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

вительные значения находятся между вычисленными по Фойгту и по Ройсу.

Модули всестороннего сжатия К и сдвига G по Фойгту и Ройсу для всех классов симметрии кристаллов могут быть определены по

Индекс«У» относится к среднему значению по Фойгту, а индексе/?»— к среднему значению по Ройсу. Хорошее согласие с эксперимен­ тальными данными получается, если берется среднее из обоих зна­ чений модулей [208].

Связь модулей упругости многофазных сплавов с модулями упру­ гости входящих в их состав фаз теоретически исследовалась в [211—216]. В этих работах с различных позиций проведен расчет макроскопических модулей упругости сплавов с учетом характера расположения фаз и различия в их модулях упругости. Хотя ко­ нечные формулы, полученные в различных работах, отличаются между собой, однако все они отражают тот факт, что макроскопи­ ческие модули упругости двухфазной среды в общем случае отли­ чаются от значений, полученных по правилу аддитивности. Со­ гласно [216] при небольших сферических включениях второй фазы, концентрация которых мала,

3

АКУСТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ МАГНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Свойства сплавов в литом состоянии

Вследствие грубой структуры и значительной микропористости в литом состоянии магниевые сплавы характеризуются довольно высокими значениями коэффициента затухания. Как материал для звукопроводов ультразвуковых линий задержки литые сплавы ин­ тереса не представляли и поэтому подробно не исследовались. Ти­ пичные значения коэффициента затухания литого магния и некото­ рых сплавов на его основе приведены в табл. 1.

Таблица 1

Коэффициент затухания ультразвука магниевых сплавов в литом состоянии (отливка в кокиль)

* Отжиг 410° —2 ч, do всех остальных случаях без термообработки.

Как показывает табл. 1, наиболее низкие значения коэффици­ ента затухания имеет сплав, содержащий 0,68% Zr, для которого характерна структура, состоящая из мелких равноосных зерен.

51

Влияние легирования на коэффициент затухания ультраззука магния

Сплавы, на которых проводились исследования, выплавлялись в электрической печи сопротивления в стальных тиглях под флю­ сом ВИ2, который использовали так же, как рафинирующий флюс. Плавку проводили на магнии чистотой 99,9% (Мг1 или Мг). Отлив­ ку производили погружением изложницы с расплавленным метал­ лом в воду, что давало возможность получать достаточно плотные слитки без усадочных раковин. Слитки сплавов после обточки под­ вергали горячему прессованию, со степенью обжатия около 90%, в прутки диаметром 18 мм, из которых готовили образцы для изме­ рения коэффициента затухания. Температура прессования была вы­ брана таким образом, чтобы обеспечить протекание процесса рекрис­ таллизации и в то же время избежать чрезмерного роста рекристаллизованных зерен (около 400°). В основном указанные условия плав­ ки и прессования сплавов использовали при изучении влияния на акустические свойства магния и его сплавов пластической деформа­ ции, возврата, рекристаллизации и распада пересыщенного твер­ дого раствора.

В основном измерения затухания ультразвука проводили на горячепрессованных образцах. В ряде случаев образцы подвергали отжигу при температуре около 400° для завершения процесса ре­ кристаллизации. Этот отжиг практически не сказывался на характе­ ре зависимости коэффициента затухания ультразвука от состава.

Результаты проведенных измерений иа сплавах некоторых из изученных двойных систем представлены на рис. 23 [217, 218]. Рассматривая полученные зависимости, в первую очередь следует отметить, что во всех системах первые добавки легирующих элемен­ тов приводят к более или менее резкому снижению коэффициента затухания. Наиболее резкое снижение коэффициента затухания при небольших легирующих добавках к магнию наблюдается в слу­ чае редкоземельных металлов. В случае введения церия, мишметал­ ла и неодима достигаются наиболее низкие абсолютные значения

Так, в случае нелегпрованного магния средняя величина зерна обычно составляла около 50 мкм, а для сплавов — обычно не более 20 мкм. Более низкие значения коэффициента затухания ультра­ звука в сплавах магния с редкоземельными металлами — церием, мишметаллом и неодимом (по сравнению со сплавами других си­

ми характеризуются существенной растворимостью в магнии в твердом состоянии, уменьшающейся с температурой [219—221].

52

Вследствие этого при их обработке могут выделяться из магниевого твердого раствора дисперсные кристаллы богатых легирующими элементами фаз, которые будут в значительной степени закреплять дислокации. Закрепление дислокаций должно иметь место и в ре­ зультате присутствия атомов редкоземельных металлов в магние­ вом твердом растворе, так как их атомные диаметры значительно отличаются от атомного диаметра магния: для церия и неодима на

13—14% [222].

После первоначального резкого снижения, с дальнейшим уве­ личением содержания легирующего элемента, коэффициент затуха­ ния ультразвука в различных системах изменяется по-разному. В сплавах магний-кадмий он остается приблизительно на одном уровне вплоть до 50 вес.%.

Близкий характер изменения коэффициента затухания ультра­

менение коэффициента затухания после первоначального резкого снижения во всем изученном диапазоне концентраций: вплоть до составов, близких к эвтектическим. В системе магний—олово коэффициент затухания при высоких концентрациях устанавлива­ ется приблизительно на одном уровне.

Всплавах магний-алюминий вплоть до эвтектического состава коэффициент затухания снижается, однако в области концентра­ ций, в которой следует ожидать присутствия в структуре в значи­ тельном объеме обеих структурных составляющих — магниевого твердого раствора и деформированной эвтектики, наблюдается перегиб.

Всистемах магний—лантан и магний—мишметалл, как и в

системе магний—алюминий в сплавах эвтектического состава, име­ ет место наиболее низкое затухание ультразвука. В промежуточной области концентраций, соответствующей доэвтектическим сплавам, наблюдается максимум затухания. Такой же характер изменения коэффициента затухания при легировании, как в сплавах магнийлантан и магний-мишметалл, можно предполагать в сплавах систе­ мы магний—неодим, которая была исследована до концентраций, несколько меньших эвтектической.

Переход к заэвтектическим сплавам приводит к существенному возрастанию коэффициента затухания. Это можно видеть из приве­ денных данных для сплавов магний-мишметалл.

О характере микроструктуры исследованных двухфазных спла­ вов можно судить по микрофотографиям, приведенным на рис. 24, 25. Следует отметить, что в различных системах размеры и характер расположения кристаллов богатых легирующими элементами фаз, образовавшихся при деформации эвтектики, различны. Так, для сплавов магний-алюминий и магний-неодим характерны довольно крупные кристаллы. Для сплавов магний-лантан — очень мелкие. Во многих системах кристаллы равноосны, однако в сплавах маг­ ний-алюминий и магний-неодим отчетливо проявляется их вытяну-

53

s

2

Рис. 26. Модель, использованная при рассмотрении рассеяния ультразвука в деформированных доэвтектическнх сплавах

] — твердый раствор; 2 — деформированная эвтектика

ной эвтектики и твердого раствора оказываются приблизительно одинаковыми, и, наконец, области твердого раствора оказываются окруженными со всех сторон деформированной эвтектикой, размеры их уменьшаются. Число областей деформированной эвтектики при малых концентрациях и соответственно областей твердого раствора при больших концентрациях остается при этом приблизительно постоянным, так что изменения в структуре при увеличении кон­ центрации можно схематически представить в виде модели, пока­

занной на рис. 26.

Предполагается, что весь объем сплава разбит на параллелепи­ педы (рис. 26, а). При увеличении содержания легирующего эле­ мента области деформированной эвтектики возникают в вершинах параллелепипедов, расположенных в шахматном порядке, и уве­ личиваются в размерах без увеличения числа. При этом они имеют ту же форму, что и исходные параллелепипеды. Вначале они ока­ зываются окруженными со всех сторон твердым раствором (рис. 26, б), затем области твердого раствора и деформированной эвтектики чередуются (рис. 26, в), наконец, области твердого раствора оказы­ ваются окруженными деформированной эвтектикой (рис. 26, г). Можно принять, что параллелепипеды, на которые разбивается объем, являются прямоугольными и имеют в основании квадрат.

58

Оценка рассеяния ультразвука вследствие различия в модулях упругости и плотности твердого раствора и деформированной эв­ тектики, согласно представленной модели, может быть проведена аналогично тому, как это делалось в случае поликристаллических материалов [116, 125]. Рассеяние ультразвука должно происходить вследствие различия в длине волны в обеих структурных составляю­ щих. Рассеянные волны будут возникать по поверхностям раздела, параллельным направлению распространения волн (ось х), и вели­ чина рассеяния будет тем больше, чем больше суммарная поверх­ ность раздела. Последняя с увеличением концентрации увеличива­ ется до того момента, когда области деформированной эвтектики станут равны областям твердого раствора (см. рис. 26, в), и затем будет уменьшаться. Таким образом, в соответствии с изменением суммарной поверхности раздела затухание ультразвука, обуслов­ ленное рассеянием в доэвтектических сплавах, должно изменяться с увеличением концентрации по кривой с максимумом.

Максимум затухания ультразвука в области доэвтектпческих сплавов наблюдается не во всех системах. По-видимому, это свя­ зано с тем, что на рассеяние ультразвука различными структурны­ ми составляющими накладывается рассеяние зернами магниевого твердого раствора. Снижение величины зерна в доэвтектических сплавах с увеличением содержания легирующей добавки в различ­ ных системах может быть выражено в разной степени. В том слу­ чае, когда система характеризуется повышенным снижением вели­ чины зерна при увеличении содержания эвтектической составляю­ щей, максимум может не наблюдаться в связи с тем, что эффекты, обусловленные рассеянием областями твердого раствора и дефор­ мированной эвтектики, будут вуалироваться снижением рассеяния зернами магниевого твердого раствора.

Другой причиной отсутствия максимума затухания в доэвтекти-- ческих сплавах некоторых систем может быть то, что разделение на области деформированной эвтектики и твердого раствора не всег­ да проявляется достаточно четко. В пределах областей твердого раст­ вора могут наблюдаться в достаточно большом количестве кристал­ лы второй фазы, а в пределах деформированной эвтектики отдель­ ные кристаллы могут быть разделены достаточно большими облас­ тями твердого раствора. Акустическая неоднородность материала при этом будет снижаться, и рассеяние ультразвука вследствие присутствия в структуре областей твердого раствора и деформиро­ ванной эвтектики будет меньше. Отсутствие четкого деления на области твердого раствора и деформированной эвтектики иллюст­ рируется микрофотографией структуры сплава магния с оловом, приведенной на рис. 24.

Низкий коэффициент затухания ультразвука в эвтектических сплавах, очевидно, обусловлен более высокой по сравнению с доэвтектическими сплавами акустической однородностью деформиро­ ванной эвтектики. Основной механизм затухания ультразвука, который можно предполагать в деформированных эвтектических

59