свидетельствует о том, что средний размер зерна (5–8 мкм) у сплава МА20-СП меньше, чем у сплава МА2-1 (12–15 мкм). Зерна достаточно округлые, но для сплава МА2-1 характерна их большая вытянутость в направлении деформации (прокатки). Кроме того, видно, что границы зерен у сплава МА2-1 несколько более утолщенные, а γ-фаза представлена в виде более грубых выделений, чем упрочняющие интерметаллидные фазы в сплаве МА20-СП, формирующиеся в форме высокодисперсных частиц, хаотически вкрапленных в объеме и по границам зерен.

Исследование изменений характеристик пластичности сплавов МА20-СП и МА2-1 в состоянии после гомогенизации проведено в интервале температур 250–450°С

(рис. 2). Видно, что для обоих сплавов максимальные значения основных характеристик пластичности (относительные удлинение и сужение) располагаются в очень близких температурных областях: 340–420°С – для сплава МА2-1, 360–410°С – для сплава МА20-СП. По абсолютным значениям величина относительных удлинения (δ=118%) и сужения (φ=82%) у сплава МА20-СП несколько выше, чем соответственно максимальные значения этих характеристик для сплава МА2-1 (δ=110%; φ=74%).

Рис. 2. Технологическая пластичность магниевых сплавов МА20-СП (1, 3) и МА2-1 (2, 4)
с относительными удлинением δ (1, 2) и сужением ψ (3, 4)

Представляло интерес сравнить такие значимые характеристики технологической пластичности сплавов, как степень вытяжки и минимальный радиус изгиба листа толщиной 2 мм при повышенных температурах испытания (табл. 1 и 2).

Таблица 1

Степень вытяжки сплавов (состояние М) при повышенных температурах

Таблица 2

Минимальный радиус изгиба сплавов (состояние М) при повышенных температурах

* s – толщина листа, мм.

Анализ приведенных в табл. 1 и 2 результатов испытаний свидетельствует о том, что исследованные технологические свойства сплавов достаточно близки по значениям. Некоторое преимущество значений характеристик сплава МА20-СП можно отметить при температуре 350°С, при температурах 250 и 300°С сплав МА2-1 незначительно превосходит сплав МА20-СП.

Более заметные различия наблюдаются при сравнении физико-механических свойств исследуемых сплавов (табл. 3). Для наиболее полного сравнения в табл. 3 приведены также данные по зарубежному аналогу сплава МА20-СП – сплаву марки ZE10 A системы Mg–Zn–РЗЭ [16].

Результаты, представленные в табл. 3, показывают, что из рассмотренных сплавов сплав МА20-СП имеет преимущества не только при комнатной температуре, но и при температуре 150°С.

Таблица 3

Сравнительные физико-механические свойства магниевых экономнолегированных

сплавов (лист толщиной 1,5–2,0 мм)

* Сведения из ASTM B90/B90M-90 и B90/B90M-98 [16].

Так, по значениям предела прочности сплав МА20-СП превосходит сплав МА2-1 на 8 и 20% при температурах 20 и 150°С соответственно. По значениям предела текучести квоты превосходства сплава МА20-СП составляют 37 (при 20°С) и 20% (150°С).

Сплав МА20-СП имеет высокий уровень значений предела текучести при сжатии – на 58% превосходящий значения этой характеристики для сплава МА2-1 (при 20°С).

Как следует из анализа данных, представленных в табл. 3, сплав МА20-СП обладает и более высокими прочностными свойствами по абсолютному значению по сравнению с аналогами. Наряду с этим, у сплава МА20-СП самый высокий уровень значимой для конструкционных материалов характеристики – удельной прочности (15,9 км), и высокие значения относительного удлинения (табл. 3).

Обращает на себя внимание тот факт, что зарубежный аналог сплава МА20-СП – сплав марки ZE10 A даже в состоянии H24, т. е. после нагартовки и частичного отжига, уступает сплаву МА20-СП по значениям предела прочности на 10–11%; по пределу текучести – на 45% [16]. При этом сплав МА20-СП сохраняет больший запас пластичности (δ=13%), чем сплав марки ZE10 A (δ=6%).

По-видимому, эти различия связаны с модифицирующей и фазообразующей ролью циркония в сплаве МА20-СП, поскольку именно наличие десятых долей циркония (% по массе) в составе отличает сплав МА20-СП от сплава марки ZE10 A.

Присутствием легирующего элемента циркония (и частично – церия) в сплаве МА20-СП также можно объяснить проявление большей стабильности при повышенных температурах (табл. 3), смещение максимума на кривой относительного удлинения в область более высоких температур в сравнении со сплавом МА2-1 системы Mg–Al–Zn–Mn (рис. 2).

Формирование высокодисперсных упрочняющих частиц интерметаллидов (в первую очередь цирконида цинка Zn₂Zr₃) и наличие мелкозернистой равноосной структуры в сплаве МА20-СП во многом объясняются модифицирующей и фазообразующей ролью циркония, что сказывается на достижении повышенных значений механических свойств сплава МА20-СП.

Известно, что большое значение для успешного применения сплава имеют его динамические характеристики. В частности, конструктивно значимой является такая характеристика, как малоцикловая усталость.

Малоцикловую усталость (МЦУ) при осевой нагрузке определяли для листов из сплава МА20-СП (толщиной 2 мм) при K_t=2,6 и σ_max=98 МПа. В этом случае долговечность составила N=43202–54830 циклов.

Для сравнения на листах толщиной 2 мм из сплава МА2-1 при σ_max=125 МПа и прочих равных условиях испытания долговечность не превысила величины N=6500 циклов [17].

Таким образом, при нагрузке всего на 30% большей, чем у сплава МА20-СП, величина циклов у сплава МА2-1 меньше в 6,6–8,4 раза по сравнению со сплавом МА20-СП. Это определенным образом свидетельствует о лучших показателях МЦУ для сплава МА20-СП.

Оба анализируемых отечественных сплава рекомендованы для эксплуатации при температурах до 150°С (длительно) и до 200°С – кратковременно. Однако значение предела текучести для сплава МА20-СП (лист толщиной 2 мм) при 150°С в течение 100 ч (состояние после отжига) составляет: =40 МПа. Лист толщиной 2 мм из сплава МА2-1 при аналогичных условиях испытания обладает пределом ползучести в 2 раза меньше – =20 МПа).

По-видимому, это объясняется большей термостабильностью фазового состава и основного α-твердого раствора сплава МА20-СП. Присутствие высокодисперсных упрочняющих частиц интерметаллидов в сплаве МА20-СП и наличие мелкой равноосной структуры объясняют достижение комплекса повышенных механических свойств для сплава МА20-СП.

Заключения

Таким образом, результаты проведенного сравнительного исследования влияния фазового состава магниевого сплава МА20-СП и серийного сплава МА2-1 на их механические и технологические свойства позволяют сделать следующие выводы.

1. Присутствие в сплаве МА20-СП легирующих элементов циркония и РЗМ церия (в количестве – до 0,25–0,30% (по массе)) сдерживает протекание диффузионных процессов при повышенной температуре и оказывает благоприятное влияние на формирование мелкого зерна и морфологию фаз.

2. Отличительной особенностью сплава МА20-СП в деформированном состоянии является наличие равноосной мелкозернистой (5–8 мкм) структуры с высокодисперсными частицами упрочняющих фаз Mg₂Zn₃ и цирконида цинка Zn₂Zr₃.

3. Сплав МА2-1 характеризуется более грубой и крупнозернистой структурой (12–15 мкм); основной упрочняющей фазой является γ-фаза Mg₁₇Al₁₂, а также ее модификация, обогащенная цинком и алюминием, – [Mg₁₇(Al; Zn)₁₂].

4. Благодаря особенностям морфологии упрочняющих фаз, сформированной мелкозернистой структуре, модифицирующему и фазообразующему эффекту циркония, сплав МА20-СП обладает более высоким уровнем технологических свойств в интервале температур ~(340–420)°С и механических характеристик (до 150°С включительно) по сравнению со сплавом МА2-1.