ИЗУЧЕНИЕ МИКРОСТРУКТУРЫ И СВОЙСТВ СПЛАВА Д16 ПОСЛЕ СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ

Новый метод получения сварных соединений, получивший название сварка трением с перемешиванием (СТП), был разработан Британским институтом сварки (TWI) в 1991 г. Интенсивное изучение данного метода, связанное с необходимостью совершенствования технологии и оборудования, позволило его внедрить за рубежом в производство высокотехнологичных изделий для вагоно-, судо-, авиастроение и т.д. Сварка трением с перемешиванием относится к процессам соединения материалов в твердой фазе и поэтому лишена недостатков, связанных с расплавлением и испарением металла [1].

Настоящая работа посвящена изучению сплава дюралюминий Д16, который благодаря своим физико-механическим свойствам превосходно деформируется в горячем или холодном состоянии, а поэтому широко используется при изготовлении труб, прутков, профилей, заклепок и листов. Так, листы и прессованные заготовки нашли широкое применение в авиации, из них изготавливают обшивку, детали каркасов, шпангоуты и тяги управления для самолетов.

Несмотря на широкое применение традиционных методов сварки их применение для сваривания изделий из сплава Д16 связано с некоторыми проблемами, которых лишен метод сварки трением с перемешиванием [2]. В этой связи требуются дополнительные исследования особенностей применения СТП соединений сплава Д16.

Химический состав исследуемого алюминиевого сплава Д16 приведен в таблице 1, а также ниже в таблице 2 приведены некоторые важные для реализации качества исследования исходные данные о состоянии сплава. [3]

Таблица 1.

Химический состав сплава Д16 [4]

Сплав Д16 имеет плотность, равную 2800 кг/м³, твердость HB 10 ^-1 = 42 МПа, получен в результате термообработки ‒ закалки при 485-503 °С (прессованные изделия), старения при t =180°C около 68 часов.

Таблица 2.

Механические свойства сплава Д16 [4]

Для исследования микроструктуры сплава методом оптической (световой) микроскопии образец неразъемного СТП соединения листового проката алюминиевого сплава Д16 был вырезан в поперечном сечении, затем был подвергнут грубой обработке наждачной бумагой разной зернистости (p400-p2000). Далее была произведена полировка алмазной пастой и промывание дистиллированной водой. Для вытравливания зерен был использован реактив Келлера составом: HF – 1 %, HCl - 1,5 %,  - 2,5 %,  – 95 %. Микроструктура поверхности сплава сварного изучена с помощью оптического микроскопа «Альтами МЕТ 1С». Были проведены измерения микротвердости микротвердометром ПМТ3 по методу Виккерса по всей длине образца с шагом 1мм, нагрузкой 50 г и временем выдержки 12 с.

На рисунке 1 представлено составное макроскопическое изображение неразъемного СТП соединения листового проката алюминиевого сплава Д16.

Рисунок 1. Составное макроскопическое изображение неразъемного СТП соединение листового проката алюминиевого сплава Д16.

1 – зона перемешивания (ЗП), 2 – зона термомеханического воздействия (ЗТМВ), 3 – зона термического воздействия (ЗТВ).

Микротвердость измерялась вдоль черной пунктирной линии

На рисунке 1 обнаруживается зонное строение металла вблизи шва 4-х характерных типов.

1. Зона перемешивания (ЗП), в которой непосредственно располагается сварочный шов (для нее характерен самый маленький размер зерна и, как следствие, самая большая прочность, объясняемые процессом рекристаллизации зерен).
2. Зона термомеханического влияния (ЗТМВ), расположенная вблизи от сварочного шва и сформированная в результате деформации и интенсивного теплоообмена с зоной с зоной перемешивания. Для этой зоны характерно изменение формы зерен в результате частичной рекристаллизации и в меньшей степени его размеров. Структура зоны характеризуется небольшой потерей прочности.
3. Зона термического влияния (ЗТВ), в которой зерна не деформируются, но принимают на себя часть тепла (энергии) от ЗП и ЗТМ. Зерна в этой зоне визуально не отличаются от зерен основного металла, однако здесь они характеризуются большей твердостью, и легче подвергаются травлению. Рекристализация зерен не происходит.
4. Основной металл – зона, которая не подвергалась никаким термическим или механическим воздействиям. Представляет собой структуру исходного металла.

Был проведен сравнительный анализ размера и формы зерна в соответствии с зонами, представленными на рисунке 1.

На рисунке 2 представлена микроструктура ЗП СТП соединения сплава Д16. Структура мелкозернистая со средним размером зерна d= 9,1±6,4 мкм (рис. 3).

Рисунок 2. Микроскопическое изображение микроструктуры зоны перемешивания в сплаве Д16

Неоднократное травление позволило установить, что зерна в этой области очень хорошо вытравливаются, особенно, когда сплав сваривается с таким же сплавом.

Рисунок 3. Распределение зерен по их размерам в зоне перемешивания

В зоне основного металла наблюдаются вытянутые зерна крупного размера порядка d= 132,7±22,2 мкм. Из изображений ЗП при больших увеличениях получено распределение зерен по размеру в этой области (рис. 4).

Рисунок 4. Распределение зерен по их размерам в зоне основного металла

Данная область характеризуется большим наличием частиц второй фазы, которые выпадают в процессе пробоподготовки образца, ввиду чего на изображении имеются ямки в виде черных точек и полос (рис. 5)

Рисунок 5. Изображение микроструктуры зоны основного метала в сплаве Д16

Как видно из гистограмм распределения размеров зерна в ЗП и ОМ, в первом случае размер зерна меньше, чем во втором. Таким образом, твердость материала в зоне перемешивания выше, чем в области основного металла. Это следствие можно подтвердить из закона Холла-Петча (σ_Τ = σ₀ + Kd^−1/2).

В работе были проведены измерения микротвердости на расстоянии, равноудаленном от поверхностей по всей длине поперечного сечения шва (рис. 1). По опытным данным была составлена таблица 2.

Таблица 2.

Результаты измерения микротвердости по всей длине поперечного сечения шва при сварке трением с перемешиванием сплава Д16

Для наглядности была построена зависимость микротвердости от расстояния х на образце от центральной линии шва (рисунок 6).

Рисунок 6. Распределение микротвердости в поперечном сечении СТП соединения алюминиевого сплава Д16

Из рисунка 3 видно, что микротвердость в ЗП изменяется скачкообразно. Возможно, в месте спада значений происходило неравномерное перемешивание металла. Изучение характера изменения микротвердости позволило выявить резкий спад ее значений в ЗТМВ и увеличение ее значений в ЗТВ.

Из гистограмм распределения зерен по размерам видно, что в зоне перемешивания зерно много мельче, чем в зоне основного металла, а именно, в 2,86 раз. Анализ зеренной структуры металла позволил констатировать выполнение закона Холла-Петча: чем меньше зерно, тем больше его прочность, что также подтверждается характером распределения  микротвердости. Так, в зоне перемешивания наблюдается рост микротвердости, в зоне термомеханического воздействия его уменьшение, в зоне термического воздействия – небольшое увеличение (основной металл не был подвержен никаким воздействиям и, соответственно, прочность там осталась на том же уровне значений, что и в первоначальном образце).

Список литературы:

1. Санкт-Петербургский университет имени Петра Великого [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://www.spbstu.ru, свободный. – Загл. с экрана;
2. Цветной металлопрокат  [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://cu-prum.ru, свободный. – Загл. с экрана.
3. В.И. Лукин Сварка трением с перемешиванием высокопрочного алюминиево-литиевого сплава В-1469 В.И. Лукин, И.П. Жегина, В.В. Овчинников и другие // Сварочное производство. – 2012. – №4.
4. Характеристики АМг5 [Электронный ресурс] – Режим доступа: http://metallicheckiy-portal.ru/marki_metallov/alu/AMg5/, свободный. – Загл. с экрана.