Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si
Исследовано влияние химического состава и термической обработки на микроструктуру и механические свойства Al-Mg-Si-Mn сплавов, отлитых в кокиль. Структура сплавов в литом и термообработанном состоянии изучены на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. Химический состав фаз определяли п...
Збережено в:
| Дата: | 2015 |
|---|---|
| Автори: | , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Russian |
| Опубліковано: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2015
|
| Назва видання: | Процессы литья |
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160427 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si / О.В. Бердова-Башура, Е.Л. Прач, А.И. Трудоношин, К.В. Михаленков // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 59-69. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-160427 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1604272019-11-06T01:25:41Z Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si Бердова-Башура, О.В. Прач, Е.Л. Трудоношин, А.И. Михаленков, К.В. Кристаллизация и структурообразование сплавов Исследовано влияние химического состава и термической обработки на микроструктуру и механические свойства Al-Mg-Si-Mn сплавов, отлитых в кокиль. Структура сплавов в литом и термообработанном состоянии изучены на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. Химический состав фаз определяли при помощи ЛРСА анализа. Для всех состояний измеряли твердость, микротвердость и предел прочности. Установлено, что механические свойства сплавов меняются с изменением количества эвтектики и избыточных элементов (магния и кремния), а также процессы, протекающие во время старения сплавов, приводят к улучшению механических свойств. Досліджено вплив хімічного складу і термічної обробки на мікроструктуру і механічні властивості Al-Mg-Si-Mn сплавів, відлитих у кокіль. Структура сплавів в литому і термообробленому стані вивчали на скануючому і трансмісійному електронних мікроскопах. Хімічний склад фаз визначали за допомогою ЛРСА аналізу. Для всіх станів вимірювали твердість, мікротвердість і границю міцності. Встановлено, що механічні властивості сплавів змінюються зі зміною кількості евтектики та надлишкових елементів (магнія і кремнія), а також процеси, які відбуваються під час старіння сплавів, призводять до покращення механічних властивостей. Effects of chemical composition and heat treatment on microstructures and mechanical properties of cast Al-Mg-Si-Mn alloys were investigated. The as-cast and heat treated alloys were investigated by microhardness, macrohardness and tensile stress measurements, scanning and transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis. It was observed that mechanical properties changes with the eutectic and excess elements vary. Heat treatment leads to the increase of all mechanical properties of alloys, which are the result of several processes. 2015 Article Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si / О.В. Бердова-Башура, Е.Л. Прач, А.И. Трудоношин, К.В. Михаленков // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 59-69. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. 0235-5884 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160427 669.715’721’782 ru Процессы литья Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| topic |
Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| spellingShingle |
Кристаллизация и структурообразование сплавов Кристаллизация и структурообразование сплавов Бердова-Башура, О.В. Прач, Е.Л. Трудоношин, А.И. Михаленков, К.В. Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si Процессы литья |
| description |
Исследовано влияние химического состава и термической обработки на микроструктуру и механические свойства Al-Mg-Si-Mn сплавов, отлитых в кокиль. Структура сплавов в литом и термообработанном состоянии изучены на сканирующем и просвечивающем электронных микроскопах. Химический состав фаз определяли при помощи ЛРСА анализа. Для всех состояний измеряли твердость, микротвердость и предел прочности. Установлено, что механические свойства сплавов меняются с изменением количества эвтектики и избыточных элементов (магния и кремния), а также процессы, протекающие во время старения сплавов, приводят к улучшению механических свойств. |
| format |
Article |
| author |
Бердова-Башура, О.В. Прач, Е.Л. Трудоношин, А.И. Михаленков, К.В. |
| author_facet |
Бердова-Башура, О.В. Прач, Е.Л. Трудоношин, А.И. Михаленков, К.В. |
| author_sort |
Бердова-Башура, О.В. |
| title |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si |
| title_short |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si |
| title_full |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si |
| title_fullStr |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si |
| title_full_unstemmed |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si |
| title_sort |
влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы al-mg-si |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2015 |
| topic_facet |
Кристаллизация и структурообразование сплавов |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160427 |
| citation_txt |
Влияние химического состава на структуру и механические свойства сплавов системы Al-Mg-Si / О.В. Бердова-Башура, Е.Л. Прач, А.И. Трудоношин, К.В. Михаленков // Процессы литья. — 2015. — № 1. — С. 59-69. — Бібліогр.: 27 назв. — рос. |
| series |
Процессы литья |
| work_keys_str_mv |
AT berdovabašuraov vliâniehimičeskogosostavanastrukturuimehaničeskiesvojstvasplavovsistemyalmgsi AT pračel vliâniehimičeskogosostavanastrukturuimehaničeskiesvojstvasplavovsistemyalmgsi AT trudonošinai vliâniehimičeskogosostavanastrukturuimehaničeskiesvojstvasplavovsistemyalmgsi AT mihalenkovkv vliâniehimičeskogosostavanastrukturuimehaničeskiesvojstvasplavovsistemyalmgsi |
| first_indexed |
2025-07-14T13:04:18Z |
| last_indexed |
2025-07-14T13:04:18Z |
| _version_ |
1837627614697619456 |
| fulltext |
59 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. №1 (109)
Кристаллизация и струКтурообразование сплавов
уДК 669.715’721’782
о. в. бердова-башура, е. л. прач*, а. и. трудоношин,
К. в. Михаленков
Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев
*Технический университет Дармштадта, Дармштадт
влияние хиМичесКого состава на струКтуру и
МеханичесКие свойства сплавов
систеМы Al-Mg-Si
Исследовано влияние химического состава и термической обработки на микроструктуру и
механические свойства Al-Mg-Si-Mn сплавов, отлитых в кокиль. Структура сплавов в литом
и термообработанном состоянии изучены на сканирующем и просвечивающем электрон-
ных микроскопах. Химический состав фаз определяли при помощи ЛРСА анализа. Для всех
состояний измеряли твердость, микротвердость и предел прочности. Установлено, что ме-
ханические свойства сплавов меняются с изменением количества эвтектики и избыточных
элементов (магния и кремния), а также процессы, протекающие во время старения сплавов,
приводят к улучшению механических свойств.
Ключевые слова: Al-Mg-Si-Mn сплавы, избыточный магний, избыточный кремний, микро-
структура, механические свойства.
Досліджено вплив хімічного складу і термічної обробки на мікроструктуру і механічні власти-
вості Al-Mg-Si-Mn сплавів, відлитих у кокіль. Структура сплавів в литому і термообробленому
стані вивчали на скануючому і трансмісійному електронних мікроскопах. Хімічний склад фаз
визначали за допомогою ЛРСА аналізу. Для всіх станів вимірювали твердість, мікротвердість
і границю міцності. Встановлено, що механічні властивості сплавів змінюються зі зміною
кількості евтектики та надлишкових елементів (магнія і кремнія), а також процеси, які від-
буваються під час старіння сплавів, призводять до покращення механічних властивостей.
Ключові слова: Al-Mg-Si-Mn сплави, надлишковий магій, надлишковий кремній, мікрострук-
тура, механічні властивості.
Effects of chemical composition and heat treatment on microstructures and mechanical properties
of cast Al-Mg-Si-Mn alloys were investigated. The as-cast and heat treated alloys were investigated
by microhardness, macrohardness and tensile stress measurements, scanning and transmission
electron microscopy and energy dispersive X-ray analysis. It was observed that mechanical
properties changes with the eutectic and excess elements vary. Heat treatment leads to the increase
of all mechanical properties of alloys, which are the result of several processes.
Keywords: Al-Mg-Si-Mn alloys, extra Mg, extra Si, microstructure, mechanical properties.
Вступление
Несмотря на развитие современных материалов (металлические стекла, ква-
зикристаллы, керамика и пенометаллы), традиционные алюминиевые сплавы
остаются одними из основных конструкционных материалов и продолжают при-
влекать внимание исследователей.
60 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Основной движущей силой развития алюминиевых сплавов является растущая
необходимость в облегчении веса конструкций, повышении экономичности и эко-
логичности производства деталей в автомобильной промышленности. Именно
это определяет прогресс в развитии новых технологий литья и разработке новых
сплавов, адаптированных к таким процессам, как литье под низким и высоким
давлением, тиксо- и рео-литье. При этом основным направлением в поиске новых
составов сплавов является их универсальность и возможность получения высоких
механических свойств в условиях использования различных технологий литья.
Высокие литейные свойства, коррозионная стойкость, высокие механические
характеристики литейных сплавов системы Al-Si с добавками магния, меди и мар-
ганца позволяют использовать их при получении различных деталей автомобилей
[1]. Уникальность литейных силуминов состоит в том, что отливки из них могут быть
получены практически всеми известными литейными технологиями. Однако они
достигают своих наивысших механических свойств только после термической об-
работки, что повышает цену их производства.
Одним из наиболее существенных достижений в области разработки новых алю-
миниевых сплавов является создание серии литейных сплавов, содержащих в себе
принципиально новое сочетание элементов. Вместо классической композиции Al-7
% Si-0,3 % Mg (АК7) в новых сплавах фазовые равновесия смещены в область, обо-
гащенную магнием – система Al-Mg-Si. Следует отметить, что среди всех выпуска-
емых полуфабрикатов из деформируемых сплавов, наиболее распространенными
(сплавы серии 6XXX) [2, 3] являются на основе системы Al-Mg-Si.
Избыточный магний в системе Al-Mg
2
Si сдвигает точку эвтектики в сторону бога-
тую алюминии. Авторы [4-6] считают, что избыток магния в Al-Mg
2
Si сплавов может
способствовать образованию первичных кристаллов Mg
2
Si и показывают, что уве-
личение магния уменьшает объемную долю α-Al матрицы и увеличивает объемную
долю Аl-Mg
2
Si эвтектики. Аналогичное поведение сплавов с избыточным магнием
наблюдалось авторами работ [7-9].
Избыточный кремний в композитах на основе алюминия влияет на диффузию
магния и кремния в алюминии. Увеличение содержания избыточного кремния в
композитах Аl-Mg
2
Si-Si приводит к увеличению интервала кристаллизации [10].
Известно, что избыточный кремний имеет положительный эффект на механические
свойства сплавов, подвергнутых искусственному старению [11-13].
Цель исследования − установить закономерности изменения структуры сплавов
Al-Mg-Si в зависимости от химического состава и после термической обработки.
Методика проведения эксперимента
Химический состав сплавов приведен в таблице 1.
Опытные плавки проводили в печи сопротивления в графитовом тигле емкостью
250 г. В качестве исходных материалов использовали алюминий высокой чистоты
(99,997), лигатуры AlSi25, AlMn26, AlMg50.
В перегретый до 720 0C алюминий добавляли поочередно предварительно подо-
гретую до 350 0С кремниевую, марганцевую лигатуры. Магниевую лигатуру вводили
последней, погружая навеску под зеркало расплава графитовым колокольчиком.
После ввода лигатуры расплав продували аргоном в течении 10 мин. После продув-
ки металл заливали в стальную прямоугольную форму с комнатной температурой.
Были получены слитки с размером 160х25х17 мм и массой около 0,25 кг. Из центра
слитков вырезали кубические образцы размером 10х10х10 мм для последующих
механических испытаний и исследований структуры.
Серия образцов была обработана по режиму Т6 [4], который включает гомогени-
зацию при температуре 570 0C в течение 60 мин, закалку в воду при комнатной тем-
пературе и искусственное старение при температуре 175 0C (табл. 2). Температура
нагрева под закалку была выбрана на основании результатов калориметрических
исследований [14]. Старение проводилось сразу после закалки.
Исследования структуры проводились с использованием сканирующего элек-
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 61
Кристаллизация и структурообразование сплавов
тронного микроскопа «JEOL JSM 7600F» и просвечивающего электронного микро-
скопа (ПЭМ) PHILIPS CM-30 при ускоряющем напряжении 250 кВ. Определение хи-
мического состава фаз и распределения элементов проводили методом локального
рентгеноспектрального анализа (ЛРСА).
Измерение твердости проводили на тестовой машине Бринелля с шариком
диаметром 2,5 мм и нагрузкой 62,5 кг в течение 10 с. Испытания микротвер-
дости − на полированных нетравленых шлифах на микротвердомере Duramin-2
(Struers, Дания). Измерения микротвердости по Виккерсу HV проводили для
зерен α-Al с использованием нагрузки 0,05 кгс в течение 10 с.
Измерение прочности на разрыв проводилось на разрывной машине
INSTRON 5582 с использованием плоских образцов, приготовленных по стандарту
EN ISO 6892-1.
таблица 1. химический состав исследуемых сплавов,%мас.
Сплав Mg Si Mn Fe Ti Cu Zn Комментарии
LP 6,0 0,4 0,6 0,3 0,1 0,1 0,1 Al-1Mg2Si-5Mg
LP1 7,0 1,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-3Mg2Si-5Mg
LP2 7,0 2,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-6Mg2Si-3Mg
M 5,0 2,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-6Mg2Si-1Mg
LP3 7,0 3,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-9Mg2Si-1Mg
LP4 7,0 4,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-10,5Mg2Si-0,5Si
LP5 7,0 5,0 0,6 0,02 0,1 0,05 0,05 Al-10,5Mg2Si-1,5Si
AК7 0,3 6,9 0,02 0,2 - 0,05 0,05 Al-7Si
талица. 2 химический состав зерна α-Al сплавов серии
LP (лрса)
Сплав
Отно-
шение
Mg/Si
Химический состав, %мас.
O Mg Al Si Mn Fe
LP (Л*)
LP (ТО**)
15,0 0,93 5,35 93,10 - 0,59 0,03
0,85 5,63 92,93 - 0,56 0,03
LP1 (Л)
LP1 (ТО)
7,0 0,94 4,33 94,81 0,21 0,55 0,06
0,95 5,83 92,56 0,11 0,54 -
LP2 (Л)
LP2 (ТО)
3,5 1,13 3,02 94,97 0,34 0,55 -
1,06 3,70 94.52 0,12 0,58 0,02
M (Л)
M (ТО)
2,5 0,67 1,90 96,57 0,34 0,50 0,02
0,58 1,87 96,70 0,32 0,51 0,02
LP3 (Л)
LP4 (ТО)
2,2 0,91 2,41 95,74 0,40 0,52 0,04
1,13 2,40 95,57 0,34 0,51 0,04
LP4 (Л) 1,8 1,06 2,01 95,90 0,52 0,51 -
0,81 0,90 97,11 0,68 0,51 -
LP5 (Л)
LP5 (ТО)
1,4 1,05 1,76 95,96 0,65 0,51 0,06
1,31 0,75 95,97 1,41 0,55 0,01
* - литое состояние, ** - сплав после термообработки
62 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Результаты
На рис. 1 представлена литая структура исследуемых сплавов. Микроструктура
всех образцов (за исключением LP) состоит из первичных зерен α-Al, окруженных
эвтектическими колониями (Al)+(Mg
2
Si). Эвтектика имеет пластинчатую морфоло-
гию, первичные кристаллы Mg
2
Si, форму правильного октаэдра и расположены в
центрах эвтектических колоний. Количество Mg
2
Si в сплаве LP для формирования
эвтектики недостаточно.
Распределение элементов. Зерно α-Al
Твердый раствор α-Al во всех сплавах серии LP содержит магний, кремний и
марганец (табл. 2). Как известно, растворимость магния в алюминии составляет
1,4 %, и кремния − 0,4 %, при комнатной температуре.
В данной серии сплавов содержание магния и кремния в твердом растворе ме-
няется с вариацией соотношения Mg/Si в сплавах (табл. 2). При избытке магния со-
отношение составляет более 2, а кремния − менее 2. Для всех сплавов содержание
марганца в твердом растворе α-Al 0.56±0.03 %мас. Присутствие незначительного
пика кислорода в ЛРСА-спектре объясняется тенденцией алюминия и магния к
окислению при приготовлении образцов.
В процессе гомогенизации происходит распределение всех элементов по зер-
ну и повышается содержание избыточного элемента (магния или кремния) в α-Al
матрице. Исключением являются сплавы M и LP3, в которых концентрация магния
и кремния в твердом растворе меняется незначительно, что может быть связано с
соотношением Mg/Si, которое в этих сплавах близко к стехиометрическому.
Мn и Si-содержащие фазы
Из-за плохой растворимости, железо и кремний образуют с алюминием в Al-Mg-
Si сплавах игольчатые интерметаллические включения (рис. 2, а), которые снижают
прочность и пластичность сплавов. Для нейтрализации негативного эффекта [12-
13] Fe-содержащей фазы, сплавы дополнительно были легированы 0,6 %мас. Mn.
Авторами [12] сообщалось, что в сплаве с номинальным составом Al-7Mg-5Si %мас.
образуется две эвтектики (Al-Mg
2
Si и Al-Si). Тем не менее, эвтектики Al-Si, не
было обнаружено в сплаве LP5 с номинальным составом Al-7Mg-5Si-Mn (рис. 2, е
а LP б LP1 в LP2
г LP3 д LP4 е LP5
Рис.1. Микроструктуры исследуемых сплавов в литом состоянии. 1 − матрица α-Al;
2 − первичная фаза Mg
2
Si; 3 − эвтектика Al-Mg
2
Si; 4 − марганецсодержащие фазы
Al
6
(Mn,Fe), α -Al
15
(Mn,Fe)
3
Si
2
, β-Al
5
(Mn,Fe)Si; 5 − марганцево-кремниевая δ-Al
4
Si
2
(Mn,Fe)
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 63
Кристаллизация и структурообразование сплавов
и 3, г). Избыток кремния с марганцем и железом образуют несколько типов Mn-
содержащих фаз в представленных сплавах (рис. 1, 2, а-в).
Как показали проведенные исследования, добавление 0,6 %мас. Mn в сплав с
номинальным составом Al-7Mg-3Si улучшает его механические свойства в среднем
на 30 % (рис. 2, г).
Морфология Mn-содержащих фаз, наблюдаемых во всех сплавах, показана на
рис. 1, 2. Их химический состав и стехиометрия представлены в табл. 3. Эти фазы
могут быть идентифицированы как Al
8
(Mn, Fe), α-Al
15
(Mn, Fe)
3
Si
2
, β-Al
5
(Mn, Fe)Si,
δ- Al
4
(Mn, Fe)Si
2
. Как можно видеть из рис. 2 и табл. 3, термообработка способствует
переходу метастабильных фаз в стабильное состояние [15-16].
Эвтектика
ЛРСА-спектр ламелей, исключая алюминий из количественного состава, дал
результат очень близкий к стехиометрии Mg
2
Si. ЛРСА -спектры межламельного
Рис. 2. Влияние марганца на структуру и свойства сплавов Al-Mg-
Si: а − морфология игольчатой фазы α-Al
12
Fe
2
Si в сплаве AlMg7Si
3
;
б − морфология стабильной марганцевой фазы α-Al
12
(Mn, Fe)
2
Si);
в − морфология нестабильной игольчатой фазы (δ-Al4(Mn, Fe)Si
2
);
г − влияние легирования марганцем на предел прочности и предел
текучести сплава AlMg7Si
3
а
в
б
г
64 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
растояния показали повышенны
содержания магния и кремния по
отношению к матрице α-Al.
С увеличением доли Mg
2
Si в
Al-Mg
2
Si сплавах объем эвтек-
тической фракции Аl-Mg
2
Si воз-
растает [17].
С увеличением количества
магния в системе Al-Mg
2
Si точка
эвтектики смещается в сторону
с более низкой концентрацией
Mg
2
Si, объем α-Al уменьшается,
а объем эвтектики Al-Mg
2
Si уве-
личивается (рис. 3, а, б).
Увеличение количества крем-
ния в сплавах Al-Mg
2
Si также
смещает точку эвтектики в сто-
рону богатой алюминием. Объем
первичного α-Al уменьшается. В
сплаве LP5 с 1,5 %мас. избыточ-
ного кремния, твердый раствор
α-Al практически исчезает, а объ-
емная доля Al-Mg
2
Si эвтектики
достигает максимума, при отсут-
ствии эвтектики Al-Si (рис. 3, в, г).
Механические свойства
Результаты исследований
твердости и испытаний на рас-
тяжение приведены на рис. 4. В
результате гомогенизации НВ и
HV
0,05
значительно уменьшаются
а
в г
б
Рис. 3. Объемная доля Al-Mg
2
Si эвтектики: a −сплав M;
б − сплав LP2; в − сплав LP4; г − сплав LP5
таблица 3. состав Mn-содержащих фаз в сплавах (лрса)
Стехиометрия
фазы
Сплав
Химический состав, %мас.
O Mg Al Si Mn Fe Cu
Al6(Mn,Fe)
Al8(Mn,Fe)
LP 1,40 0,76 73,24 0,13 16,05 8,27 0,15
LP1 1,60 1,80 70,78 1,09 16,20 8,51 0,02
LP2 (Л) 2,07 2,20 70,38 1,03 16,40 7,86 0,06
α-Al15(Mn,Fe)3Si2,
α-Al12(Mn,Fe)3Si
(стабильная фаза,
рис. 2, в)
LP2 (ТО) 0,89 0,66 65,58 5,56 17,77 9,37 0,17
M (Л) 1,82 0,86 70,51 5,53 13,11 7,84 0,32
M (ТО) 1.00 1,08 70,76 5,83 13,45 7,50 0,39
LP3 (Л) 1,73 0,74 66,50 4,85 14,28 11,30 0,60
LP3 (ТО) 1,53 0,67 69,70 4,78 13,31 9,91 0,10
δ-Al4(Mn,Fe)Si2
(нестабильна фаза,
рис. 2, б)
LP4 (Л) 1,52 1,06 60,39 26,77 7,65 2,20 0,42
LP5 (Л) 1,10 0,74 58,12 21,29 16,77 1,66 0,32
β-Al5(Mn,Fe)Si
(стабильная фаза)
LP5 (Л) 0,49 0,22 59,18 11,86 25,13 2,42 0,71
LP4 (Л) 0,82 0,62 62,02 10,43 21,80 3,94 0,37
LP4 & LP5 (ТО) 1,59 4,00 58,50 11,65 21,86 2,29 0,11
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 65
Кристаллизация и структурообразование сплавов
(за исключением сплава LP5). А искусственное старение приводит к увеличению
всех механических свойств исследуемых сплавов. Изменения в процессе термо-
обработки являются результатом нескольких процессов, которые протекают при
нагревании.
Первый процесс − это сфероидализация эвтектики (рис. 5, а). Высокая температура
гомогенизации приводит к быстрой дезинтеграции эвтектических ламелей на небольшие
сферы. В работе [18] представлена модель сфероидизации эвтектических ламелей и
волокон в сплавах системы Al-Mg-Si.
Второй процесс − растворение первичных Mn-содержащих фаз и формирование
вторичных включений, которые включают в себя марганец, кремний и железо (рис. 5).
Морфология частиц показана на рис. 5- 6, б. Эти частицы могут быть идентифицированы
как α- (Al
15
(Mn,Fe)
3
Si
2
) фаза (рис. 5, в). Отсутствие когерентности фазы α-(Al
15
(Mn, Fe)
3
Si
2
)
с α-Al влияет (наряду с распадом эвтектических ламелей) на снижение механических
свойств сплавов.
Еще один процесс происходит в сплавах LP4, LP5. Это преобразование метаста-
бильной игольчатой образной α-фазы в более стабильное состояние посредством
диффузионных процессов [19, 20]. После гомогенизации избыток кремния из δ-фазы
растворяется в твердом растворе (табл. 2, 3). Как можно видеть из рис. 4 этот про-
цесс улучшает твердость и прочность сплава уже после гомогенизации.
а
в
б
Рис. 4. Механические свой-
ства сплавов LP-серии: а
− микротвердость; б − твер-
дость; в − предел прочности
М
и
кр
о
тв
е
р
д
о
ст
ь,
H
V
0
,0
5
, М
П
а
Тв
е
р
д
о
ст
ь,
H
В
, М
П
а
Искусственное старение, мин
П
р
е
д
е
л
п
р
о
чн
о
ст
и
, М
П
а
Искусственное старение, минИскусственное старение, мин
66 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Остальные процессы происходят в твердом растворе и заключаются в формиро-
вании наноразмерных выделений при распаде перенасыщенного твердого раство-
ра (SSS) в процессе старения (рис. 6). Установлено, что в Al-Mg-Si сплавах распад
пересыщенного твердого раствора происходит в процессе старения в последова-
тельности SSS → GP-І → β′′ → β′→ β-Mg
2
Si, где GP-І − зоны Гинье-Престона [19-20].
Твердый раствор содержит пластинчатые частицы, которые могут быть рас-
познаны на рис. 6, а. Одной стороной они связаны с изогнутыми линиями, которые
могут быть определены как дислокации.
В работах [21, 22] показано, что эти частицы образуются после естественного ста-
рения в результате гетерогенного зарождения на дислокациях. Точный химический
состав этих выделений не может быть определен, потому что пластины настолько
тонки, что окружающий материал матрицы влияет на ЛРСА спектр сильнее, чем сама
частица. В работах [21, 22] показали прямую связь между плотностью дислокаций
и числом выделений.
На рис. 4 можно видеть, что твердость и прочность на разрыв сплавов не увели-
чиваются с ростом содержания Mg (LP2 и M − сплавы с одинаковой долей Mg
2
Si и
различным содержанием Mg), но пропорционально увеличивается с увеличением
объема эвтектики (сплавы LP и LP1, M и LP3 – одинаковое количество избыточного
Mg и разная доля Mg
2
Si). Аналогичные результаты были получены в работах [6, 11].
Как сообщалось в [23], в сплавах системы Al-Si-Mg увеличение содержания Mg
до определенного количества приводит к повышению механических свойств, но
дальнейшее увеличение приводит к их снижению.
Из рис. 4 видно, что термообработка практически не влияет на механические
свойства сплавов с избыточным количеством магния.
Анализ литературных данных [10, 12, 24] показал, что механические свойства
сплавов Al-Mg
2
Si-Si (с избыточным содержанием кремния и с увеличением объемной
доли Al-Si эвтектики) улучшаются. Но в нашей серии сплавов избыточный кремний
образует с марганцем метастабильное игольчатое соединение δ-AL4(Mn, Fe)Si2,
которое значительно ухудшает свойства сплавов в литом состоянии.
а вб
Рис. 6. ТЕМ изображения вторичных выделений в литейных сплавах системы Al-Mg-Si-Mn:
литое состояние (a); гомогенизированное (б); состаренное (в)
а
Хими-
ческие
элементы
Концен-
трация,
%мас.
O 1,80
Mg 0,84
Al 81,09
Si 5,70
Mn 7,76
Fe 5,64
б в
Рис. 5. Образование вторичных марганцевых фаз и их химический состав в процессе го-
могенизации
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 67
Кристаллизация и структурообразование сплавов
Как показали результаты испытаний (см. рис. 4), термообработка сплавов с из-
быточным кремнием улучшает механические свойства. С увеличением времени
искусственного старения (при 175 0C) твердость сплавов с излишним кремнием
растет. Это можно объяснить повышением количества кремния в твердом растворе,
что позволяет образовать большее количество упрочняющих частиц.
Фрактография
Характер поверхности излома также подтверждает тот факт, что основной упроч-
няющей фазой в представленной системе сплавов являются эвтектические ячейки
Al-Mg
2
Si. С увеличением доли эвтектики количество хрупких поверхностей излома
пропорционально растет и предел прочности становится выше (от квази-вязкого
разлома LP1 до транскристаллического LP3).
Начало разрушения находится на границе − эвтектическая ячейка-зерно α-Al и
эвтектическая ячейка-эвтектическая ячейка. Дополнительные концентрации напря-
жений в сплавах LP4 и LP5 обусловлены наличием игольчатых образный (δ-фаза).
Это подтверждает наше предположение о том, что причиной резкого ухудшения
механических свойств в литом состоянии является кремнийсодержащие фазы.
Окончательные траектории трещин, как правило, проходят через эвтектические
ячейки, что приводит к их разлому и образованию плоских областей (рис. 7). Траек-
тория разрушения преимущественно проходит через усадочные дефекты. Большое
а б
ед
гв
ж з
ки
LP2 (Л)LP1 (Л) LP3 (Л) LP4 (Л)
LP5 (Л) LP2 (ТО)LP1 (ТО) LP3 (ТО)
LP4 (ТО) LP5 (ТО)
Рис. 7. Фрактография сплавов
Al-7Mg-XSi-0,6Mn: a-д − литое
состояние; е-к − гомогенизиро-
ванное состояние
68 ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109)
Кристаллизация и структурообразование сплавов
количество дефектов усадки приводит к значительному снижению механических
свойств [25].
Гомогенизация приводит к уменьшению количества хрупких поверхностей, по
сравнению с литым состоянием, и формированию вязкого излома. Это связано
с сфероидизацией эвтектических ламелей. Это также обуславливает снижение
механических свойств (рис. 4). Подобные эффекты термической обработки на
формирование поверхности излома были получены авторами [26].
выводы
• Анализ микроструктуры показал, что в литом состоянии Al-Mg-Si-Mn сплав
состоит из трех фаз: матрица α-Al, эвтектика (Al)+(Mg
2
Si) и первичные кристаллы
Mg
2
Si. Зерна α-Al имеют дендритную морфологию, а эвтектика состоит из пластин
Mg
2
Si, перемежающихся с α-Al. Зарождение эвтектических ламелей происходит
на первичных кристаллах Mg
2
Si, расположенных в центрах эвтектических колоний.
• В зависимости от отношения компонентов в Al-Mg-Si-Mn сплавах может обра-
зовываться несколько типов Мn-содержащих фаз. Увеличение содержания кремния
приводит к образованию менее стабильных фаз. В сплавах с избытком кремния
образуется метастабильная α-Al
4
(Mn,Fe)Si
2
фаза. Это приводит к ухудшению ме-
ханических свойств.
• В течение 60 мин гомогенизация ламели Mg
2
Si трансформируется в отдельные
сферы диаметром 1 мкм.
• Гомогенизация выравнивает распределение элементов по зерну и увеличивает
количество избыточного элемента (магния или кремния) в α-Al матрице. В резуль-
тате растворения первичных Мn-содержащих фаз, в твердом растворе образуются
вторичные Мn-содержащие выделения. Метастабильная игольчатая δ-фаза при
гомогенизации преобразовывается в более стабильное состояние (α или β) в ре-
зультате диффузионных процессов.
• Искусственное старение при 175 0С приводит к образованию упрочняющих ча-
стиц, что приводит к увеличению твердости и микротвердости α-матрицы. Старение
не приводит к морфологическим изменениям фазовых составляющих.
• Избыток магния не оказывает значимого влияния на механические свойства
сплавов.
• Основной упрочняющей фазой в представленной системы сплавов являются
эвтектические ячейки Аl-Mg
2
Si. Это также подтверждается и результатами фрак-
тографии.
• Было установлено, что избыток кремния (LP4 и LP5 сплавы) повышает способ-
ность к формированию упрочняющих частиц в α-матрице, что приводит к суще-
ственному увеличению механических свойств сплавов.
1. Aluminium alloys: promising materials in the automotive industry / I. N. Fridlyander, V. G. Sister,
O. E. Grushko, V. V. Berstenev, L. M. Sheveleva, L. A. Ivanova Metal Science and Heat Treatment
Vol. 44, Nos. 9-10. − 2002. – P. 365-370.
2. Zajac, S , Bengtsson, B, Jonsson C. Influence of cooling after homogenization and reheating
to extrusion on extrudability and final properties of AA6063 and AA6082 alloys. Materials Science
Forum. 2002. − P.396-402 and − P. 675-680.
3. Effect of Si content on microstructure and mechanical properties of Al-Si-Mg alloys Materials
and Design 53 / Wang Yongjin, Liao Hengcheng, Wu Yuna, Yang Jian. − 2014. − Р. 634-638.
4. Microstructural formation in hypereutectic Al–Mg2Si with extra Si, Journal of Alloys and Com-
pounds 477. Chong Li, Yuying Wu, Hui Li, Xiangfa Liu. − 2009. − Р. 212-216.
5. Equilibrium pseudobinary Al-Mg2Si phase diagram, Materials Science and Technology
/ J. Zhang, Z Fan., Y. Q.Wang, B. L. Zhou − May. − 2001. − Vol. 17. − P. 494-496.
ISSN 0235-5884. Процессы литья. 2015. № 1 (109) 69
Кристаллизация и структурообразование сплавов
6. Feng Yana, Shouxun Jib, Zhongyun Fanc Effect of Excess Mg on the Microstructure and Me-
chanical Properties of Al-Mg2Si High Pressure Die Casting Alloys, Materials Science Forum. − Vol.
765. − 2013. − P. 64-68.
7. Age-hardening behavior and HRTEM observation of precipitates in excess Mg type Al-Mg- Si-Ag
alloy / zusa Furihata, Kenj Matsudai, Jun-ya Nakamura, Susumu Ikeno, Yasuhiro UetaniMaterials
Science Forum. − Vol. 519-521. − 2006. − P. 507-510.
8. Radziszewska A. Structural and chemical composition studies of pulsed laser deposited β-Al-Mg
thin films, Journal of Microscopy. 20010. − Vol. 237, Pt 3. − P. 384–387.
9. K. Matsuda, T. Yoshida, T. Wada, А. Yoshida, U/.Uetani, T. Sato, A. Kamio. and S. Ikeno Precipitation
Sequence in Al-Mg-Si Alloys with Excess Magnesium”, J. Japan Inst. Metals. − 1998. − Vol. 62.
− P. 718-726.
10. Zhang Jian, Yu-qing Yu-qing Wang, Yang Bing / Effects of Si content on the microstructure
and tensile strength of an in situ AlyMg2Si composite, Journal of MATERIALS RESEARCH. −
1999. − Vol. 14, No1. − Jan. − P. 68-74.
11. Jing Qingxiu, Zhang Caixia, Huang Xiaodong / Study on in-situ Mg2Si/Al-Si composites with
different compositions China Foundry. − 2009. − Vol. 6. − No 2. − P. 133-136.
12. Development of a Cast Al-Mg2Si-Si In Situ Composite: Microstructure, Heat Treatment, and
Mechanical Properties / E. Georgatis, A. Lekatou, A. E. Karantzalis, H. Petropoulos, S. Katsa-
makis, A. Poulia. Journal of Materials Engineering and Performance − Vol 22(3). − March 2013.
− P. 729-741.
13. Effects of Excess Mg and Si on the Isothermal Ageing Behaviours in the Al–Mg2Si Alloys / Chau
Doan Long, Nakai Kiyomichi, Matsuura Yoshitsugu, Kobayashi Sengo and Ohmori Yasuya Ma-
terials Transactions. − Vol. 43, No. 6. − 2002. − P. 1371-1380.
14. Разработка новых литейных сплавов системы Al-Mg-Si-Mn с добавками 1,0 Li и 0,1 5 %мас.
Ti + 0,1 вес.% Zr / О. Л. Прач, А. И. Трудоношин, В. В. Бойко, К. В. Михаленков // Метал и
Литье, ФТИМС. − Киев. −№ 8. − С. 17-23.
15. Lu Lia , Rongfeng Zhoua, Dehong Lua, Yehua Jianga, Rong Zhoua / Effect of Cooling Slope and
Manganese on the Microstructure of Hypereutectic Al-Si Alloy with 2%Fe, Materials Research.
− 2014. − 17(2): 511-517.
16. Chakkrist Phongphisutthinan, Hiroyasu Tezuka / Tatsuo Sato, Semi-Solid Microstructure Control
of Wrought Al-Mg-Si Based Alloys with Fe and Mn Additions in Deformation-Semi-Solid-Forming
Process / Materials Transactions. 2011. − Vol. 52. − 5. − P. 834 to 841.
17. Otarawanna S., Gourlay C. M., Laukli H. I., Dahle A. K. / Microstructure Formation in AlSi4MgMn
and AlMg5Si2Mn High-Pressure Die Castings, Metallurgical And Materials Transactions A.
2009. − Vol. − 40 A. − P. 1645-1659.
18. Выбор и оптимизация режима термообработки для повышения механических свойств
литейных сплавов системы Al-Mg-Si / А. И. Трудоношин, О. Л. Прач, В. В. Бойко,и др.
// Процессы Литья. 2014. − № 4. − С. 12-28.
19. The Precipitation Sequence In Al-Mg-Si Alloys, Acta mater / G. A. Edwards, K. Stiller, G. L. Dun-
lop, M. J. Couper. −1998. − Vol. 46. − No. 11. − P. 3893-3904.
20. Ravi C., Wolverton C. First-principles study of crystal structure and stability of Al–Mg–Si–(Cu)
precipitates, Acta Materialia 52. − 2004. − Р. 4213-4227.
21. Boyko V., Link T., Korzhova N., Mykhalenkov K. Microstructure characterization of AlMg5Si2Mn
casting alloy, in: Materials Science an d Technology (MS&T) 2013, October 27-31, Montreal,
Quebec, Canada. − 2013. − Р. 1331-1338.
22. Природне старіння ливарного сплаву AlMg5Si2Mn / О. І. Трудоношин, О. Л. Прач, К. В. Бой-
ко В. В. Михаленков // Наукові вісті НТУУ «КПІ». − 2014. №1. − С. 47-53.
23. Liu Hong, Song Wen-Ju, Zhao Gang, Liu Chun-Ming, Zuo Liang / Effect of Mg on microstructures
and properties of Al-Mg-Si-Cu aluminium alloys for automotive body sheets, Trans. Nonferrous
Met. Soc. China. − 2005. − Vol. 15. − №1. − P. 30-31.
24. Yongjin Wang, Hengcheng Liao, Yuna Wu, Jian Yang / Effect of Si content on microstructure and
mechanical properties of Al–Si–Mg alloys. Materials and Design 53. − 2014. − Р. 634-638.
25. Jiang Wen-Ming, Fan Zi-Tian, Liu De-Jun / Microstructure, tensile properties and fractography
of A356 alloy under as-cast and T6 obtained with expendable pattern shell casting process
Trans. Nonferrous Met. Soc. China 22. − 2012. − P. 7-13.
26. Mrówka-Nowotnik G. Influence of chemical composition variation and heat treatment on micro-
structure and mechanical properties of 6xxx alloys Archives of Materials Science and Engineer
ing. − 2010. − Vol. 46, Issue 2, December. − P. 98-107.
27. Mondolfo L. F. Aluminium Alloys: Structure and Properties. Butterworth & Co Publishers Ltd;
2nd Revised edition. − December 1979. − Р. 971.
Поступила 04.12.2014
|