Микроструктура литых алюминиевых сплавов

Основные количественные характеристики структуры литых алюминиевых сплавов, которые могут быть определены при увеличениях светового микроскопа, перечислены в гл. 1. Для сплавов типа Х_г это линейные размеры зерна D и дендритной ячейки d алюминиевого твердого раствора, объемная доля Q_v, средняя толщина т и удельная поверхность S включений избыточных составляющих, а также аналогичные характеристики микропор, всегда имеющихся в отливках. В последующем все эти структурные параметры будем называть металлографически определяемыми характеристиками структуры или характеристиками микроструктуры.

Наиболее подробно сейчас изучено влияние состава и скорости кристаллизации (охлаждения) на размер дендритной ячейки. Качественно и количественно показано резкое измельчение дендритной ячейки по мере ускорения кристаллизации.

Ускорение кристаллизации уменьшает размеры не только дендритных ячеек, но и выделений избыточных фаз, причем изменение d и т идет параллельно. Таким образом, при ускорении охлаждения во время кристаллизации твердо установлено измельчение микроструктуры внутри зерен, выявляемое в световом микроскопе.

Однако между размером зерна и скоростью охлаждения такой четкой связи нет. Величина D в большей мере определяется температурой расплава перед заливкой. Известно также, что в отличие от d размер зерна может меняться в широких пределах за счет модифицирования и перемешивания расплава различными способами.

Зависимость металлографически определяемых характеристик структуры от скорости охлаждения при кристаллизации подробно изучена на лабораторных отливках из двойных сплавов алюминия с медью (до 5%) и магнием (до 11%) и промышленных сплавах на базе этих систем: АМ5, AMrlO и др., а также систем А1—Zn—Mg и А1—Zn—Mg—Си. Все исследованные сплавы являются типичными представителями среднеи высоколегированных алюминиевых сплавов с суммарным содержанием основных легирующих элементов в пределах 4—11%. После кристаллизации с различными скоростями отливки закаливали в воде и на приготовленных из них шлифах оценивали характеристики микроструктуры. Последующее определение влияния скорости охлаждения на эти характеристики и парных взаимосвязей между ними вели графически и с помощью корреляционного анализа.

На рис. 2.15 показаны зависимости размера дендритной ячейки, толщины и удельной поверхности эвтектических включений от скорости охлаждения в сплавах алюминия с разным содержанием магния. Характер зависимостей d и т от V_c качественно одинаков, однако прямые lgm — lgV_c индивидуальны для каждого сплава, в то время как размер дендритной ячейки связан со скоростью охлаждения одним общим для всех перечисленных выше двойных и промышленных сплавов уравнением.

Из количественных характеристик усадочных и газовых микропор со скоростью охлаждения при кристаллизации однозначно связан только их линейный размер т_р. Характер зависимости т_р от V_c качественно такой же, как и зависимости т от d. Объемная доля (Q_Vn) и удельная поверхность (S) пор зависят не только и иногда не столько от V_c, сколько от температурной обработки расплава перед кристаллизацией, определяющей его газонасыщенность, схемы кристаллизации и т. д., не говоря уже о составе сплава. При идентичных условиях плавки и равноосной структуре отливок обычно наблюдается уменьшение Q_Vn и увеличение S по мере ускорения кристаллизации.

Рис. 2.15. Зависимость средней толщины включений эвтектической 0-фазы (а), размера дендритной ячейки d (б) и удельной поверхности S 0-фазы (в) от скорости охлаждения при кристаллизации сплава AMMO с 9,5 (7), 10,2 (2), 11,6% Мд (3) и двойного сплава AI с 10% Мд (4).

Итак, размер дендритной ячейки первичного твердого раствора однозначно связан в литых алюминиевых сплавах со скоростью охлаждения при кристаллизации и может быть по ней рассчитан. От величины d зависят другие характеристики микроструктуры, определяющие дисперсность выделившихся при кристаллизации избыточных составляющих и пор усадочного происхождения.

При кристаллизации растущие ветви дендритов оттесняют обогащенную легирующими элементами жидкость в места контакта нескольких ветвей. Там из жидкости, например, эвтектического состава, кристаллизуется эвтектика, включения которой и наблюдаются металлографически по границам дендритных ячеек. Там же в результате затвердевания последних изолированных объемов расплава образуются микропоры. Из стереометрии известно, что радиусы шаров г, вписанных в пустоты между шарами большего радиуса R, линейно связаны между собой. Аналогичное соотношение должно наблюдаться между линейными размерами дендритной ячейки и включений избыточной составляющей или поры. По всей видимости, при столь медленном охлаждении успевает весьма заметно проходить миграция субграниц.

При скоростях охлаждения, когда в алюминиево-магниевых сплавах фиксируется приграничная зона мелких субзерен, ее ширина четко скоррелирована с шириной обогащенной магнием области на периферии дендритных ячеек. Это было установлено в результате микрорентгеноспектрального исследования распределения магния по сечению дендритных ячеек сплавов АМгб и АМгЮч при разных скоростях охлаждения.

Плотность дислокаций в исследованных отливках слабо зависит от скорости охлаждения при кристаллизации. С учетом точности определения р можно говорить лишь о тенденции к росту плотности внутрисубзеренных дислокаций по мере ускорения охлаждения в сплаве АМгЮч.