Упрочняющая термическая обработка состоит из двух этапов: закалки и старения.

Для закалки сплав нагревается выше линии предельной растворимости, так что q‑фаза полностью растворяется.

Быстрое охлаждение до комнатной температуры фиксирует однофазную структуру пересыщенного медью a‑раствора. Прочность при этом изменяется мало (сравните с закалкой стали, работа 6). Существенное увеличение прочности происходит в результате старения - процессов, протекающих при длительной выдержке неравновесного, закаленного сплава при комнатной или повышенной температуре. В зависимости от природы сплава и режима старения структура сплава в той или иной мере приближается к равновесному (a+q) состоянию.

Длительная выдержка закаленного сплава при комнатной температуре (“ естественное старение ”) не приводит к образованию q‑фазы. В отдельных плоскостях решетки a‑раствора начинают скапливаться атомы меди, однако их концентрация еще не достигает той, которая необходима для образования зародышей q‑фазы (55,4 % Cu). Из-за разницы атомных радиусов меди (0,128 нм) и алюминия (0,143 нм) решетка a‑раствора в местах скопления меди сильно искажается. Эти области искажений называются зонами Гинье-Престона или зонами ГП. Являясь искажениями решетки, зоны ГП препятствуют скольжению дислокаций и эффективно упрочняют сплав (рис. 9.2).

В результате “ искусственного старения ” при 100...150 °С в местах скопления меди в a‑растворе образуются метастабильные q'- и q''‑ фазы, отличающиеся от равновесной q‑фазы типом решетки. Решетка метастабильной фазы еще не отделена от решетки a‑раствора (когерентная связь), а так как параметры этих решеток различны, то в местах образования q'- и q''‑фаз решетка a‑раствора искажается. Степень искажения, однако, меньше, чем в случае образования зон ГП, поэтому меньше и эффект упрочнения (рис. 9.2).

Еще меньше величина упрочнения при старении в интервале 200...250 °С. При этих температурах образуется равновесная q‑фаза, ее решетка полностью отделена от решетки a‑раствора. В результате снимаются искажения решетки a‑раст-вора и понижается степень упрочнения; на этом этапе оно обусловлено торможением дислокаций мелкодисперсными выделениями q‑фазы. Из рис. 9.2 видно, что длительная выдержка при 200...250 °С, приводящая к коагуляции упрочняющих частиц q‑фазы, вызывает уменьшение прочности (“ перестаривание ”).

Промышленные деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой,- это главным образом дуралюмины - сплавы системы Al-Cu-Mg. Кроме того, в них вводится марганец для повышения коррозионной стойкости.

В табл. 9.1 приведены состав и свойства наиболее распространенных дуралюминов, а также относящихся к этой группе высокопрочных (В95, ВАД23), ковочных (АК8) и жаропрочных (АК4) сплавов. Отличительной чертой сплавов этой

группы является высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности сплава), обусловившая их широкое применение в авиации, транспортном машиностроении и приборостроении.

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в равновесном состоянии имеют структуру a‑твердого раствора, либо a‑раствора, с включениями промежуточных фаз. При двухфазной структуре упрочнение термической обработкой, в принципе, возможно (если промежуточные фазы раствори

мы в a‑растворе), однако его эффект мал из-за небольшого количества упрочняющей фазы. Поэтому сплавы данной группы упрочняющей термообработке не подвергаются, их можно упрочнять пластической деформацией (см. работу 3).

К этой группе относятся сплавы системы Al-Mn (маркируются АМц) и Al-Mg (АМг), они имеют невысокую прочность, легко обрабатываются, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Состав и свойства сплавов этой группы приведены в табл. 9.2.

Литейные алюминиевые сплавы различны по химическому составу и структуре. Наилучшими по литейным свойствам (жидкотекучесть, плотность отливок) являются сплавы, состав которых приближается к эвтектическому. К таким сплавам относятся силумины (система Al-Si), диаграмма состояния которых показана на рис. 9.3. Промышленные сплавы содержат 10...13 % Si. Эвтектика (a+Si) имеет грубое игольчатое строение (за счет кристаллов Si); помимо эвтектики в структуре обычно имеются избыточные первичные кристаллы Si. Сплавы с такой структурой характеризуются низкой пластичностью. В связи с этим силумины подвергают модифицированию (обычно введением в расплав солей натрия), в результате чего температура эвтектического превращения понижается (штриховая линия на рис. 9.3) и сплав становится доэвтектическим.

Вместо твердых и хрупких избыточных кристаллов кремния в его структуре появляются пластичные включения a‑раствора (почти чистый Al), а эвтектика становится более дисперсной. Вследствие этого повышается прочность, пластичность возрастает почти в 3 раза.

Литейные алюминиевые сплавы могут упрочняться термической обработкой (закалка и искусственное старение, обычно 8...10 часов при 180 °С), однако эффект упрочнения гораздо ниже, чем в дуралюминах.

Кроме силуминов применяются сплавы систем Al-Cu, Al-Mg; они имеют более высокие прочностные свойства, чем силумины, но их литейные свойства ниже (это видно из соответствующих диаграмм состояния).

Литейные алюминиевые сплавы имеют малую плотность и применяются для изготовления фасонных отливок. Состав и свойства некоторых сплавов этой группы приведены в табл. 9.3.