Особенности формирования структуры сплава АЛ25 при горячей деформации

Статья посвящена вопросу повышения механических свойств сплавов системы Al–Si, в частности сложнолегированного силумина АЛ25, методами горячей деформации. Целью исследования являлась оценка влияния температуры и скорости горячей деформации сплава АЛ25 на размер зерен матрицы твердого раствора на основе алюминия, частиц кремния и интерметаллидов, а также на величину дефектов в виде микротрещин и микропор. Заготовки из сплава АЛ25 (состав, %: 12,0 Si, 3,0 Cu, 1,0 Mg, 1,2 Ni, 0,7 Mn, 0,7 Fe, остальное Al) получали литьем в кокиль. Микроструктурный анализ проводили на металлографическом микроскопе «Neophot-2» и растровом микроскопе «Tescan Mira 3 LHM». Деформирование заготовок осуществляли осадкой на плоских бойках в изотермическом штампе на гидравлическом прессе и растяжением при температурах t = 350÷500 °С в интервале скоростей деформации ε· = 10^–4÷10¹ с^–1 на универсальной электромеханической испытательной машине «Instron». Для оценки влияния деформации на структуру и свойства сплавов исходные заготовки деформировали при t = 400÷500 °С и ε· = 10^–4 и 10^–2 с^–1. Термообработку проводили по режиму: закалка с температуры 515 °С, старение при t = 210 °С в течение 10 ч. Показано, что после всех режимов деформирования, последующей закалки и старения структура твердого раствора сплавов была мелкозернистая со средним размером зерен 7–15 мкм, рекристаллизованная. Рекристаллизация протекала при нагреве под закалку, если деформацию проводили при t = 350÷480 °С, а также до нагрева, как это наблюдалось в результате деформации при t = 500 °С. Зеренная структура твердого раствора была неоднородна по объему, что связано с неравномерностью распределения частиц кремния и интерметаллидов. Наименьший размер зерен наблюдался в эвтектических колониях, где сплав имел структуру типа «микродуплекс». Установлено, что в сплавах АЛ25 горячее деформирование осадкой приводило к дроблению частиц кремния и интерметаллидов. Процесс дробления сопровождался появлением в частицах трещин, которые росли в ширину, разделяя вновь образованные частицы. Трещины в эвтектических кристаллах кремния и интерметаллидах возникали при всех температурах деформации. В первичных кристаллах трещины имели место только при больших скоростях деформации – 10¹ с^–1. Дробление частиц кремния и интерметаллидов определялось, в основном, степенью деформации. Образование дефектов в виде микротрещин и микропор зависело также от температуры и степени деформации. С увеличением последней возрастали суммарная площадь, занимаемая дефектами, их средняя площадь и общее количество. Установлена корреляция между структурой сплавов и их механическими свойствами. Определены оптимальные температурно-скоростные режимы деформации, обеспечивающие залечивание микротрещин и получение более высоких свойств длительной прочности.

1. Трусов П.В., Останина Т.В., Швейкин А.И. Эволюция зеренной структуры металлов и сплавов при интенсивном пластическом деформировании: многоуровневые модели. Вестник ПНИПУ. Механика. 2022;(2):114—146. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2022.2.11

2. Zhao X., Meng J., Zhang C., Wei W., Wu F., Zhang G. A novel method for improving the microstructure and the properties of Al—Si—Cu alloys prepared using rapid solidification/powder metallurgy. Materials Today Communications. 2023;35:105802. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105802

3. Классман Е.Ю., Лутфуллин Р.Я. Влияние температуры нагрева заготовки перед теплой прокаткой на структуру и свойства титанового сплава ВТ22. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2024;21(2):205—211. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2024.02.008

4. Лутфуллин Р.Я. Формирование структуры и свойств титанового сплава в изделиях, изготовленных с применением сверхпластической деформации. Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2024;21(1):75—81. https://doi.org/10.25712/ASTU.1811-1416.2024.01.009

5. Ganeev A.A., Valitov V.A., Mukhtarov Sh.Kh., Imayev V.M. Effect of pre-deformation and subsolvus heat treatment on microstructure and mechanical properties of a PM nickel superalloy. Materialia. 2025;42:102445. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2025.102445

6. Mukhtarov S., Karyagin D., Ganeev A., Zainullin R., Shakhov R., Imayev V. The effect of forging and heat treatment variables on microstructure and mechanical properties of a re-bearing powder-metallurgy nickel base superalloy. Metals. 2023;13(6):1110. https://doi.org/10.3390/met13061110

7. Zainullin R.I., Mukhtarov Sh.Kh., Ganeev A.A., Shakhov R.V., Imayev V.M. Effect of hot forging on formation of a fine-grained structure and mechanical properties of a powder metallurgy nickel base superalloy. Letters on Materials. 2023;13(4s):414—419. https://doi.org/10.22226/2410-3535-2023-4-414-419

8. Хина Б.Б., Покровский А.И., Zhang Shi-Hong, Xu Yong, Chen Da-Yong, Марышева А.А. Влияние скорости деформации на микроструктуру и механические свойства алюминиевого сплава AA2B06-O системы Al—Cu—Mg. Известия вузов. Цветная металлургия. 2021;27(4):59—69. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2021-4-59-69

9. Тимошкин И.Ю., Никитин К.В., Никитин В.И., Деев В.Б. Влияние обработки расплавов электромагнитными акустическими полями на структуру и свойства сплавов системы Al—Si. Известия вузов. Цветная металлургия. 2016;(3):28—33. https://doi.org/10.17073/0021-3438-2016-3-28-33

10. Padalko A.G., Pyrov M.S., Karelin R.D., Yusupov V.S., Talanova G.V. Barothermal treatment, cold plastic deformation, microstructure and properties of binary silumin Al—8 at % Si. Russian Metallurgy (Metally). 2021;2021(9):1155—1164. https://doi.org/10.1134/S0036029521090123

11. Прудников А.Н., Попова М.В., Прудников В.А. Воздействие деформации на структуру и свойства силуминов. Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2017;3(21):11—17.

12. Murashkin M.Yu., Zainullina L.I., Motkov M.M., Medvedev A.E., Timofeev V.N., Enikeev N.А. Microstructure, mechanical properties and heat resistance of AL30 piston alloy produced via electromagnetic casting. Materials Physics and Mechanics. 2024;52(1):81—94. http://dx.doi.org/10.18149/MPM.5212024_8

13. Золоторевский В.С., Белов Н.А. Металловедение литейных алюминиевых сплавов. М.: МИСИС, 2005. 376 с.

14. Белов Н.А., Савченко С.В., Белов В.Д. Атлас микроструктур промышленных силуминов. М.: Изд. дом МИСиС, 2009. 204 с.

15. Chen C.L., Tan M.J. Effect of grain boundary character distribution (GBCD) on the cavitation behavior during superplastic deformation of Al 7475. Materials Science and Engineering, A. 2002;338(1—2):243—252. https://doi.org/10.1016/S0921-5093(02)00083-7

16. Kral P., Dvorak J., Kvapilova M., Horita Z., Sklenicka V. Microstructure changes in superplastically deformed ultrafinegrained Al—3Mg—0.2Sc alloy. Letters on Materials. 2015;5(3):306—312. https:/doi.org/10.22226/2410-3535-2015-3-306-312

17. Яковцева О.А., Михайловская А.В., Иржак А.В., Котов А.Д., Медведева С.В. Сравнение вкладов действующих механизмов сверхпластической деформации двойной и многокомпонентных латуней. Физика металлов и металловедение. 2020;121(6):643—650. https://doi.org/10.31857/S0015323020060182

18. Яковцева О.А., Kaбойи П.K., Иржак А.В., Михайловская А.В. Влияние малой добавки алюминия на особенности и механизмы сверхпластической деформации сплава Сu—Zn с микродуплексной структурой. Физическая мезомеханика. 2023;26(3):62—71. https://doi.org/10.55652/1683-805Х-2023-21-3-62

19. Yakovtseva O.A., Mikhailovskaya A.V., Kotov A.D., Mamzurina O.I., Portnoy V.K. Effect of the strain and strain rate on microstructure evolution and superplastic deformation mechanisms. Physics of Metals and Metallography. 2019; 120(1):87—94. https://doi.org/10.1134/S0031918X18110224

20. Li H., Liu X., Sun Q., Ye L., Zhang X. Superplastic deformation mechanisms in fine-grained 2050 Al—Cu— Li alloys. Materials (Basel). 2020;13(12):2705. https://doi.org/10.3390/ma13122705

21. Chokshi A.H. Grain boundary processes in strengthening, weakening, and superplasticity. Advanced Engineering Materials. 2020;22(1):1—9. https://doi.org/10.1002/adem.201900748

22. Корзникова Г.Ф., Халикова Г.Р., Миронов С.Ю., Алетдинов А.Ф., Корзникова Е.А., Конькова Т.Н., Мышляев М.М. Сверхпластическое поведение алюминиевого сплава 1420 с мелкозернистой структурой. Физическая мезомеханика. 2022;25(2):47—55. https://doi.org/10.55652/1683-805X_2022_25_2_47