книги / Алюминий и его соединения структурные характеристики, теплофизические, и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трени
..pdf
сечению шва меньше твердости остальных зон сварного шва. На основании установленных изменений твердости в процессе СТП и последующего естественного старения в верхней, центральной и донной частях сварного шва были выделены участки 1–7, как показано на рис. 29.
Рис. 29. Усредненное распределение твердости в поперечном сечении сварного шва при удельном давлении, МПа: а – 230; б – 205; в – 180. Измерение твердости: 
– в верхней части сварного шва;
– в центральной части шва; 
– в донной части шва
81
На набегающей стороне размер рекристаллизованных удлиненных зерен в направлении от основного материала к ЗТВ уменьшается от 80 до 25 мкм (рис. 30, 1, 2). Зона термомеханического влияния (ЗТМВ) и ядро состоят из равноосных зерен (рис. 30, 3). В ядре на НС и СС обнаружены зоны Гинье – Престона – Багаряцкого (ГПБ) (рис. 30, 4, 5). Порядок расположения атомов в ГПБ подобен порядку расположения атомов в стабильной S(Al2CuMg)-фазе с сильными упругими искажениями на границе зона – матрица. Кристаллическая решетка ГПБ полностью сопряжена с решеткой матрицы [93].
|
(1) ОM |
(2) ЗТВ |
(3) ЗТВ / ЗТМВ / Ядро |
(4) Ядро |
|
||
НС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
20 μm |
60 μm |
20 |
μm |
|
|
60 μm |
|
||||
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(5) Ядро |
(6) ЗТМВ |
/ ЗТВ/ ОM |
(7) ОM |
|
||
СС |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6 мкм |
|
300 мкм |
300 мкм |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Рис. 30. Микрофотографии участков 1–7 на профилях твердости (см. рис. 29, а)
Область 1 показывает протяженность снижения твердости в ядре с 140 HV на НС до 90 HV на СС в связи с уменьшением количества выделяющихся наноразмерных выделений. Твердость ЗТВ и ЗТМВ на сбегающей стороне уменьшается до твердости основного материала в связи с укрупнением зерен (см. рис. 30, 6).
Динамика повышения твердости сварного шва по сечению при увеличении удельного давления приведена в табл. 7. При понижении удельного давления уменьшается ширина шва в донной области с 9 мм при 230 МПа до ~8,0 мм при 180 МПа и наблюдается сдвиг корня шва вправо. Снижение твердости от верхней к донной части
82
шва вызвано неоднородным перемешиванием материала в процессе СТП, увеличением дефектов кристаллического строения (дислокаций) и коагуляцией выделившихся фаз, вследствие уменьшения температурыимеханическоговоздействия.
Таблица 7
Твердость сварного шва по сечению в зависимости от удельного давления (HV)
qр, МПа |
|
Части сварного шва |
|
|
верхняя |
центральная |
донная |
||
|
||||
180 |
125 |
105 |
95 |
|
205 |
140 |
110 |
100 |
|
230 |
140–145 |
130–135 |
118–120 |
Рис. 31. Выделение упрочняющей фазы CuAl2 в основном материале
Установлено, что твердость основного материала в нормальном направлении от верхней части образца повышается на 5–8 HV, а в поперечном направлении при удалении на 18–19 мм от центральной линии сварного шва – на 8–10 HV. Для объяснения данного изменения твердости съемка образцов в донной части сварного шва была проведена параллельно плоскости прокатки (рис. 31). В области полос скольжения, ориентированных в направлении
83
прокатки, обнаружены выделения упрочняющей стабильной фазы CuAl2, повлекшие за собой повышение твердости основного материала в донной части сварного шва. Полосы скольжения в средней и верхней части шва не обнаружены.
5.2. Элементный состав шва в зависимости от величины удельного давления на инструмент
Меньшая твердость сварного шва в донной области по сравнению с другими частями также объясняется наличием пор и другим химическим составом, вызванным неоднородным перемешиванием материала в процессе СТП (см. границу между центром и дном сварного шва на рис. 28). Результаты рентгеноспектрального анализа зон сварных швов приведены в табл. 8.
Таблица 8
Химический состав сварного шва в зависимости от удельного давления на инструмент
|
Содержание, мас. %, при удельном давлении |
||
Элемент |
|
на инструмент qp |
|
|
180 МПа |
205 МПа |
230 МПа |
Si |
0,38 |
0,38 |
0,39 |
Fe |
0,47 |
0,48 |
0,47 |
Cu |
5,10 |
5,15 |
5,00 |
Mn |
0,37 |
0,37 |
0,39 |
Mg |
1,16 |
1,18 |
1,21 |
Cr |
0,008 |
0,007 |
0,007 |
Zn |
0,02 |
0,02 |
0,02 |
Ti |
0,03 |
0,06 |
0,06 |
Другие |
0,07 |
0,03 |
0,03 |
Al |
Основа |
Основа |
Основа |
Сварной шов по химическому составу отличается от основного материала АА2024-О только по содержанию меди. Установлено незначительное превышение на 0,1–0,2 % содержания меди в сварных соединениях относительно основного материала.
Повышение удельного давления на инструмент приводит к росту температуры в ядре сварного шва, повышению степени пе-
84
ремешивания его материала, измельчению зерна до 2–10 мкм, формированию симметричного сварного шва, образованию на начальном этапе старения наноразмерных зон ГПБ и, в конечном итоге, к повышению твердости сварного шва и минимальному снижению твердости к его донной части.
Фазовые изменения, приводящие к росту твердости, протекают только при оптимальном удельном давлении на инструмент. В ядре сварного шва образуются наноразмерные зоны ГПБ, порядок расположения атомов в которых подобен расположению атомов в стабильной S(Al2CuMg)-фазе с сильными упругими искажениями на границе зона – матрица. В основном материале упрочняющая стабильная фаза CuAl2 выделяется в донной части шва, как в нормальном, так и в поперечном направлении.
В интервале удельного давления 180–230 МПа химический состав сварного шва отличается от основного материала АА2024-О только по содержанию меди на 0,1–0,2 %.
Ослабление сварного шва вызвано уменьшением температуры и механического воздействия, приводящее к неоднородному перемешиванию материала в процессе СТП, увеличению дефектов кристаллическогостроения(дислокаций) икоагуляцииупрочняющихфаз.
Для изучения механизма пористости продольного сечения сварного шва пористость исследовали вдоль двух параллельных дорожек 1 и 3, образованных отпечатками алмазной пирамиды в процессе замера микротвердости [76] (рис. 32, а). Информацию об исследуемой поверхности снимали с помощью микроскопического модуля автоматизированного микротвердомера DuraScan 70 при увеличении 400 крат с постоянной разверткой 1280 × 1024 px и размером пикселя ~129 нм. Место для съемки строго выбирали над и под отпечатком Викерса. Для изучения изменения пористости продольного сечения сварного шва по его высоте экспериментальные образцы были разрезаны на три тестовых образца параллельно направлению движения инструмента (рис. 32, б). Использована разрезная машина Discotom-50 (Struers). Для проведения исследований пористости поперечного сечения сварного шва по его длине
85
а
б
в
Рис. 32. Схема разрезания пластин AA2024-Т4 для исследования пористости продольного сечения сварного шва: а – в направлении от дорожки 1 к 3; б – по высоте сварного шва – в направлении от сечения I к III (шов получен при удельном давлении 180 МПа) [92]; в – в направлении
от сечения IV к VI
86
экспериментальные образцы были разрезаны на три тестовых образца перпендикулярно направлению движения инструмента (рис. 32, в). Исследование пористости до и после травления проведено на аналитическом автоэмиссионном электронном микроскопе Ultra 55 с EDX энергодисперсионным анализатором.
Продольные сечения шва (I – верхнее, II – среднее, III – нижнее) и поперечные сечения шва (IV – начальное, V – среднее, VI – конечное) полученыпометодике, изложеннойвподразд. 4.2.
EDX анализ проведен на аналитическом автоэмиссионном электронном микроскопе Ultra 55 с EDX энергодисперсионным анализатором.
Исследование механизма формирования пористости в продольном сечении сварного шва в зависимости от удельного давления на инструмент. Для изучения механизма пористости в продольном и поперечном сечениях сварного шва были установлены протяженности его зон (рис. 33), которые согласуются с аналогичными результатами, полученными при исследовании влияния удельногодавлениянамикротвердостьсварного шва[76].
а
б
Рис. 33. Перевернутый относительно X-направления образца полюсной рисунок для набегающей (а)
исбегающей стороны (б) (EDX анализ)
Вверхнем продольном сечении сварного шва при 180 МПа наблюдается экстремально большое количество макропор с размерами
87
более1 мм, чтотипичнодлянабегающейстороныпринедостаточном удельном давлении на инструмент [11] (рис. 34, а). В направлении движения инструмента макропоры уменьшаются до одиночных мезопор с размерами около 150–200 мкм (рис. 34, б, рис. 35, а) и строчных микропор, строго ориентированных в направлении движения инструмента, сразмерамиоколо50–100 мкм(рис. 34, б, рис. 35, б–г).
аб
Рис. 34. Увеличенные фрагменты рис. 32, а:
1 – одиночные макропоры, 2 – строчные микропоры (сварной шов получен при удельном давлении 180 МПа)
аб
вг
Рис. 35. Мезоимикропоры: а– одиночнаямезопора; б, в, г– микропоры (сварной шов получен при удельном давлении 180 МПа)
88
Рис. 36. Средняя доля микропор в верхнем продольном сечении шва (см. рис. 32, б). Дорожки изображены на рис. 32, а: 
измерения твердости проведены на 1-й дорожке сварного шва, полученного при 205 и 230 МПа, и 2-й дорожке – при 180 МПа; 
измерения твердости проведены на 3-й дорожке сварного шва, полученного при 205 и 230 МПа. Средняя доля микропор в нижнем продольном сечении шва (см. рис. 32, б). Дорожки изображены на рис. 32, а: 
измерения твердости проведены на 1-й дорожке сварного шва, полученного при 205 и 230 МПа; 
измерения твердости проведены на 3-й дорожке
сварного шва, полученного при 205 и 230 МПа
В верхнем продольном сечении в начальной области сварного шва (рис. 36) с ростом удельного давления с 180 до 205 и 230 МПа наблюдается понижение доли микропор на 1,7 и 3,5 % соответст-
89
венно. При оптимальном удельном давлении 230 МПа доля микропор в нижнем продольном сечении шва понижается с 1–4,2 до
0,1–0,6 % (см. рис. 36).
Микропористость нижнего продольного сечения менее чувствительна к изменению удельного давления. Исключением служит сварной шов, полученный при 205 МПа. Во всех продольных сечениях сварного шва максимальноеколичество микропор образуется в ЗТМВ, ЗТВ и в основном металле, находящемся под воздействием опорного бурта. Повышенная пористость вызвана выкрашиванием упрочняющей фазы в данных зонах вследствие градиента температур на границе ЗТВ – основной материал (рис. 37). Повышенная пористость в данных зонах могла быть также вызвана влагой и/или углеводородаминаповерхностисвариваемыхпластин.
Рис. 37. Выкрашивание упрочняющей фазы в основном материале около ЗТВ
Доля микропор в продольном сечении по высоте сварного шва определена путем сравнения доли микропор вдоль дорожек замеров микротвердости в верхнем и нижнем продольном сечении шва. Микропоры в верхнем продольном сечении шва преобладают по сравнению с нижним продольным сечением шва при удельных давлениях 180 и 230 МПа. Обратное явление наблюдается также в сварном шве, полученном при 205 МПа. Установлено, что для уменьшения доли микропор верхнего продольного
90