Strengthening Mechanisms in the Surface Layer of Duralumin Modified by a High Current Pulsed Relativistic Electron Beam

Abstract

Досліджено механізми зміцнення поверхневого шару алюмінієвого сплаву Д16AT, опроміненого сильнострумовим релятивістським електронним пучком. Сплав опромінювали електронним пучком з енергією частинок 0,35 МеВ, струмом пучка 2,0 кА та тривалістю імпульсу 5 мкс. У статті показано, що обробка сильнострумовим релятивістським електронним пучком алюмінієвого сплаву Д16AT призводить до оплавлення опроміненої поверхні та утворення поверхневого шару з модифікованим структурно-фазовим станом. Товщина шару складає приблизно 100 мкм. Основною фазою цього шару є твердий розчин на основі алюмінію, а інтерметалідні фази, які були присутні у вихідному стані сплаву, не виявляються методами рентгенівської дифрактометрії. Встановлено, що обробка поверхні сплаву Д16АТ імпульсним електронним пучком призводить до подрібнення зерна. У вихідному стані сплаву середній розмір зерен складає 11 мкм, а у модифікованому шарі середній розмір зерна складає приблизно 0,8 мкм. Мікротвердість опроміненого шару збільшується майже на 50 %. Проаналізовано внесок різних механізмів зміцнення у зміну міцнісних характеристик модифікованого поверхневого шару. Показано, що для сплаву у вихідному стані основний внесок у зміцнення дає дисперсійний механізм, тоді як ключову роль у збільшенні мікротвердості модифікованого опроміненням шару відіграє дислокаційний механізм зміцнення. Обговорюється значення цих спостережень для термомеханічної обробки алюмінієвих сплавів з метою подальшого підвищення характеристик їх міцності.

The mechanisms of strengthening of the surface layer of D16AT aluminum alloy irradiated with a high-current relativistic electron beam were studied. The alloy was irradiated with an electron beam with a particle energy of 0.35 MeV, a beam current of 2.0 kA, and a pulse duration of 5 μs. This article shows that the processing of D16AT aluminum alloy by a high-current relativistic electron beam leads to melting of irradiated surface and the formation of a surface layer with a modified structural-phase state. The thickness of this layer is approximately 100 µm. A solid solution based on aluminum is the main constituent of this layer. At the same time, intermetallic phases that were present in the initial state of the alloy cannot be detected by means of X-ray diffractometry. It was established that processing of the surface of D16AT alloy with a pulsed electron beam leads to grain refining. In the initial state of the alloy, the average grain size is 11 µm. In the modified layer, the average grain size is approximately 0.8 µm. The microhardness of the irradiated layer increases by almost 50 %. The contribution of different strengthening mechanisms to the change of strength characteristics of the modified surface layer was analyzed. It was shown that the dispersion mechanism makes the main contribution to the strengthening of the alloy in the initial state. While the dislocation mechanism of strengthening plays a key role in increasing the microhardness of the irradiated layer. The importance of these observations for thermomechanical processing of aluminum alloys in order to further improve their strength characteristics was discussed.