Общие закономерности изменения свойств литейных сплавов

ВИАМ/1994-201637
Общие закономерности изменения свойств
литейных сплавов системы Al–Zn–Mg
В.В. Черкасов
Ю.М. Должанский
П.П. Побежимов
Июль 1994
Всероссийский институт авиационных материалов (ФГУП
«ВИАМ» ГНЦ) – крупнейшее российское государственное
материаловедческое предприятие, на протяжении 80 лет
разрабатывающее и производящее материалы, определяющие
облик современной авиационно-космической техники. 1700
сотрудников ВИАМ трудятся в более чем тридцати научноисследовательских лабораториях, отделах, производственных
цехах и испытательном центре, а также в четырех филиалах
института. ВИАМ выполняет заказы на разработку и поставку
металлических и неметаллических материалов, покрытий,
технологических процессов и оборудования, методов защиты
от коррозии, а также средств контроля исходных продуктов,
полуфабрикатов и изделий на их основе. Работы ведутся как по
государственным программам РФ, так и по заказам ведущих
предприятий авиационно-космического комплекса России и
мира.
В 1994 г. ВИАМ присвоен статус Государственного
научного центра РФ, многократно затем им подтвержденный.
За разработку и создание материалов для авиационнокосмической и других видов специальной техники 233
сотрудникам ВИАМ присуждены звания лауреатов различных
государственных премий. Изобретения ВИАМ отмечены
наградами на выставках и международных салонах в Женеве и
Брюсселе. ВИАМ награжден 4 золотыми, 9 серебряными и 3
бронзовыми медалями, получено 15 дипломов.
Возглавляет институт лауреат государственных премий
СССР и РФ, академик РАН, профессор Е.Н. Каблов.
Статья
подготовлена
для
опубликования
в
журнале «Металловедение и термическая обработка металлов»,
№ 12, 1994 г.
Электронная версия доступна по адресу: www.viam.ru/public
Общие закономерности изменения свойств
литейных сплавов системы Al–Zn–Mg
В.В. Черкасов, Ю.М. Должанский, П.П. Побежимов
Всероссийский институт авиационных материалов
Среди существующих алюминиевых высокопрочных коррозионностойких
сплавов наиболее перспективными являются сплавы системы Al–Мn–Zn. В
зависимости от содержания магния и цинка сплавы имеют различный
фазовый состав: α+β(Al 3 Mg 2 ), α+β+T(Al 2 Mg 3 Zn 3 ), α+Т, α+Т+η (MgZn 2 ),
α +η .
Большинство
промышленных
Al–Mg–Zn-сплавов
по
составу
соответствуют фазовым областям α+Т, α+Т+η. Для них характерен
высокий уровень прочности и удовлетворительная общая коррозионная
стойкость. Однако Al–Mg–Zn-сплавы могут проявлять склонность к
наиболее опасному виду коррозии – коррозионному растрескиванию под
напряжением.
В
работе
с
использованием
методов
планирования
экспериментов исследовали Al–Zn–Mg-сплавы различного состава с целью
выбора композиций сплавов с высоким уровнем механических свойств и
сопротивления коррозии под напряжением.
Согласно
данным
[1],
высокое
сопротивление
коррозионному
растрескиванию имеют сплавы после зонной стадии старения и стадии
перестаривания (коагуляция стабильных частиц вторых фаз и снижение
прочностных характеристик). Ухудшение коррозии под напряжением
вызывает фазовая стадия старения с образованием в структуре наряду с
зонами Гинье–Престона значительного количества мелкодисперсных частиц
метастабильных фаз.
Установлено, что на уровень механических свойств и коррозионную
стойкость
сплавов
системы
Al–Mg–Zn
большое
влияние
оказывает
содержание в сплавах магния и цинка (как суммарное, так и отдельно
каждого). Для известных сплавов, практически не чувствительных к
коррозионному растрескиванию, суммарная концентрация магния и цинка не
превышает 5–7,5% [1–3].
В данной работе исследовали общие закономерности изменения
механических свойств и коррозионной стойкости сплавов системы Al–Zn–Mg
в зависимости от содержания в них основных легирующих элементов –
магния и цинка.
Выплавку сплавов осуществляли в электрических печах сопротивления с
использованием силитовых нагревателей в шамотно-графитовых тиглях.
Технология плавки включала в себя следующие этапы: в тигле расплавляли
навеску алюминия, затем вводили лигатуру (Al–Ti, Al–Zr, Al–Mn, Al–Сr, Al–Be)
и после ее расплавления при температуре 700–710°С – магний и цинк. При этом
не допускалось всплывания на поверхность расплава нерастворившихся кусков
магния, так как это могло привести к сильному окислению сплава, о чем
свидетельствует появление темно-бурых пятен на поверхности.
После растворения магния и цинка сплав тщательно перемешивали и
выдерживали в течение 10–15 мин. Затем с поверхности расплава удаляли
шлаки и при 700°С проводили заливку сплава в песчаные формы.
Механические свойства сплавов определяли при испытании стандартных
отдельно отлитых образцов диаметром 12 мм (ГОСТ 2685–75). Испытания на
КПН – коррозию под напряжением (σ=0,95σ 0,2 ) проводили по ГОСТ 9.019–74
на отлитых кольцевых образцах при их периодическом погружении в раствор
3% NaCl + 0,1% Н 2 O 2 (50 мин – на воздухе, 10 мин – в растворе). При этом
определяли
время
до
разрушения
τкор .
Исследование
проводили
с
использованием методов планирования эксперимента. План эксперимента
выбирали с учетом следующих основных моментов:
• одной из переменных плана должно быть суммарное содержание цинка
и магния (Zn+Mg);
• практический интерес могут представлять сплавы с (Zn+Mg)=8–9%;
• представляет определенный интерес оценить уровень механических и
коррозионных свойств сплавов с (Zn+Mg) до 11%;
• план эксперимента должен содержать минимальное число точек
вследствие высокой стоимости и длительности коррозионных испытаний, по
условиям
которых
снятие
с
испытаний
неразрушившихся
образцов
предполагается только после 365-ти контрольных суток.
Ранее нами показано, что для исследования системы «состав–свойства»
можно произвольно задавать порядок определяющей пропорции по уровням
базовой
переменной
в
планах
эксперимента
на
базе
симплекс-
пропорциональных решеток. Это применимо, естественно, не только для
q-кратных, но и для однократных решеток. С учетом этого и положений,
рассмотренных выше, в качестве плана эксперимента выбрали однократную
малоточечную симплекс-пропорциональную решетку с базовой переменной,
уровни которой соответствуют суммарному содержанию Zn и Mg.
Исследование проводили в области варьирования концентраций магния и
цинка – от 1 до 10% каждого, т.е. для сплавов с суммарным содержанием
цинка и магния от 2 до 11%. На диаграмме состояния Al–Mg–Zn (рис. 1)
показана исследуемая область составов.
Рисунок 1. Исследуемая область сплавов на диаграмме состояния
Al–Mg–Zn и схема точек выбранного эксперимента
Для пределов варьирования базовой переменной от 2 до 11% порядок
решетки по этой переменной приняли равным 4, а порядки определяющей
пропорции по уровням базовой переменной задавали, соответственно,
числами 2, 3, 3 и 2, сэкономив две экспериментальные точки по сравнению со
стандартной симплекс-пропорциональной решеткой (4×3)-порядка.
Выбранный план (рис. 1) позволяет строить модели второго и третьего
порядков, хотя для модели третьего порядка, судя по кси-диаграмме (рис. 2, а),
разрешающая способность выбранного плана недостаточно высока. Следует
отметить, что система точек, соответствующая выбранному плану, без точек на
уровне базовой переменной Z3(Б)=0, в сущности представляла собой малоточечную
симплекс-пропорциональную решетку (3×3, 3, 2) с кси-диаграммой модели
третьего порядка, приведенной на рис. 2, б, т.е. с достаточной разрешающей
способностью относительно этой модели.
Рисунок 2. Кси-диаграммы для моделей в форме полиномов третьей степени
и планов эксперимента на базе симплекс-пропорциональных решеток порядка:
а – 4×2, 3, 3, 2 (полная область); б – 3×3, 3, 2 (ограниченная подобласть)
Таким
образом,
выбранный
план
позволяет
оценить
общие
закономерности изменения механических свойств и коррозионной стойкости
сплавов системы Al–Zn–Mg в области до (Zn+Mg)=11% и получить
достаточно точную оценку этих свойств в области с (Zn+Mg) до 8,75%.
Матрица плана (4×2, 3, 3, 2) и соответствующие ей составы сплавов
приведены в табл. 1. При выплавке экспериментальных сплавов в них
вводили постоянный комплекс микролегирующих добавок: по 0,1% Ti, Zr, Be
и по 0,15% Мn, Сr.
Таблица 1.
Сплав
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
Z1
1
0,500
0
0,750
0,500
0,250
0
0,500
0,333
0,167
0
0,250
0,125
Матрица плана
Z2
0
0,500
1
0
0,250
0,500
0,750
0
0,167
0,333
0,500
0
0,125
Z3
0
0
0
0,250
0,250
0,250
0,250
0,500
0,500
0,500
0,500
0 750
0,750
Содержание элементов*, %
Zn
Mg
Mg+Zn
10,00
1,00
11,00
5,50
5,50
11,00
1,00
10,00
11,00
7,75
1,00
8,75
5,50
3,25
8,75
3,25
5,50
8,75
1,00
7,75
8,75
5,50
1,00
6,50
4,00
2,50
6,50
2,50
4,00
6,50
1,00
5,50
6,50
3,25
1,00
4,25
2,125
2,125
4,25
14
15
0
0
0,250
0
0,750
1
1,00
1,00
3,25
1,00
4,25
2,00
* Остальное Al.
Средние значения механических свойств (σ в , σ 0,2 , δ) и время до
разрушения при испытаниях на КПН экспериментальных сплавов после
термической обработки по режиму Т5 (закалка в воде от 430°С, 15 ч +
старение при 150°С, 12 ч) приведены в табл. 2.
Таблица 2.
Сплав
σв
σ 0,2
Н/мм
2
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
440
570
390
400
420
360
330
360
340
300
300
330
280
250
150
410
485
260
360
370
210
170
260
230
150
140
205
140
120
85
σ0,2
σв
0,93
0,85
0,67
0,90
0,88
0,58
0,52
0,72
0,68
0,50
0,47
0,62
0,50
0,48
0,57
δ, %
КПН, сутки
6,0
1,5
11,0
7,8
8,1
20,0
20,0
16,0
16,0
25,4
23,0
17,3
23,0
27,0
34,0
0
20
65
5
50
(365)*
(365)*
30
160
(365)*
(450)*
120
(365)*
(450)*
(365)*
* Образцы не разрушились. В скобках дало контрольное время выдержки этих образцов перед снятием с
испытаний.
Анализ полученных в работе экспериментальных данных позволил
выявить статистически значимую корреляцию между уровнем коррозионной
стойкости сплавов и отношением σ 0,2 /σ в . В связи с этим в табл. 2
дополнительно приведены значения отношений σ 0,2 /σ в , рассматриваемого в
дальнейшем в качестве одной из функций отклика.
По данным табл. 2 строили регрессионные МНК-модели второй и третьей
степеней для всей выделенной области и для подобласти без точек с
содержанием (Zn+Mg)=11%. Модели сравнивали по абсолютной величине
остатков (разности между фактическими и расчетными значениями
соответствующих
характеристик).
В
обоих
случаях
для
основных
характеристик выбраны модели третьей степени. Для σ 0,2 /σ в получена модель
лишь для подобласти с содержанием (Zn+Mg) до 8,75%.
Эти модели имеют следующий вид:
а) для полной области [(Mg+Zn)≤11%]:
σв = 442,4𝑥13 + 2551,5𝑥12 𝑥2 + 951,1𝑥12 𝑥3 + 1187,6𝑥1 𝑥22 + 750,7𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+1448,4𝑥1 𝑥32 + 389,7𝑥23 + 838,9𝑥22 𝑥3 + 998,9𝑥2 𝑥32 + 153,5𝑥33 ;
σ0,2 = 412,3𝑥13 + 3321,1𝑥12 𝑥2 + 1012,9𝑥12 𝑥3 − 94,8𝑥1 𝑥22 + 253,0𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+700,4𝑥1 𝑥32 + 259,0𝑥23 + 301,6𝑥22 𝑥3 + 441,9𝑥2 𝑥32 + 88,4𝑥33 ;
δ = 5,5𝑥13 − 157,4𝑥12 𝑥2 + 41,4𝑥12 𝑥3 + 150,7𝑥1 𝑥22 + 207,0𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+22,3𝑥1 𝑥32 + 11,0𝑥23 + 82,1𝑥22 𝑥 + 63,3𝑥2 𝑥32 + 33,3𝑥33 ;
КПН = 2,4𝑥13 − 3169,3𝑥12 𝑥2 − 11,5𝑥12 𝑥3 + 3255,7𝑥1 𝑥22 + 2871,7𝑥1 𝑥2 𝑥3 −
−132,9𝑥1 𝑥32 + 69,9𝑥23 + 1709,4𝑥22 𝑥3 + 1561,5𝑥2 𝑥32 + 372,0𝑥33 ;
б) для подобласти с (Zn+Mg)≤8,75%:
σв = 399,6𝑥13 + 1506,7𝑥12 𝑥2 + 920,6𝑥12 𝑥3 + 908,8𝑥1 𝑥22 + 1270,6𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+1365,0𝑥1 𝑥32 + 330,3𝑥23 + 891,1𝑥22 𝑥3 + 857,1𝑥2 𝑥32 + 150,0𝑥33 ;
σ0,2 = 359,1𝑥13 + 1678,2𝑥12 𝑥2 + 654,8𝑥12 𝑥3 + 142,4𝑥1 𝑥22 + 391,2𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+771,2𝑥1 𝑥32 + 170,0𝑥23 + 401,8𝑥22 𝑥3 + 371,3𝑥2 𝑥32 + 85,0𝑥33 ;
σв /σ0,2 = 0,897𝑥13 + 3,671𝑥12 𝑥2 + 2,191𝑥12 𝑥3 + 0,788𝑥1 𝑥22 + 2,815𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+1,643𝑥1 𝑥32 + 0,520𝑥23 + 1,400𝑥22 𝑥3 + 1,188𝑥2 𝑥32 + 0,570𝑥33 ;
δ = 8,0𝑥13 − 25,2𝑥12 𝑥2 + 73,86𝑥12 𝑥3 + 109,8𝑥1 𝑥22 + 186,1𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+10,3𝑥1 𝑥32 + 19,8𝑥23 + 75,4𝑥22 𝑥3 + 72,2𝑥2 𝑥32 + 34,0𝑥33 ;
КПН = 7,6𝑥13 − 867,3𝑥12 𝑥2 − 116,3𝑥12 𝑥3 + 2151,1𝑥1 𝑥22 + 2360,2𝑥1 𝑥2 𝑥3 +
+265,5𝑥1 𝑥32 + 367,1𝑥23 + 1298,1𝑥22 𝑥3 + 1695,9𝑥2 𝑥32 + 365,0𝑥33 .
На рис. 3 приведены распечатки системы линий уровня свойств,
построенные по приведенным выше моделям и наглядно иллюстрирующие
общие
закономерности изменения комплекса определяющих
свойств
рассматриваемого класса Al–Zn–Mg-сплавов в области с (Zn+Mg) до 11%.
Рисунок 3. Общие закономерности, изменения свойств сплавов
системы Al–Mg–Zn в зависимости от содержания и соотношения в сплавах
магния и цинка (цифры у кривых – значения соответствующих свойств):
а – σ в , Н/мм2; б – σ 0,2 , Н/мм2; в – δ, %; г – КПН, сутки; д – σ 0,2 /σ в
Анализ системы линий уровня (рис. 3, а–г) показывает, что наибольшую
прочность имеют сплавы с (Mg+Zn)≅11%. При этом с увеличением
содержания цинка в сплавах их прочность возрастает. Одновременно
снижается пластичность сплавов и уровень их коррозионной стойкости под
напряжением. Скорее всего это связано с изменением фазового состава и
характером дисперсионного упрочнения сплавов в процессе закалки и
искусственного старения. Образование при распаде твердого раствора
мелкодисперсных частиц метастабильных Т- и η'-фаз приводит, по-видимому,
к сильному искажению кристаллической решетки, что и вызывает повышение
прочности, снижение пластичности и уровня коррозионной стойкости сплавов.
Отмеченный эффект сохраняется и для уровней суммарного содержания
(Mg+Zn)=8,75; 6,5 и 4,25%. Вместе с тем, по мере снижения суммарного
содержания
магния
сопротивления
и
коррозии
цинка
под
происходит
напряжением
повышение
и
пластичности,
снижение
прочностных
характеристик сплавов рассматриваемой системы, что может быть связано с
уменьшением степени искаженности их кристаллической решетки.
Сравнительный анализ данных рис. 3, д и г показывает, что при
σ 0,2 /σ в <0,5% стойкость сплавов к коррозии под напряжением находится на
достаточно высоком уровне. При увеличении отношения σ0,2 /σ в эта
характеристика резко снижается. Система линий уровня отношения σ 0,2 /σ в
может использоваться в качестве оценочного критерия склонности Al–Mg–Znсплавов того или иного составов к коррозии под напряжением.
Анализ полученных результатов позволяет выделить в исследованной
области диаграммы состояния Al–Mg–Zn-сплавов две группы сплавов:
• сплавы,
содержащие
5–7%
Mg
и
2–3%
Zn,
с
повышенной
пластичностью, стойкостью к коррозии под напряжением и достаточно
высоким уровнем прочности (σ в =300–350 Н/мм2; σ 0,2 =200 Н/мм2, δ=20–25%,
τр >400 суток);
• сплавы, содержащие 1,5–3% Mg и 6–7% Zn, с повышенными
прочностными характеристиками, удовлетворительной пластичностью и
ограниченной стойкостью к коррозии под напряжением (σ в =400–500 Н/мм2,
σ 0,2 =300–350 Н/мм2, δ=5–10%, τкор ≤100 суток).
Выводы
Свойства Al–Mg–Zn-сплавов зависят от концентрации магния и цинка, а
также их суммарного содержания. Построены математические модели общих
закономерностей изменения основных механических свойств (σ в , σ 0,2 и δ) и
стойкости к коррозии под напряжением Al–Mg–Zn-сплавов для области
диаграммы состояния с суммарным содержанием (Zn+Mg) до 11%.
Между коррозионной стойкостью рассматриваемого класса сплавов и
отношением
σ 0,2 /σв
имеется
статистически
значимая
корреляционная
зависимость. Достаточно коррозионностойкими являются сплавы с σ 0,2 /σ в≤0,5.
Представляют практический интерес две группы сплавов: 1 – Al–(5–7)%
Mg–(2–3)% Zn-сплавы с повышенной пластичностью и коррозионной
стойкостью под напряжением; 2 – Al–(1,5–3)% Mg–(6–7)% Zn-сплавы с
повышенными
прочностными
характеристиками,
удовлетворительной
пластичностью и ограниченной стойкостью к коррозии под напряжением.
Список литературы:
1. Алюминиевые сплавы / Под ред. И.Н. Фридляндера. М.: Машиностроение, 1964.
Вып. 3. С. 51.
2. Вальков В.Д. Структура, механические и коррозионные свойства сплавов системы
Al–Zn–Mg. М.: ВИЛС. 1971. 68 с.
3. Алюминиевые сплавы. Т. 2. Промышленные алюминиевые сплавы // Под ред.
И.Н. Фридляндера. М.: Металлургия, 1972. 551 с.