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

Л. Л. Рохлин

сплавах большинства систем, — рассеяние отдельными кристалла­ ми вторых фаз, размеры которых порядка нескольких микрон. Вследствие небольшой величины кристаллов рассеяние ультразву­ ка ими невелико, и измеренный коэффициент затухания оказывает­ ся низким.

Наконец, последняя характерная особенность изменения зату­ хания ультразвука с составом в сплавах магния, содержащих зна­ чительные количества легирующих элементов, — увеличение зату­ хания при переходе к заэвтектическим сплавам объясняется тем, что в заэвтектических сплавах образуются крупные кристаллы вто­ рых фаз, которые приводят к значительному рассеянию.

Поскольку рассеяние кристаллами вторых фаз играет существен­ ную роль в затухании ультразвука, интересно сравнить, насколько модули упругости и плотность различных фаз, встречающихся в магниевых сплавах, отличаются от модулей упругости и плотности находящегося с ними в равновесии магниевого твердого раствора. Соответствующие данные по модулям упругости и плотности фаз приведены в табл. 2. Одновременно в таблице приведены значения величины ge, фигурирующей в теории рассеяния ультразвука изолированными включениями в твердой среде Енга и Труелла [132]. Величина ge фактически определяет рассеивающую способность вторых фаз, составляющих включения в среде-твердом растворе.

Из табл. 2 видно, что наиболее близкие значения к модулю уп­ ругости и плотности магниевого твердого раствора имеют фазы Mg2Ca и А13Са и фазы, образующиеся в сплавах магния с редкозе­ мельными металлами: лантаном, неодимом и церием. Довольно близки модуль упругости и плотность второй фазы и находящего­ ся с ней в равновесии магниевого твердого раствора в системе маг­ ний—алюминий. Наибольшие различия в модуле упругости и плот­ ности вторых фаз и твердого раствора имеют место в случае систем магний—цирконий и магний—марганец.

Между величиной ge для различных систем магниевых сплавов и экспериментально наблюдаемыми значениями коэффициента за­ тухания ультразвука соответствия не прослеживается. Такого соот­ ветствия нельзя было и ожидать, так как на затухание ультразвука в сплавах оказывает влияние не только различие в модулях упругос­ ти и плотности фаз, но и размеры фаз, их количество и характер рас­ положения, а также размеры зерен твердого раствора.

Влияние легирования на скорость ультразвука магния

Влияние легирования на скорость ультразвука магния изуча­ ли на сплавах в горячепрессованном состоянии. Измерения скорос­ ти проводили на продольных волхах (10 Мгц). Параллельно измеря­ ли плотность сплавов. По результатам измерения скорости ультра­ звука и плотности были рассчитаны значения модуля упругости

М = рс?, определяющего распространение продольных ] волн

61

в средах. Результаты исследования представлены на рис. 27 [226, 228].

Из представленных данных видно, что в большинстве систем с увеличением содержания легирующего элемента скорость ультра­ звука снижается. Это относится к системам: магний—кадмий, магний—свинец, магний—олово, магний — цинк, магний—нео­ дим, магний—церий, магний—лантан и магний—медь. Таким образом, уменьшение скорости ультразвука по мере легирования имеет место в системах с самой различной растворимостью в магнии в твердом состоянии: от системы магний—кадмий с неограничен­ ной растворимостью до системы магний—медь, где растворимость практически отсутствует. Системы отличаются между собой по сте­ пени снижения скорости ультразвука по мере легирования. Наибо­

магний— кальций также намечается некоторое снижение скорос­ ти ультразвука, но оно настолько мало, что правильнее считать, что скорость ультразвука практически не изменяется.

В системе магний—алюминий в области образования магние­ вого твердого раствора скорость ультразвука по мере легирования несколько снижается, а в области образования в структуре кристал­ лов фазы Mg17Al12 — повышается. Наконец, в системе магний — кремний с увеличением содержания легирующего элемента наблю­ дается только повышение скорости ультразвука.

Во всех системах, кроме магний—кальций и магний—крем­ ний, плотность по мере увеличения содержания легирующего эле­ мента увеличивается независимо от того, образуются твердые раст­ воры или кристаллы вторых фаз. Этого следовало ожидать, так как все использованные легирующие элементы имеют большие атом­ ные веса, чем магний, и размеры атомов, меньшие или ненамного’ большие, чем размеры атомов магния. Слабое изменение плотности сплавов в магний-кальций, очевидно, связано с тем, что плотность фазы Mg2Ca близка к плотности магния. Малое изменение плотнос­ ти в системе магний—кремний, по-видимому, обусловлено малым, диапазоном рассмотренных концентраций.

Модуль упругости по мере увеличения содержания легирующего элемента в большинстве случаев увеличивается. Некоторое сниже­ ние модуля упругости по мере легирования наблюдается только в системе магний—кальций и в области твердых растворов в систе­ ме магний—свинец. В системе магний—алюминий в области твердых растворов модуль упругости с увеличением содержания легирующей добавки остается практически постоянным.

При рассмотрении экспериментальных данных по скорости ульт­ развука обращает на себя внимание тот факт, что при построении зависимостей от состава, выраженного в вес. %, точки очень хорошо

62

ложатся на прямые. Прямолинейный характер изменения скорости ультразвука от состава в двухфазной области дает возможность с достаточно хорошим приближением определять скорость уль­ тразвука, а по ней модули упругости фаз, входящих в состав сплавов.

Влияние пластической деформации и отжига на затухание ультразвука в магнии

и магниевых сплавах

Влияние пластической деформации. Для исследования влияния на затухание ультразвука пластической деформации были исполь­ зованы магний чистотой 99,9% и сплав магния с 2,3% неодима [229]. Магний и сплав магния с неодимом после отливки подвергали горя­ чему прессованию, разрезали на заготовки и для получения пол­

гидравлическом прессе вдоль продольной оси. Осаживание прово­

выдерживали не менее 7 дней. Результаты испытаний для деформа­ ции при комнатной температуре представлены на рис. 28. Для дефор­ мации при 200° были получены аналогичные результаты.

В общем следует отметить резкое возрастание коэффициента затухания при небольших пластических деформациях в обоих ма­ териалах. В случае магния (рис. 28, а) с дальнейшим увеличением степени деформации коэффициент затухания изменяется по кривой с максимумом, проходит через минимум и вновь возрастает, макси­ мум затухания приходится на степень деформации 1—2%, мини­ мум — на 5—10%. В случае сплава магния с 2,3% неодима (рис. 28, б) после резкого возрастания коэффициента затухания при ма­ лых (1—2%) степенях деформации наблюдается более плавное его изменение при больших степенях деформации. Максимум затухания при небольших степенях деформации отсутствует, во всяком случае он не выходит за пределы разброса. Значения коэффициента зату­ хания ультразвука сплава магния с 2,3% неодима в деформирован­ ном состоянии остаются более низкими, чем у магния.

Резкое увеличение коэффициента затухания ультразвука при небольших степенях деформации следует объяснить увеличением дислокационной составляющей затухания, так как форма и размеры зерен при малых степенях деформации практически не изменяются. Возрастание затухания, связанного с колебанием петель дислока­ ций, может быть обусловлено, с одной стороны, увеличением плот­ ности дислокаций и, с другой — частичным освобождением дисло­ каций от закрепляющих их точечных дефектов. Последующее сни­ жение коэффициента затухания с увеличением степени деформации (изменение по кривой с максимумом), по-видимому, связано с умень­ шением длины колеблющихся петель дислокаций в результате их

63

Рис. 28. Влияние пластической деформации на коэффициент затухания[ультразвука магния (а) и сплава магния с 2,3% неодима (б); продольные волны, 10 Мгц

взаимного пересечения. Поскольку, согласно теории Гранато и Люкке [141], коэффициент затухания приближенно пропорционален плотности дислокаций А в первой степени и длине колеблющихся петель L в четвертой степени, изменение длины петель должно силь­ нее сказываться, чем изменение плотности дислокаций. Отсутст­ вие максимума затухания в случае сплава магния с 2,3% неодима можно объяснить тем, что в сплаве дислокации в большей степени закреплены, и поэтому эффекты, связанные с увеличением длины петель при отрыве от закрепляющих их точечных дефектов и умень­ шением длины петель при взаимном пересечении дислокаций, про­ являются в меньшей степени.

Повышение коэффициента затухания ультразвука магния при больших степенях деформации (30 и 50%) можно объяснить тем, что в структуре образуются микропоры. Образование микропор может быть связано с тем, что вследствие особых свойств кристал­ лической решетки магний при комнатной температуре и до 200° об­ ладает низкой пластичностью. Образование микропор можно ожи­ дать на границах и стыках зерен, поскольку отдельные зерна в поликристаллическом магнии могут быть ориентированы неблаго­ приятным образом для протекания пластической деформации. Слабое изменение коэффициента затухания при больших степенях деформации в сплаве магния с неодимом, очевидно, — результат более мелкого зерна, диаметр которого в среднем составлял около 20 мкм по сравнению с 50 мкм для магния. Более мелкое зерно от-

64

ветственно и за более низкие абсолютные значения коэффициента затухания в сплаве магния с 2,3% неодима.

Отмеченные особенности изменения коэффициента затухания ультразвука при небольших деформациях согласуются с данными работ [160—162, 230], в которых исследовалось затухание ультра­ звука образцов в нагруженном состоянии. В этих работах также на­ блюдалось возрастание коэффициента затухания при небольших де­ формациях. При этом на кривой зависимости затухания от степени деформации мог наблюдаться или отсутствовать максимум.

<х.,0д//ч

Рис. 29. Изменение коэффициента затухания ультразвука магния после снятия нагрузки (е = 1%); продольные волны, 22 Мгц

Изменение коэффициента затухания при дробной пластической

Гдеформации. При производстве полуфабрикатов из магниевых спла­ вов, а также при изготовлении из них звукопроводов могут иметь место небольшие, многократно повторяющиеся деформации. В свя­ зи с этим представляло интерес изучить более подробно влияние на коэффициент затухания ультразвука малых деформаций и опре­ делить, как сказывается при этом дробный характер их проведения.

Проведенные исследования [231] показали, что каждая новая пластическая деформация приводит к возрастанию коэффициента затухания ультразвука. Выдержка образцов в разгруженном состоя­ нии приводит к снижению коэффициента затухания. Типичная кри­ вая изменения коэффициента затухания после снятия нагрузки показана на рис. 29. По мере выдержки после снятия нагрузки ко­ эффициент затухания уменьшается, приближаясь к определенному постоянному значению. Через 30 мин коэффициент затухания ста­ новится практически постоянным.

Общий уровень коэффициента затухания (с учетом его изменения после снятия нагрузки) резко увеличивается при первых неболь- „ ших деформациях (порядка 0,1—0,2%), происходит его увеличение в 4—6 раз. При дальнейшем увеличении степени деформации уро­ вень затухания ультразвука изменяется слабо. При этом значение коэффициента затухания ультразвука, достигнутое после какой-ли­ бо единичной пластической деформации, может быть несколько боль­ ше и меньше значения, достигнутого при предшествующей дефор­

мации.

Первая стадия изменения коэффициента затухания отмечается при самых низких температурах и соответствует протеканию про­ цессов возврата (в рассматриваемом горячепрессованном магнии — при 150—175°). Эта стадия характеризуется сравнительно неболь­ шим снижением коэффициента затухания, которое можно объяснить дополнительным закреплением дислокаций в результате диффузии к ним примесных атомов.

Вторая стадия, которая должна следовать за первой, характе­ ризуется некоторым повышением коэффициента затухания, приво­ дящим к появлению максимума. Она имеет место в предрекристаллизационный период и ее можно объяснить увеличением длины

Рис. 31. Изменение зату­ хания ультразвука в го­ рячепрессованном магнии при ступенчатом отжиге. Продолжительность отжи­ га при каждой темпера­ туре — 6 ч

колеблющихся отрезков дислокаций в результате частичного осво­ бождения от закрепляющих их точечных дефектов.

Третья стадия характеризуется существенным снижением ко­ эффициента затухания и соответствует протеканию рекристаллиза­ ции обработки. В горячепрессованном магнии эта стадия протека­ ет при 200—275°. Снижение коэффициента, затухания ультразвука на этой стадии можно объяснить значительным уменьшением плот­ ности дислокаций. Кроме того, в процессе рекристаллизации вмес­ то крупных деформированных зерен могут возникать более мелкие рекристаллизованные.

Следующие две стадии в изменении коэффициента затухания свя­ заны с ростом рекристаллизованных зерен. При этом вначале ко­ эффициент затухания с повышением температуры отжига увеличи­ вается, а затем уменьшается, так что наблюдается максимум коэф­ фициента затухания. Изменение коэффициента затухания ультра­ звука на этих стадиях связано с изменением рассеяния ультразвука

сувеличением размеров рекристаллизованных зерен.

Взависимости от степени и температуры деформации, условий проведения отжига и состава отмеченные стадии в изменении ко­ эффициента затухания имеют различное развитие и некоторые из них могут не наблюдаться [232].

з* 67

Зависимость коэффициента затухания ультраззука в магнии от величины зерна. Зависимость коэффициента затухания ультразву­ ка в магнии и его сплавах от величины зерна прослеживается до­ вольно отчетливо, несмотря на то, что, как было отмечено выше, магний имеет кристаллическую решетку с малой упругой анизот­ ропностью. Обычно величина зерна .в магниевых сплавах меньше длины волны ультразвука и при термообработке меняется в узких пределах. В результате этого удается проследить лишь рост коэффи­ циента затухания при увеличении величины зерна. Характерное для рассеяния ультразвука изменение коэффициента затухания с величиной зерна по кривой с максимумом удается проследить лишь для нелегироваиного магния, при отжиге которого наблюдается значительный рост рекристаллизованиых зерен. Соответствую­ щие экспериментальные данные представлены на рис. 32. Следует

ОС, Jf/M

Рис. 32. Зависимость коэффи­ циента затухания ультразвука магния от величины зерна

отметить смещение максимума затухания ультразвука с увеличе­ нием частоты в сторону меньших размеров зерен, что находится в соответствии с теорией рассеяния. Средняя величина зерна, соответ­

процесс в магниевых сплавах. Поэтому целесообразно было устано­ вить, как изменяются акустические свойства при этом процессе.

Исследование проводили на сплавах трех систем: магний—нео­ дим, магний—свинец и магний—алюминий, характеризующих­ ся наличием ограниченной растворимости в твердом состоянии, уменьшающейся с понижением температуры [233].

Изменение коэффициента затухания ультразвука. Составы ис­ пользованных сплавов: Mg — 2,8%Nd, Mg — 35,0%РЬ и Mg — 11 % Al.

68