SPECYFIKA ZJAWISK STRUKTURALNYCH WYSTĘPUJĄCYCH PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO PLASTYCZNEJ STOPÓW NA BAZIE FAZY Z UKŁADU Fe-Al

Transkrypt

1 14/42 Solidification o f Metais and Alloys, Year 2000, Volume 2, Book No 42 Krzepnięcie Metali i Stopów, Rok 2000, Rocznik 2, Nr 42 PAN-Katowice, PL ISSN SPECYFIKA ZJAWISK STRUKTURALNYCH WYSTĘPUJĄCYCH PODCZAS OBRÓBKI CIEPLNO PLASTYCZNEJ STOPÓW NA BAZIE FAZY Z UKŁADU Fe-Al Stanisław JÓŹ:WIAK, Tomasz CZUJKO, Zbigniew BOJAR Wojskowa Akademia Techniczna ul. S.Kaliskiego 2, Warszawa STRESZCZENIE: W pracy przedstawiono zjawiska zaobserwowane podczas plastycznego odkształcania odlewniczych stopów z układu Fe-Al. Badaniom poddano stop Fe 3 Al, dla którego określono temperaturę rekrystalizacji oraz zaobserwowano zjawisko spadku umocnienia w zakresie temperatur zdrowienia. Badano również stop FeAl, w którym podczas odkształcania plastycznego zaobserwowano szereg zjawisk wydzieleniowych. WSTĘP Stopy intermetaliczne z układu Fe-Al są zaliczane do grupy nowych materiałów potencjalnie przydatnych do zastosowania w wysokiej temperaturze lub środowisk u agresywnym. Materiały te, bazujące na fazach FeAl (struktura B2) lub/i Fe 3 Al (struktura D0 3 ) trwałych w szerokim przedziale zawartości aluminium (36-50%at.), od temperatury pokojowej, aż do temperatury topnienia (faza FeAl). Niski koszt wytwarzania, wysoki moduł sprężystości postaciowej, wysoka wytrzymałość właściwa [3], doskonała odporność na utlenianie i odporność na korozję [4] powodują, iż stopy te są atrakcyjnym materiałem do zastosowania w wysokiej temperaturze jako materiały odporne na ścieranie lub w wielu przypadkach jako potencjalny zamiennik stali nierdzewiejących. Podstawową wadą tych stopów jest sk łon n ość do grubozia rni stości w procesie krystalizacji, co powoduje znaczne obniżenie właściwości plastycznych

2 126 w temperaturze otoczenia [5]. Poprawę plastyczności tych tworzyw konstrukcyjnych można uzyskać między innymi poprzez modyfikację struktury krystalicznej, najczęściej poprzez rozdrobnienie grubokrystalicznej struktury ziarnistej. W niniejszej pracy przedstawiono zjawiska zaobserwowane podczas prób obróbki cieplno-plastycznej intermetalicznych stopów z układu Fe-Al. Wpływ obróbki cieplno-plastycznej na strukturę i mikrotwardość stopu na bazie Fe 3 AI Badania prowadzono na stopie międzymetalicznym, składzie chemicznym podanym w tablicy l. na bazie fazy Fe 3 AI o Tabela l. Skład chemiczny badanego stopu na bazie Fe 3 AI Zawartość pierwiastka[% wag.] Fe Al Cr N b Zr w B Ni Mo c s Obróbkę cieplno plastyczną realizowano poprzez walcowanie próbek do wartości zgniotu l 0% i wygrzewanie w temperaturach oc przez l godzinę, w atmosferze ochronnej argonu. Badania strukturalne prowadzono na polerowanych i trawionych (33% CH 3 COOH + 33% HN % H l% HF) zgładach metalograficznych, wykorzystując mikroskop typu Neophot 2 oraz stosując (ze względu na grubokrystaliczność materiału) powiększenie 80x. Pomiary zmian wartości umocnienia próbek w efekcie obróbki cieplnoplastycznej realizowano za pomocą mikrotwardościomierza Shimadzu, przy obciążeniu l 00 G. Materiał rodzimy w stanie lanym charakteryzował się gruboziarnistą, nierównoosiową strukturą, przy maksymalnej średnicy ziaren dochodzącej nawet do l mm (rys. l a). W wyniku procesu walcowania stwierdzono wyraźne efekty odkształcenia plastycznego w postaci zmiany geometrii poszczególnych krystalitów (rys. 2b). Rekrystalizacji materiału towarzyszyło znaczne rozdrobnienie struktury w stosunku do stanu lanego (ok. 10-cio krotne zmniejszenie średnicy) oraz wyraźne ujednorodnienie morfologiczne, zarówno pod względem wielkości jak i kształtu (rys. l d). Na szczególną uwagę zasługuje fakt, iż spadek umocnienia materiału następuje już po obróbce temperaturze 700 C podczas gdy zmiany strukturalne obserwuje się dopiero przy temperaturze 800 C. Zjawisko znacznego obniżenia wartości mikrotwardości materiału (do poziomu po rekrystalizacji) podczas

3 127 wygrzewania w temperaturze zdrowienia opisano w pracy [l] gdzie badano rekrystalizację statyczną stopu FeAI po obciążeniu wybuchowym. Efekt ten, nietypowy dla powszechnie znanych tworzyw metalicznych, wyjaśniano w oparciu o zjawisko anihilacji defektów punktowych (głównie wakansów) silnie przesycających stopy intermetaliczne po obciążeniu wybuchowym. Podobny efekt zaobserwował Cahn [2] dla innej grupy stopów międzymetalicznych ((Co 78 Fe 22 )JV) tłumacząc powyższe zjawisko zmianą stopnia uporządkowania. Jednakże jednoznaczne wyjaśnienie anormalnego mięknięcia stopów na bazie Fe 3 AI w temperaturze poniżej temperatury rekrystalizacji, na obecnym etapie badań jest jeszcze niemożliwe. Rys. l. Mikrostruktura stopu na bazie Fe 3 AI w stanie lanym (a), po walcowaniu (b) oraz po wygrzewaniu w temperaturach 750 C (c) i 800 C (d)

4 o 350 c - > 325 == '"' o "O t o f!spadek umocnienia l ~/l " 1 Rekrystalizacja l "' ~ 250 _t ~/~ ~ 2 Stanlany Po walcowaniu 7 ( 1( ) 750 IWO X 50 mo Temperatura wygrzewania l q Rys. 2. Mikrotwardość stopu na bazie Fe 3 Al w stanie lanym, po walcowaniu wygrzewaniu w różnych temperaturach Zjawiska zaobserwowane podczas plastycznego odkształcania stopów FeAI Badania przeprowadzono na stopie o składzie chemicznym Fe-40% (at.)ai. Materiał wyjściowy stanowiły odlewy uzyskane poprzez topienie i odlewanie próżniowe. W celu usunięcia niejednorodności chemicznej przeprowadzono dwustopniową obróbkę cieplną badanych odlewów (Fe-40% at.al), która składała Się z: wyżarzania homogenizującego- przeprowadzonego w temperaturze l 000 C w obojętnej atmosferze argonu w czasie 5h. odprężania, przeprowadzonego w temperaturze 400 C w atmosferze powietrza w czasie l OOh (w celu zminimalizowania ilości defektów punktowych). Po takiej obróbce cieplnej wielkość ziarna osnowy (Fe-40% at. Al) wynosiła około 2 mm oraz stwierdzono pojawienie się wydzieleń faz Fe 2 AI 5, FeAh oraz drobnodyspersyjnych, równomiernie rozmieszczonych w całej objętości stopu wydzieleń fazy Fe 3 Al (rys. 3). Tak przygotowany materiał wyjściowy poddano obróbce plastycznej na gorąco, na którą złożyły się próby: młotkowania na gorąco w temperaturze 1200 C, walcowania na gorąco z temperatury l 000 C, prasowania wypływowego w temperaturze 900 C, ściskania na gorąco w temperaturze od 200 do 700 C.

5 129 ~ ~ '-. ili-t 1... "' f. j ~. J l... '..-' \ Rys. 3. Struktura odlewniczego stopu FeAl po obróbce cieplnej Próby odkształcenia plastycznego stopu Fe-40%at.AI za pomocą trzech pierwszych metod jak i ściskanie w temperaturze do 500 C zakończyły się niepowodzeniem. W badanym stopie pojawiały się pęknięcia, głównie po granicach ziaren (rys. 4). Rys. 4. Pękanie stopu Fe-40%at.AI podczas odkształcania plastycznego

6 130 Przyczyn tego zjawiska jest kilka, a do najważniej szy ch należą: gruboziarnista struktura osnowy, wydzielenia twardych i kruchych faz Fe 2 AI 5 i FeAh, porowatości odlewów oraz zjawisko kruchości wodorowej (rys. 5) [6]. Rys. 5. Wady struktury krystalicznej stopu Fe-40%at.AI powstałe w procesie odlewania Jednakże obserwując mikrostrukturę stopu Fe-40%at.AI śc i s kanego w przedziale temperatur C, a także posiłkując się wynikami mikroanalizy chemicznej stwierdzono powstawanie :zjawisk wydzieleniowych w objętości podstawowej fazy FeAI stanowiącej osnowę stopu. W temperaturze 300 C przy zadanych naprężeniach ściskających rzędu 900 MPa, drobnodyspersyjna faza Fe 3 AI przebudowuje się morfologicznie w kubiczne wydzielenia o wielkości rzędu ljlm., natomiast sferoidalna (po wyżarzaniu) faza FeA1 2 zamienia s ię w dwuwymiarowe (płytkowe) wydzielenia zlokalizowane w pobliżu regularnych cząstek Fe 3 AI (rys. 6.). Zwiększenie temperatury odkształcania prowadzi do rozrostu cząstek fazy Fe 3 AI oraz do ich stopniowej przebudowy w sferoidalne wydzielenia o składzie bliskim czystemu żelazu (Fe), o wielkości rzędu l OJ..tm. Jednocześnie płytkowe wydzielenia fazy FeAh zostają wzbogacone w aluminium, i tym sposobem obok sferoidalnych cząstek praktycznie czystego żelaza identyfikowane są płytki fazy Fe 2 AI 5 (rys. 7.).

7 131 Rys. 6. Struktura stopu Fe-Al 40%at. po ściskaniu w temp.300 C 1 t" v ~ rł(jt M<~tJn DPI wu 1 ~p 1 o ttrn ;' f...., ( Rys. 7. Struktura stopu Fe-Al 40% at. po ściskaniu w temp.700 C

8 132 odlew po wyżarzaniu osnowa Fe Al faza FezAis drobnodyspersyjna faza Fe 3 AI ściskanie Rys. 8. Schemat zjawisk wydzieleniowych zachodzących w stopie Fe-40%at.AI podczas ściskania w temperaturach z zakresu C

9 133 Podwyższona temperatura oraz naprężenia ściskające sprzyjają redystrybucji składników stopowych badanego materiału (Fe-40% at. Al) na drodze dyfuzji. Obserwuje się też drobnodyspersyjnej fazy Fe 3 AI (która umacniała osnowę do temperatury około 300 C) co prowadzi do obniżenia wytrzymałości na ściskanie. Dalsza dyfuzja atomów aluminium z fazy Fe 3 Al do FeAiz tworzy wydzielenia Fe 2 AI 5 i prowadzi do powstania wydzieleń czystego żelaza (rys. 8.) dzięki czemu wzrasta plastyczność tego materiału [7]. WNIOSKI Możliwa jest obróbka plastyczna na zimno stopów na osnowie fazy międzymetalicznej Fe 3 AI, a następujący po niej zabieg rekrystalizacji gwarantuje uzyskanie równoosiowej, drobnokrystalicznej mikrostruktury. Proces rekrystalizacji stopów intermetalicznych na bazie fazy Fe 3 Al jest poprzedzony przez zjawisko znaczącego spadku mikrotwardości już w temperaturze zdrowienia. Na podstawie przeprowadzonych prób ściskania, oraz obserwacji mikroskopowych i mikroanalizy składu chemicznego można postawić tezę, i ż materiał na bazie fazy intermetalicznej FeAl o zawartości 40% at. Al, odkształca się plastycznie dzięki zjawiskom wydzieleniowym, zachodzącym na drodze specyficznej dyfuzji atomów aluminium, co prowadzi do wzrostu plastyczności w temperaturach powyżej 500 C oraz monotonicznego obniżenia wytrzymałości na ściskanie w temperaturach powyżej 300 C. Zjawiska związane ze s pecyfic z ną przebudową cząstek Fe 3 AI podlegają dalszym badaniom. LITERATURA l. J.Bystrzycki, R.A.Varin, Anomalous softening behaviour prior to static recrystalization of shock-wave deformed FeAl intermetallic alloys. Scripta Materialia, Vol.38, No. 3, pp , R.W.Cahn, M.Takeyama, J.A.Horton, and C.T.Liu, J.Mater. Res. 6, 57 (199 l) 3. U. Prakash, R. Buckley, H. Jones, C. M. Sellars, ISIJ lnt. 31 (1991) S.Jóźwiak, Z.Bojar, J.Bystrzycki, Krzepnięcie metali i stopów-pan , Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole. s.l Dingqiang Li, DongJiang Lin (T. L. Lin), Yi Li u l, Mater. Sci. Eng. A249 (1998) W.Mróz, S.Jóźwiak, Z.Bojar, J.Bystrzycki i inni, Krzepnięcie metali i stopów PAN , Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole. s S.Jóźwiak, Z.Bojar, T.Chmielewski, W.Mróz, Krzepnięcie metali i stopów PAN , Katowice, Bielsko-Biała, Częstochowa, Opole. s