С появлением линейной механики упругого разрушения можно оценить детальное влияние обработки и микроструктуры на ударную вязкость. Влияние микроструктуры на вязкость разрушения при плоском напряжении и плоской деформации подробно рассматривается вместе с прочностью, усталостными характеристиками и коррозионной стойкостью.
Сначала мы рассмотрим, какие микроструктурные особенности влияют на наиболее важные свойства, в частности на ударную вязкость.
Важными микроструктурными характеристиками с точки зрения ударной вязкости являются частицы второй фазы и зернистая структура. Частицы второй фазы бывают 3 типов:
Другие микроструктурные особенности, такие как зона без осадка, могут быть важными, но часто их трудно отделить от других эффектов.
Ориентация зерен также играет большую роль в определении вязкости сплавов, содержащих крупные частицы. В прокатанном изделии нерастворимые фазы расщепляются и вытягиваются в плоскости прокатки. Таким образом, когда вязкость разрушения измеряется в коротком поперечном направлении или, в меньшей степени, в длинном поперечном направлении, вязкость значительно снижается из-за присутствия выровненных слабых частиц.
Влияние промежуточных частиц и зернистой структуры. Основная роль Cr-, Zr- или Mn-содержащих частиц среднего размера заключается в замедлении перекристаллизации и роста зерен. На самом деле, мало что известно о промежуточных частицах, действующих сами по себе. Наиболее эффективными элементами являются Cr или Zr в сплавах Al-Zn-Mg и Mn в сплавах Al-Cu-Mg. Добавки Cr, Zr или Mn остаются в растворе во время литья и осаждаются во время гомогенизации или другой высокотемпературной обработки. Их размер и расстояние, которые в значительной степени контролируются температурой и временем, оказывают важное влияние.
Эффект затвердевания выпадает в осадок. При обычно используемых температурах наибольшая разница в размерах осадка при затвердевании наблюдается в сплавах серии 2000 между температурами T3 и T8. При первом отпуске старение проводится при комнатной температуре и приводит к тонкому распределению зон GP. Температура T8 достигается выдержкой материала T3 при повышенных температурах и содержит грубые, частично когерентные пластины S ’ (метастабильный Al2 (CuMg). Меньшее влияние затвердевающих осадков было отмечено для серии 7000. Ударная вязкость снижалась по мере приближения к пику кривой старения, как и следовало ожидать, исходя из увеличения предела текучести.
Влияние отложений отверждения с возрастом на коррозионные свойства сплавов Al-Zn-Mg под напряжением является сложным; но, в целом, присутствие метастабильных отложений отверждения M ’, образующихся в результате старения, предпочтительнее, чем зоны GP, присутствующие в состоянии старения. Присутствие частиц M ’, по-видимому, в основном улучшает режим деформации и электрохимическую однородность.
Режим деформации в условиях недостаточного износа представляет собой узкие полосы скольжения и компланарные массивы дислокаций из-за зон сдвига GP. Это приводит к скоплению дислокаций на границах зерен и, следовательно, к высоким локальным напряжениям, которые могут способствовать преимущественному разрушению на границах. В изношенном состоянии такие различия невелики, и способствует более равномерному точечному воздействию, а не коррозионному растрескиванию под напряжением.
Содержание меди и скорость закалки после термической обработки раствором играют важную роль в определении коррозионной стойкости под напряжением. Только при содержании около 1,0% Cu достигается хорошая устойчивость к коррозии под напряжением во всех направлениях зерен в состаренном состоянии. Влияние скорости закалки заметно отличается для сплавов с высоким и низким содержанием Cu Al-Zn-Mg. Коррозионные свойства сплавов с низким содержанием меди (ниже примерно 1,0%) улучшаются при такой низкой скорости закалки, которая соответствует требованиям к прочности. Однако эти сплавы устойчивы к коррозии под напряжением только в том случае, если их зернистая структура неравноосная и когда направление приложенного напряжения не является нормальным к непрерывному пути границы зерен под большим углом.
Подводя итог, можно сказать, что более крупные частицы всех типов и перекристаллизованные крупнозернистые структуры приводят к снижению ударной вязкости. Фактическое влияние промежуточных частиц является неопределенным, поскольку представляется, что они влияют на ударную вязкость больше из-за их влияния на размер зерна, чем из-за их собственного размера как такового. Влияние микроструктуры на усталость менее изучено, хотя в случае сплавов серии 2000 присутствие более грубых отложений возрастного упрочнения нежелательно. Устойчивость к коррозии под напряжением и отслаиванию достаточно хорошо изучена. Они зависят в первую очередь от состояния старения, хотя скорость закалки и структура зерна также могут играть важную роль.
Состав. Очевидный прирост ударной вязкости может быть получен за счет уменьшения содержания Fe, Si и других микроэлементов. Пределы такого сокращения устанавливаются стоимостью и доступностью материалов высокой чистоты. В качестве альтернативы, незначительные преимущества могут быть получены за счет достижения более равномерного распределения любых присутствующих частиц второй фазы.
В одноосно обработанном деформированном изделии частицы второй фазы распадаются во время обработки и появляются в конечном изделии в виде рядов частиц или "стрингеров". Такие стрингеры, как правило, оказывают наихудшее влияние на деформацию и разрушение, когда к ним приложены напряжения по нормали, т.е. Особенно в коротком поперечном направлении.
Более однородные свойства могут быть получены, если не допустить образования этих стрингеров. К восстановлению Fe и Si следует относиться с некоторой осторожностью, поскольку это может также повлиять на процесс осаждения каким-то не очень понятным образом. Было замечено, что Fe и Si могут влиять на образование новых фаз или изменять кинетику осаждения.
Более легко достижимое снижение количества частиц второй фазы может быть достигнуто путем регулирования основных легирующих элементов, чтобы избежать превышения предела растворимости. Например, ограничения по составу на 2024 год были установлены в течение многих лет, однако примерно половина диапазона его состава лежит выше предела растворимости.
Как подробно описано выше, состав важен, если в сплавах серии 7000 должны быть изготовлены закаленные материалы, устойчивые к коррозии под напряжением. Сплав с содержанием Cu ниже примерно 1% не будет полностью реагировать на переизбыток стойкости к SCC. Для такого сплава желательно снизить скорость закалки и стремиться к некристаллизованной зернистой структуре для улучшения продольной (L) и продольной поперечной (LT) коррозионной стойкости под напряжением. Следует избегать коротких поперечных растягивающих напряжений на открытых поверхностях.
На чувствительность сплавов серии 7000 к закалке может влиять состав. В частности, незначительные дополнительные элементы (Cr, Zr, Mn), которые добавляются для контроля перекристаллизации, вызывают потерю прочности при снижении скорости закалки. Cr обеспечивает наибольшую чувствительность к закалке.
Скорость закалки в тяжелых листах, естественно, низкая, и часто желательно закалять еще медленнее, чтобы минимизировать остаточные напряжения. Для этого и достижения достаточной прочности Cr можно заменить Zr, поскольку он позволяет достичь прочности при гораздо более низких скоростях закалки и при этом является очень эффективным замедлителем рекристаллизации.
Кастинг. Более высокие скорости замораживания были бы желательны для уменьшения расстояния между дендритными плечами и, следовательно, облегчения растворения растворимых вторых фаз во время гомогенизации. Кроме того, за счет более быстрого замораживания в растворе может сохраняться большее количество фаз с низкой растворимостью. Впоследствии они будут осаждаться, но в виде относительно мелких частиц. Однако, как правило, мало что можно сделать для увеличения скорости замораживания, поскольку слиток должен иметь достаточную толщину для экономичного производства деформируемого материала, а предотвращение растрескивания слитка часто достигается за счет уменьшения охлаждения. Для некоторых продуктов, таких как продукты, полученные методом порошковой металлургии или из небольших слитков, может оказаться возможным значительно изменить распределение нерастворимых частиц.
Гомогенизация. Желательно достичь адекватной гомогенизации, хотя это не всегда необходимо, поскольку для удаления растворимых частиц второй фазы важна способность возвращать растворимые элементы в раствор во время термообработки раствора. Однако хорошего растворения легче достичь, если растворимые элементы находились в растворе в какой-то момент во время обработки. Для более тонких изделий в этом может не быть необходимости, поскольку крупные частицы могут быть разрушены во время изготовления, и поэтому их легче вернуть в раствор во время промежуточного отжига или во время термообработки раствора. Для осаждения Cr, Zr или Mn из твердого раствора также необходима гомогенизация или промежуточный отжиг. Это важный этап обработки, поскольку размер и распределение этих частиц определяют конечную степень перекристаллизации.
Методы изготовления. В целом, желая избежать короткого замыкания при нагреве, желательно поддерживать высокую рабочую температуру. Это помогает свести к минимуму перекристаллизацию после термической обработки раствором, что повышает прочность и устойчивость к коррозии под напряжением.
На прочность может влиять сочетание скорости закалки и наличия субзерен или структуры при горячей обработке. Они показали, что внешние слои прессованной экструзии, хотя и не перекристаллизованные, имели более низкие свойства, чем сердцевина. Это они приписали образованию зародышей MgZn2 на высокоугловых границах во внешних областях во время закалки. То есть внешние слои были более чувствительны к закалке, чем сердцевина.
Термическая обработка и старение раствора. Для достижения оптимальной ударной вязкости термообработку раствора следует проводить при как можно более высокой температуре, хотя следует избегать чрезмерного плавления. Для увеличения растворения растворимых элементов можно использовать либо увеличенное время, либо температуру. Как правило, через несколько часов дальнейшие улучшения не выполняются. Как правило, можно добиться большего растворения при использовании более высоких температур, а не более длительного времени.
Наиболее желательными являются небольшие когерентные осадки, особенно для сплавов Al-Cu-Mg. Однако, если для хорошей стойкости к коррозии под напряжением и отслаиванию необходимы выдержанные температуры, выбор метода старения невелик. Можно ожидать некоторых преимуществ от использования как можно более низкой температуры старения в соответствии с разумным временем старения. Для сплавов Al-Zn-Mg-Cu желательно проводить двухступенчатое старение.
