книги из ГПНТБ / Рохлин, Л. Л. Акустические свойства легких сплавов

Влияние пластической деформации на затухание ультразвука в алюминии

Изменение затухания ультразвука при пластической деформации поликристаллического алюминия (до ~ 10V6) в основном носит такой же характер, как н в случае магния н магниевых сплавов. При пластической деформации алюминия чистотой порядка 99,99% в общем имеет место повышение затухания электразвука, однако этот эффект значительно меньше, чем в случае магния.

На рис. 43 представлены результаты проведенного исследования. Образцы готовили из полученных горячим прессованием прутков алюминия А99. Перед пластической деформацией образцы отжига­ ли при 400’ в течение 1 ч с тем, чтобы получить полностью рекристаллизованную структуру. Пластическая деформация осущест­ влялась сжатием. Каждый образец подвергали деформации после­ довательно несколько раз с проведением измерений после разгруз­ ки. Фактически осуществляли дробную деформацию с испытанием затухания ультразвука после каждой ступени. На рис. 43 показано изменение коэффициента затухания ультразвука в зависимости от суммарной деформации для отдельных образцов.

При выдержке образцов после разгрузки при комнатной темпе­ ратуре происходит некоторое снижение коэффициента затухания

cC'dff/м

Время после Верормацпи ,,

00

(рис. 44), которое в основном заканчивается через 5 мин. Наблюдае­ мый эффект также намного меньше, чем в случае магния.

В связи с тем, что при использованных степенях деформации форма зерен алюминия практически не изменялась, наблюдаемые эффекты можно связать лишь с изменением затухания ультразвука, обусловленного колебанием дислокаций. Увеличение затухания ультразвука при пластической деформации должно было быть результатом увеличения плотности дислокаций и освобождения их от примесных атомов и вакансий, играющих роль точек закреп­ ления. Снижение затухания ультразвука при выдержке после разгрузки — результат закрепления дислокаций примесными ато­ мами и вакансиями.

Влияние отжига на затухание ультразвука в алюминии и его сплавах

Изменение коэффициента затухания ультразвука при отжиге деформированного алюминия. При отжиге деформированного алю­ миния следует ожидать те же стадии в изменении коэффициента затухания, что и в магнии. При этом в зависимости от условий де­ формации и отжига те или иные стадии могут не выявляться.

В качестве примера на рис. 45 показано изменение коэффици­ ента затухания ультразвука при отжиге образцов алюминия А99, которые изготавливали из прутка, полученного путем холодной ковки со степенью обжатия 90% [250]. Микроструктура прутка была нерекристаллизованной и характеризовалась наличием крупных вытянутых вдоль оси прутка зерен. Из прутка было изготовлено по три образца, которые отжигали ступенчато с повы­ шением температуры при каждой следующей ступени. Отжиг приводил вначале к протеканию процесса рекристаллизации обра­ ботки, а затем, при более высоких температурах, — к росту рекристаллизованных зерен. Начало и конец рекристаллизации обработки устанавливали также по резкому снижению твердости прутков (рис. 45, б), которое происходило в диапазоне температур

250—350°.

Чтобы был виден разброс, на графиках рис. 45, а приведены экспериментальные значения, полученные на отделных'образцах. Хотя значения коэффициента затухания ультразвука, измеренные на отдельных образцах, отличаются между собой, однако в измене­ нии затухания ультразвука при отжиге прослеживаются общие закономерности. Коэффициент затухания при повышении темпера­ туры отжига вплоть до 350°, т. е. до завершения процесса рекристал­ лизации обработки, остается практически на одном уровне. При дальнейшем повышении температуры имеет место вначале резкое возрастание коэффициента затухания, затем он остается на одном и том же уровней, наконец, при самых высоких температурах от­ жига — 625 и 640° — снижается. Средняя величина зерна при со-

91

Рис. 45. Влияние отжига на коэффициент затухания ультразвука а и твердость НВ алюминия, подвергнутого холодной ковке. Продолжительность отжига при каждой температуре — 1 ч; продольные волны, 10 Мгц

бирательной рекристаллизации увеличивается с 0,073 мм после отжига при 375° до 1,7 мм после отжига при 640°, она вначале меньше длины волны ультразвука (0,635 мм), а затем больше.

Таким образом, при отжиге сильно деформированного алюминия в области температур, соответствующих протеканию процессов возврата, в общем изменение затухания ультразвука не происходит. Это можно объяснить тем, что после выдержки при комнатной темпе­ ратуре, которая происходит после деформации или отжига, дисло­ кации оказываются в достаточной степени закрепленными. Про­ цесс рекристаллизации обработки не сопровождается изменением коэффициента затухания, что является результатом особенностей протекания этого процесса в исследованном алюминии. В процессе рекристаллизации алюминия ужз на ранних стадиях образуются довольно крупные зерна, присутствие которых в структуре приводит к значительному рассеянию ультразвука и компенсирует то сниже­ ние затухания ультразвука, которое можно ожидать вследствие происходящего уменьшения плотности дислокаций. Коэффициент затухания ультразвука при собирательной рекристаллизации изме­ няется, проходя через максимум в соответствии с теорией рассеяния ультразвука в поликристаллических материалах.

-92

Приведенные экспериментальные данные иллюстрируют отсут-

•ствие стадии снижения коэффициента затухания ультразвука в на­ чале рекристаллизации. Следует, однако, отметить, что при опреде­ ленных условиях деформирования эта стадия может выявляться. Так, она выражена, хотя и слабо, при отжиге горячепрессованного -алюминия с не полностью рекристаллизованной после прессования структурой [250].

Влияние на затухание ультраззука в алюминиево-цинковых сплавах величины зерна. По сравнению с чистым алюминием алю­ миниевые сплавы, содержащие 10—20% цинка, при тех же размерах зерен обладают более низким коэффициентом затухания ультразву­ ка. На основании этого можно считать, что в алюминиево-цинковых сплавах рассеяние ультразвука зернами происходит в меньшей степени. С целью проверки этого предположения и ввиду целесооб­ разности разработки на основе системы алюминий—цинк сплавов для звукопроводов было изучено влияние на затухание ультра­ звука в этих сплавах величины зерна, устанавливающейся после отжига при различных температурах.

в прутки со степенью обжатия около 90%. Затем следовал отжиг при 370° в течение 1 ч. Прошедшие такую обработку образцы от­ жигали ступенчато с последовательным повышением температуры. После выдержки при каждой температуре в течение 1 ч происходило охлаждение на воздухе и выдержка при комнатной температуре не менее суток. Затем следовало измерение коэффициента затухания. Измерения после каждой температуры отжига проводили на одних и тех же образцах. На рис. 46 приведены средние значения величи­ ны зерна сплавов и коэффициента затухания ультразвука в зависи­

зерна и затухание ультразвука в сплавах

J — А1 — 12% Zn; 2 — AI — 21% Zn

93

Рис. 47. Изменение коэффициента затухания ультразвука и механических свойств сплава Д16 с повышением температуры нагрева под закалку; продольные волны

затухания ультразвука сплаЕа А1 ■— 12% Zn остается выше, чем сплава А1 — 21% Zn.

Таким образом, в сплаие алюминия с 21 % цинка коэффициент затухания ультразвука практически не зависит от величины зерна. В сплаве алюминия с 12% цинка изменение коэффициента затухания при увеличении величины зерна происходит в незначительной степени. Это подтверждает высказанное ранее предположение, что образование твердого раствора цинка в алюминии приводит к умень­ шению рассеяния ультразвука зернами вследствие уменьшения упругой анизотропности кристаллической решетки.

Влияние на затухание ультразвука в сплавах оплавления. При проведении отжига при температурах, близких к температуре солидуса сплавов, вследствие неточности в измерении или контроле температуры может начинаться оплавление в структуре. Оплавле­ ние обычно проявляется в образовании участков литой структуры и снижении механических свойств. Оплавление может наблюдаться при нагреве под закалку дисперсионно твердеющих алюминиевых сплавов. Прошедшие термообработку полуфабрикаты в этом случае считаются бракованными и не допускаются для использования

94

Причина повышения коэффициента затухания ультразвука при оплавлении, очевидно,— образование литой структуры, характери­ зующейся более крупными кристаллами металллических соединений. Увеличение размеров кристаллов металлических соединений при оплавлении и их более разветвленная форма должны способство­ вать увеличению рассеяния ультразвука. Увеличение затухания ультразвука при оплавлении должно происходить также в резуль­ тате образования микротрещин, которые становятся особенно заметными при высоких температурах закалки (рис. 48, г).

Изменение затухания ультразвука при распаде пересыщенного твердого раствора

в алюминиевых сплавах

Распад пересыщенного твердого раствора в сплавах на основе алюминия имеет сложную природу и связан со значительным из­ менением механических и физических свойств [252—254]. В различ­ ных системах его протекание обладает рядом особенностей, свя­ занных с составом образующихся фаз, их кристаллической струк­

в различных системах оно может иметь некоторые особенности. Исследования проводили на типичных стареющих сплавах двух систем: алюминий—медь и алюминий—цинк.

Сплавы алюминий-медь. Исследовали образцы сплава А1 •— 3,5% Си, изготовленные из горячепрессованных прутков. Образцы зака­ ливали с 535° (выдержка 2 ч) путем охлаждения в воде и старили при комнатной температуре (естественное старение) и ступенчато, с последовательным повышением температуры (искусственное ста­ рение).

Искусственному старению предшествовало естественное старе-- ние — 8 суток. Испытания проводили на одних и тех же образцах. Степень распада контролировали измерением твердости и удельного электросопротивления. Измеряли коэффициент затухания ультра­ звука на продольных волнах частотой 10 Мгц. Полученные резуль­ таты для определенных образцов показаны на рис. 49, 50.

Изменение коэффициента затухания ультразвука при естествен­ ном старении (см. рис. 49) в общем имеет тенденцию к снижению. Эффект этот, однако, мал и не превышает различия между отдель­ ными образцами. Как следует из результатов измерения твердости и удельного электросопротивления в диапазоне температур искус­ ственного старения (см. рис. 50), распад твердого раствора сопровож­ дается выделением богатой медью фазы (удельное электросопротив­ ление снижается и устанавливается на постоянном уровне). Твер­ дость при этом изменяется по кривой с максимумом так, что при высоких температурах происходит коагуляция выделившихся час-

96

НЕ

Рис. 49. Изменение твердости и коэффициента затухания ультразвука сплава А1— 3,5% Си при естественном старении f-lt/.'-'fy

1 , 2 , 3 — образцы

НЕ

стар.

Рис. 50. Влияние температуры ступенчатого старения на свойства сплава А1 — 3,5% Си. Продолжительность старения при каждой температуре— 2 ч ^ ifijU-Mfy

1, 2, 3 — образцы

1/44 Л. Л. Рохлин

тиц. Коэффициент затухания ультразвука при распаде твердого раствора изменяется мало, однако можно отметить тенденцию к уве­ личению затухания по мере распада, которая выражена в большей степени при высоких температурах старения.

Минимум затухания в области максимума твердости, как это было в случае распада твердого раствора в магниевых сплавах, фактически не наблюдается. Малое изменение коэффициента зату­ хания ультразвука свидетельствует о том, что степень закрепления дислокаций и их плотность при распаде алюминиевого твердого раствора меняются мало. Некоторое уменьшение коэффициента затухания при естественном старении, параллельное увеличению твердости, можно рассматривать как результатат большего закреп­ ления дислокаций вследствие образования зон Гинье—Престона. При повышении температуры старения до достижения максимума твердости можно было ожидать дальнейшего закрепления дислока­ ций и, следовательно, снижения коэффициента затухания. Однако этого не наблюдается. Скорее, коэффициент затухания в этой об­ ласти температур старения (120—200°) несколько возрастает по сравнению с естественно состаренным состоянием.

Можно предположить, что этот эффект связан с фазовым накле­ пом, который происходит при выделении большого количества частиц богатой медью фазы, в результате чего увеличивается плот­ ность дислокаций. Повышение затухания ультразвука, обусловлен­ ное увеличением плотности дислокаций, перекрывает то снижение затухания, которое можно было ожидать вследствие большего их закрепления. Наконец, в области перестаривания (коагуляции выделившихся частиц) затухание ультразвука возрастает, по-види­ мому, вследствие уменьшения степени закрепления дислокаций.

Сплавы алюминий-цинк. Исследовали [246, 247] образцы сплава А1— 18,5% Zn — 0,12% Mg, которые изготавливали из горяче­ прессованного прутка, закаливали от 350° (выдержка 2 ч) путем охлаждения в воде. Искусственному старению предшествовало естественное старение в течение 2 суток. При измерении одни и те же образцы многократно перезакаливали. Коэффициент затухания измеряли на продольных волнах при частоте 10 Мгц.

По мере увеличения времени выдержки при естественном старе­ нии происходит изменение коэффициента затухания, аналогичное тому, которое наблюдалось в сплавах алюминий-медь.

При наиболее низких температурах искусственного старения (50 и 75°) коэффициент затухания не меняется (при выдержках продолжительностью до 8 ч). При более высоких температурах старения наблюдается увеличение коэффициента затухания и одно­ временное снижение твердости. Наибольшее изменение свойств происходит при 175 и 200°. При дальнейшем повышении температу­ ры старения заметно возрастает растворимость цинка в алюминии, так что выделяется меньшее его количество, а после охлаждения образцов до комнатной температуры продолжается распад твердого раствора.

98