Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Наиболее распространенный алюминиевый сплав, упрочняемый термической обработкой – это дуралюмин. Дуралюмины – это сплавы Al-Cu-Mg в которые дополнительно вводят Mn. Типичным дуралюмином является сплав Д1, содержащий 3,8-4,8%Cu, 0,4-0,8% Mg, 0,4-0,8%Mn, а также постоянные примеси Si и Fe меньше 0,7%. Однако производство его постоянно сокращается из-за сравнительно низких механических свойств. Вместо него все чаще (особенно для профилей) используется сплав Д16 с более высоким содержанием Mg (1,2-1,8%).

Дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием и хорошо свариваются точечной сваркой.

Применяются дуралюмины для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности (σ_В =410-490МПа у Д1 и σ_В =440-540МПа у Д16 в состаренном состоянии), требующих долговечность при переменных нагрузках; в строительных конструкциях, не требующих высокой коррозионной стойкости; в самолетостроении (обшивка, шпангоуты, стрингеры и лонжероны самолетов) и т.д.

Дуралюмин, изготавливаемый в листах, для защиты от коррозии подвергают плакированию (покрытию тонким слоем Al высокой чистоты). Однако прочность при этом снижается ~на 80МПа.

Упрочнение дуралюминов осуществляется закалкой и старением. В исходном (отожженном) состоянии структура дуралюмина – твердый раствор, вторичные включения интерметаллических соединений – CuAl₂, S – фаза (Al₂CuMg), Mg₂Si и нерастворимых соединений Mn-(Mn, Fe)Al_6.

Для закалки дуралюмины нагревают до 505⁰С (Д16) и 510⁰С (Д1) (выше нельзя из-за пережога) и закаливают в воду.

В процессе нагрева под закалку избыточные фазы практически полностью растворяются в алюминий. Быстрое последующее охлаждение (в воде) приводит к образованию пересыщенного твердого раствора, обладающего невысокой прочностью, но высокой пластичностью.

Окончательной операцией термообработки дуралюминов является старение, которое может быть естественным (при комнатной температуре до 7 суток) и искусственным (до 24 часов при повышенной температуре).

В процессе старения происходит распад пересыщенного раствора, что сопровождается упрочнением. Этот распад происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном старении (20⁰С) или при искусственном старении с нагревом меньше 150⁰С происходит зонное старение, при котором атомы меди, имеющие R_ат меньший чем у Al, перемещаются внутри решетки α – твердого раствора и концентрируются в определенных местах, образуя двумерные пластинчатые, дискообразные области, толщиной в несколько атомных слоев и протяженностью 30-60А – зоны Гинье – Престона (ГП-1). Причем концентрация Cu в ГП-1 составляет ~54% от ее концентрации в интерметалиде CuAl₂.

Дальнейшая выдержка приводит к укрупнению зон ГП как по толщине (10-40А), так и по протяженности (200-300А), а также к повышению концентрации меди в них до значений, соответствующих CuAl₂. Такие зоны принято называть зонами ГП-2. Следует отметить, что при естественном старении происходит только зонное старение с образованием зон Гинье-Престона.

При искусственном старении дальнейшая выдержка или повышение температуры приводит к образованию в местах расположения зон ГП-2 дисперсных частиц промежуточной Ө’ - фазы. Эта фаза не отличается по химическому составу от стабильной Ө (CuAl₂) _- фазы, когерентно связана с α-твердым раствором, но имеет отличную от Ө-фазы кристаллическую решетку. При дальнейшей выдержке или повышении температуры Ө’ - фаза превращается в стабильную Ө - фазу с коагуляцией последней. Процессы образования Ө¹ – фазы и Ө - фазы называют фазовым старением.

В результате старения прочностные характеристики дуралюмина возрастают примерно вдвое, а пластические понижаются на 25-35%.

Сплавы авиаль.

Это сплавы с содержанием Сu (0,1-0,5%), Mg (0,45-0,90%), Mn или Cr (0,15-0,35%) и Si (0. 5-1, 2%). Они уступают по прочности дуралюмину в 2 раза, но превосходят его по пластичности как в холодном, так и в горячем состоянии.

Авиали обладают высоким пределом выносливости, хорошо сопротивляются коррозии, удовлетворительно свариваются аргонодуговой и контактной сваркой.

Авиали поставляются в виде листов, труб и других полуфабрикатов, используемых для элементов конструкций, несущих умеренные нагрузки. Из них изготавливают лопасти винтов вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери и т.д.

Авиали упрочняются закалкой и старением. Упрочняющей фазой у них является соединение Mg₂Si.

Закалка производится с нагревом до 515-525⁰С и охлаждением в воду. Старение осуществляют либо при 20⁰С в течение 4-5 суток, либо при 160⁰С в течение 12 часов. Процессы, протекающие при термообработке, аналогичны дуралюминам.

8.4. Высокопрочные алюминиевые сплавы.

К ним относятся алюминиевые сплавы, в которые кроме обычных присадок (Cu и Mg) вводят еще и цинк (В95-5,7% Zn, В96-7,6-8,6%Zn). Прочность этих сплавов достигает σ_В=550-700МПа, но при меньшей пластичности (δ=7-8%), чем у дуралюмина.

Эти сплавы обладают пониженной коррозионной стойкостью, однако в ряде случаев это устраняется присадками Cr и Zn (0,1-0,25%). У них меньше, чем у дуралюмина, предел выносливости и сопротивляемость повторным статистическим нагрузкам; они обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений.

Сплавы В95 и В96 хорошо обрабатываются резанием и свариваются точечной сваркой. Их применяют в самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих длительное время при температурах меньше 100-120⁰С (обшивка, стрингеры, лонжероны и т.д.), для силовых каркасов строительных сооружений и т.д.

Упрочняющими фазами у высокопрочных алюминиевых сплавов являются Т- фаза (Al₂Mg₃Zn₃), S – фаза (Al₃CuMg) и MgZn₂.

Высокое легирование снижает температуру начала плавления. Поэтому В95 и В96 имеют более низкую температуру закалки, чем дуралюмины и авиали –460-470⁰С. Другой особенностью закалки является использование в качестве охлаждающей среды подогретую до 80-100⁰С воду, так как скорость распада высоколегированного твердого раствора меньше, чем твердого раствора Cu-Al.

И, наконец, естественное старение не дает максимальной прочности, и поэтому применяют искусственное старение при температуре 120-140⁰С в течение 16-24 часов.