Структура алюминиевых сплавов влитом состоянии

Количественные характеристики структуры и методы их оценки

Под структурой понимается совокупность элементов кристаллического и внутрикристаллического строения отливок. Кристаллическую (зеренную) структуру обычно называют макроструктурой, поскольку ее часто можно увидеть невооруженным глазом, если размер зерен больше 0,5—1 мм. Однако при более мелком зерне, для того чтобы рассмотреть макроструктуру, приходится использовать микроскопию.

Внутрикристаллическую или внутризеренную структуру называют микроструктурой. Ее всегда анализируют с помощью микроскопов — чаще всего световых и электронных. При этом термин «микроструктура» используют обычно лишь в тех случаях, когда описывают внутризеренное строение при увеличениях светового микроскопа, т. е. до 1000—2000. Если же анализ структур ведется методами электронной микроскопии с большими увеличениями, позволяющими выявлять дислокации и дисперсные продукты распада твердого раствора, то часто говорят уже не о микро-, а о субструктуре сплава или отдельных фаз. Именно такие, наиболее общепринятые сейчас терминология и смысл понятий макро-, микрои субструктуры будут использоваться ниже.

Основной фазовой составляющей всех литейных алюминиевых сплавов в любом структурном состоянии является твердый раствор на основе алюминия (А1). Он может входить в состав разных структурных составляющих. В большинстве сплавов этот твердый раствор кристаллизуется в виде первичных кристаллов из расплава. Объемная и массовая доля таких первичных кристаллов может меняться в очень широком диапазоне — от почти 100% до почти 0.

Сплавы с объемной долей первичных кристаллов (А1), превышающей 90—95 об. %, называют «сплавами типа твердых растворов». В таких сплавах в литом состоянии содержится относительно небольшое (до 5—10 об. %) количество избыточных фаз эвтектического и (или) перитектического происхождения. Меньше 90 об. % (А1) может образовываться, как правило, только в сплавах эвтектических систем, если образуется большое количество эвтектических составляющих. Сплавы с большим количеством эвтектики могут быть доэвтектическими, эвтектическими и заэвтектическими — структурные группы 2—4. В двух последних группах сплавов первичных кристаллов (А1) практически не образуется, но фазы (А1) все равно много — она входит в состав эвтектик.

Сплавы типа твердых растворов, строго говоря, могут часто рассматриваться как доэвтектические. Но образующаяся в них в небольших количествах эвтектика обычно вырождена в одну (3-фазу, и сплав по типу микроструктуры не отличается от сплава, в котором эвтектика образуется только благодаря неравновесной кристаллизации.

Из числа известных литые сплавы типа твердых растворов являются самыми распространенными. К ним можно отнести не только многие литейные, но и почти все деформируемые алюминиевые сплавы. Однако среди промышленных литейных сплавов большинство относится по типу микроструктуры к доэвтектическим и эвтектическим.

Макроструктура (зеренная структура) литых алюминиевых сплавов в слитках и отливках может состоять из трех зон: 1) узкой периферийной зоны мелких равноосных кристаллов, образующихся у стенок литейной формы, 2) зоны столбчатых кристаллов и 3) центральной зоны равноосных кристаллов. Современная технология литья фасонных отливок обеспечивает в большинстве случаев равноосную зеренную структуру по всему сечению. Поэтому ниже в качестве основной количественной характеристики зеренной структуры будет использоваться средний линейный размер зерна D.

Величину D, как и ряд других металлографически определяемых характеристик структуры, оценивают одним из известных методов стереометрической металлографии — методом линейного анализа (иногда его называют методом секущих):

где L — суммарная длина секущих, мм; п — число зерен, пересеченных этими секущими.

Надежность определения среднего размера зерна в литых сплавах в значительной мере определяется четкостью выявления границ между зернами. Наилучшие результаты в этом отношении дает метод приготовления оксидированных шлифов с последующим их анализом в поляризованном свете. Оксидирование предварительно электрополированных шлифов проводят в растворе, состоящем из 2—10%-ного раствора борофтористоводородной кислоты в воде, при напряжении 25—30 В в течение ~2 мин. Электролитическую полировку ведут обычно в электролите следующего состава: 61,7 мл Н₃Р0₄, 134 мл H₂S0₄, 240 мл Н₂0, 156 г Сг₂0₃ при температуре 70 °C и напряжении 9—12 В.

В тех случаях, когда из-за направленного теплоотвода формируется столбчатая структура, помимо среднего линейного размера зерна D целесообразно оценивать его минимальный (Dmщ) ₅ максимальный (D_max) размеры и коэффициент формы.

Внутри зерен алюминиевого твердого раствора в литых алюминиевых сплавах типа твердого раствора и доэвтектических в световом микроскопе обычно хорошо видны дендритные ячейки, являющиеся сечениями отдельных ветвей дендритов. Общепризнано, что размер дендритных ячеек является важнейшим параметром микростроения. Количественно проще всего оценивать средний линейный размер дендритных ячеек d. Делается это в принципе точно так же, как измерение D, только обычно с использованием больших увеличений.

Если границы дендритных ячеек оконтурены выделениями избыточных фаз или эвтектическими колониями, то методика приготовления шлифа не имеет большого значения, важно только, чтобы четко были выявлены эвтектические составляющие. Если же последних мало (какое-то их количество есть почти всегда), то лучшим способом выявления границ дендритных ячеек является травящая электрополировка по приведенным выше режимам. Она обеспечивает либо формирование рельефа, либо травление приграничных зон дендритных ячеек за счет отличия их химического состава от состава центральных областей ячеек.

Основными количественными характеристиками избыточных структурных составляющих в процессе кристаллизации алюминиевых сплавов являются объемная доля Q_v, удельная поверхность этих включений S и средний линейный размер (далее для краткости — толщина) включений т:

где Г — часть секущей, приходящаяся на включения избыточных составляющих, мм; п' — число пересечений секущих с включениями.

В ряде случаев определяют также среднее расстояние между включениями.

Как видно, величины Q_v, S и т определяются из одних и тех же исходных данных и связаны между собой уравнением.

В эвтектических, а также в дои заэвтектических сплавах с большим количеством эвтектических составляющих набор основных количественных характеристик структуры меняется. В таких сплавах вместо размера D зерна (А1) определяют средний размер эвтектических колоний D₃ по формуле (2.1). Микроструктура характеризуется объемной долей Q_v эвтектики и первичных кристаллов (в заэвтектических сплавах), линейным размером последних т, а также средним линейным размером сечений фаз внутри эвтектики.

где 1а — суммарная длина отрезков секущих, приходящихся на сечения (3-фазы внутри эвтектических колоний, мкм; Пр — общее число пересечений секущих с этими сечениями.

У границ дендритных ячеек и зерен алюминиевого твердого раствора помимо включений избыточных фаз образуются микропоры, в основном усадочного происхождения. Интегральной функцией пористости является плотность у, определяемая методом гидростатического взвешивания. Если поры выявляются на металлографических шлифах, как, например, в алюминиево-магниевых сплавах, то можно оценить объемную долю Q_n, удельную поверхность S_n и средний линейный размер т_п пор, пользуясь формулами (2.3)—(2.5). Суммарную объемную долю пор (Q^) в двойном сплаве легко рассчитать и исходя из плотности фаз (у), если известна объемная доля последних:

где Q_a = (1 — Q_v) — объемная доля алюминиевого твердого раствора; у_а и ур — плотности алюминиевого раствора и избыточной фазы (или эвтектики).

Поскольку форма и размеры пор в процессе изготовления металлографического шлифа могут искажаться, можно использовать метод рентгеновской теневой микроскопии, дающий объемное изображение пор.

Экспериментально характеристики внутрикристаллитной ликвации определяют в последние годы различными способами электронно-зондового микроанализа. Чаще всего используют микрорентгеноспектральный анализ (МРСА), позволяющий определять концентрации в микрообъемах диаметром 1—2 мкм с весьма высокой точностью (абсолютные ошибки определения концентрации — десятые доли процента, относительные — в пределах 1,5%). В качестве объектов исследования здесь можно использовать массивные шлифы и тонкую фольгу.

Эти же объекты можно исследовать с помощью рентгеновской энергодисперсионной спектроскопии, где вместо кристалл-дифракционного спектрометра, используемого в МРСА, применяют твердотельный рентгеновский детектор. Последний обеспечивает большую производительность и удобства пользования, особенно при подсоединении к просвечивающим электронным микроскопам.

При просвечивающей электронной микроскопии тонкой фольги используют также метод спектроскопии энергетических потерь электронов. Его преимуществом по сравнению с двумя предыдущими методами является возможность оценки концентрации легких элементов с малыми атомными номерами (< 11).

Погрешности в определении концентраций у двух последних методов примерно такие же, как у МРСА, а локальность значительно выше: линейные размеры «точки», в которой может быть измерена концентрация, составляют 10—30 нм. Для уменьшения ошибок определения концентраций во всех методах желательно использование гомогенных эталонов точно установленного состава, как можно более близкого к измеряемому.

Помимо характеристик внутрикристаллитной ликвации в ряде случаев важное значение имеет средняя концентрация легирующего элемента в твердом растворе. Для количественной оценки этой концентрации достаточно знать среднюю концентрацию элемента в сплаве С^, объемную долю Qp избыточной фазы (или фаз), в состав которой он входит, и его концентрацию в этой фазе Cg.

Свойства литых алюминиевых сплавов могут зависеть не только от концентрационной неоднородности дендритных ячеек алюминиевого твердого раствора, но и от их внутреннего строения — субструктуры. Основными количественными параметрами субструктуры являются плотность дислокаций р, средний линейный размер субзерен d' или дислокационных ячеек d", средний угол разориентировки по их границам 0. Внутри дендритных ячеек могут образовываться в процессе охлаждения ниже солидуса (температуры полного затвердевания сплава) и при последующей гомогенизации вторичные выделения избыточных фаз, которые характеризуются средним линейным размером т_вт, межчастичным расстоянием 1_ВТ и плотностью распределения Д_вт.

Основным современным методом исследования субструктуры является дифракционная электронная микроскопия. Она наиболее информативна: позволяет оценивать как характеристики мелких частиц любой дисперсности (здесь можно многое сделать и с помощью сканирующей электронной микроскопии), так и параметры дислокационной структуры. Теперь отработаны методики приготовления фольги из литых объектов, что само по себе является непростой задачей из-за структурной и химической неоднородности отливок, затрудняющей их равномерное утонение электролитическим или химическим способом.

В большинстве случаев используются следующая схема и режимы приготовления фольги, базирующиеся на рекомендациях. После механической резки заготовок в виде пластин толщиной 0,8—1,5 мм их шлифуют до 0,2—0,3 мм. Из полученных пластин вырезают диски диаметром 3 мм. Затем с помощью струйной электрополировки в 25%-ном растворе HN0₃ создают конусы на поверхности дисков и подвергают их электролитическому утонению в электролите, состоящем из 23% НС10₄ с плотностью 1,54 г/см³ и 77% ледяной уксусной кислоты или смеси НС10₄ и С₂Н₅ОН при соотношении 1: 6. Напряжение при электрополировке составляет 9—12 В.

Измерения проводят на негативах, полученных при электронно-микроскопической съемке фольги, или на новых оцифрованных электронных микроскопах — на мониторе. Средний линейный размер субзерен d', окруженных объемными сплетениями дислокаций, определяют методом секущих.

Плотность дислокаций р_1} не входящих в плоские субграницы, определяют по методике.

где р_х — отношение суммарной длины дислокационных линий к объему фольги; N — число пересечений дислокационных линий с линиями квадратной сетки; t — толщина фольги (определяется, где возможно, экспериментально или принимается равной 200 нм (0,2 мкм), что соответствует средней толщине прозрачной части фольги из алюминиевых сплавов при ускоряющем напряжении 100 кВ; L — суммарная длина секущих.

Плотность дислокаций, сосредоточенных в субграницах, обычно оценивают по формуле.

где b — вектор Бюргерса дислокаций, образующих субграницы.

Эта формула базируется на плоской схеме малоугловой границы вокруг субзерна. Если же учесть, что субграница окружает какой-то объем, например кубической формы, то конечная формула видоизменяется. Действительно, если число дислокаций на единице длины субграницы п — 0/Ь, то дислокации, относящиеся к одному кубическому субзерну с площадью поверхности 6d'², располагаются на поверхности 3d'², поскольку каждая грань куба принадлежит двум соседним субзернам. Тогда суммарная длина дислокаций в субграницах 3d'² • 0/Ь и после деления на объем субзерна d'³ получаем.

Определение р₂ по этой формуле базируется на модели симметричной границы наклона. Поэтому в общем случае рассчитанные значения р₂ должны быть занижены. Это объясняется тем, что разориентировка субзерен определяется только избытком в границе дислокаций одного знака, а не всеми дислокациями, ее образующими. Поэтому когда формируется, например, несимметричная наклонная граница, то общее число дислокаций в ней больше, чем по принятой модели.

Общую плотность дислокаций в сплавах с субзеренной структурой подсчитывают как.

Величина р в общем случае оказывается заниженной на величину, превышающую 10—50%, вследствие «ухода» дислокаций из фольги при утонении, а также отмеченного занижения величины р₂

Характеристики вторичных выделений определяют по общепринятым методикам. Обычно измерения проводят в таких объектах, где перекрытием включений можно пренебречь. Потому их средний линейный размер т_вт можно оценивать по формуле, подобной (2.4), для определения толщины включений кристаллизационного происхождения на шлифах. Плотность распределения вторичных выделений в фольге (число частиц в единице объема) определяют как.

где N — число выделений, приходящихся на единицу площади фольги.

Для оценки погрешности в определении того или иного параметра структуры рассчитывают среднеквадратическую ошибку, доверительный интервал (обычно при доверительной вероятности 0,95), коэффициент вариации.

При количественной оценке всех структурных характеристик объем измерений подбирается таким образом, чтобы коэффициент вариации был в пределах 10—20%.

Перечень характеристик структуры, которые в дальнейшем будут анализироваться, является хотя и весьма полным, но не исчерпывающим. Например, редко количественно оцениваются размеры и объемная доля неметаллических включений, хотя их величины могут оказывать существенное влияние на свойства отливок из алюминиевых сплавов.