Теоретическое обоснование работы

Дуралюмин - один из первых промышленных сплавов на основе алюминия. Благодаря малой плотности (удельный вес алюминия 2,7 г/см³), высокой тепло- и электропроводности, коррозионной стойкости алюминий и его сплавы нашли широкое применение в самолётостроении, судостроении, автомобильной и электротехнической промышленности, бытовой технике и других областях. Технический алюминий, обладая высокой пластичностью, имеет низкую прочность.

При введении легирующих элементов прочность может быть значительно повышена как за счет искажения кристаллической решетки при растворении этих элементов, так и за счет проведения упрочняющей термической обработки. Для создания возможности такой обработки алюминиевые сплавы легируют элементами, имеющими переменную ограниченную растворимость в алюминии. Упрочняющая термическая обработка состоит из операций -закалки и старения естественного (при комнатной температуре) или искусственного (при повышенных температурах).

Дуралюмины принадлежат к термически упрочняемым деформируемым сплавам. Они хорошо деформируются в горячем и холодном состояниях, хорошо обрабатываются резанием (в закаленном и состаренном состояниях), хорошо свариваются контактной сваркой.

Дуралюмин представляет собой сплав шести компонентов — алюминия, меди, магния, марганца, кремния и железа, Основным легирующим элементом, обеспечивающим упрочнение при термической обработке, является медь. Аналогичное назначение имеет магний. Марганец вводится для повышения коррозионной стойкости. Кремний и железо являются постоянными примесями. Кремний может быть отнесен к упрочняющим элементам, однако упрочнение за счет кремния в этом сплаве невелико. Железо в дуралюмине играет отрицательную роль. Его наличие в дуралюмине уменьшает эффект старения, так как в отличие от меди, магния, кремния железо образует нерастворимое в алюминии соединение . Медь, находящаяся в этом соединении, не может быть переведена при нагревании в твердый раствор и не может участвовать в процессах старения и упрочнения. Вредное влияние железа уменьшается при введении магния, Присадка магния даже в небольших количествах, придает сплавам способность старения при комнатной температуре, несмотря на наличие железа, так как в этом случае образуется растворимое в алюминии соединение из которого медь и магний при нагревании переходят в твердый раствор и впоследствии могут участвовать в процессах старения.

Отрицательное влияние железа обусловлено также тем, что оно образует соединения (), имеющие грубую пластинчатую форму, понижающие прочность и пластичность.

Вследствие сложности состава, вызванной стремлением максимально повысить прочность, дуралюмины отличаются пониженной коррозионной стойкостью во влажном воздухе, в речной и морской воде и нуждаются в защите от коррозии. Наибольшее распространение в промышленности получили метод плакирования (покрытия техническим алюминием) и метод электрохимического оксидирования (анодирования), при котором на поверхности изделия образуется более плотная и толстая, чем при естественных условиях, окисная пленка , защищающая дуралюмин от коррозии.

Обозначение марок дуралюминов состоит из букв и цифр. В начале марки ставится буква Д, указывающая на принадлежность сплава к дуралюминам, т. е. к системе Al-Cu-Mg, затем следует условный (порядковый) номер сплава. После этого ставятся буквы, указывающие на вид обработки: М (мягкий) -отожженный, Н - нагартованный, Т (термически обработанный) - после закалки и естественного старения. Дуралюмины, используемые при обычных температурах, по составу и свойствам делятся на дуралюмины нормального состава, повышенной пластичности, повышенной прочности.

Состав дуралюминов по ГОСТ 4784-97 приведен в таблице 8.1.

 

Таблица 8.1

Обозначение марок	Массовая доля элементов, %
По НД*	По ИСО 209-1	Кремний	Железо	Медь	Марганец	Магний
Д1	AlCu4MgSi	0.20-0.8	0.7	3.5-4.5	0.40-1.00	0.40-0.8
Д16	AlCuMg1	0.50	0.50	3.8-4.9	0.30-0.9	1.2-1.8
Д18	AlCu2.5Mg	0.5	0.5	2.2-3.0	0.20	0.20-0.50

*ГОСТ 1131, ГОСТ 7871, ГОСТ 13726, ГОСТ 21631.

В дуралюмине нормального состава (Д1) содержание меди 3,8-4,8%, магния и марганца по 0,4-0,8%', кремния и железа не более 0,7% каждого.

Дуралюмин повышенной пластичности (Д18) имеет пониженную концентрацию меди (2,2-3,0%) и магния (0,2- 0,5%), не содержит марганца.

Рис. 8.1. Диаграмма состояния сплавов алюминия с медью

 

Дуралюмин повышенной прочности (Д16) имеет повышенное содержание магния (1,2-1,8%).

Поскольку основным легирующим элементом в дуралюмине является медь, для рассмотрения процессов, происходящих при термической обработке, можно воспользоваться диаграммой бинарных сплавов алюминий-медь (рис. 8.1).

В соответствии с диаграммой наибольшая растворимость меди в количестве 5,7% имеет место при эвтектической температуре 821 К (548° С), при комнатной температуре в растворе может находиться до 0,5% Си. После первичной кристаллизации сплавы, содержащие от 0,5 до 5,7% меди имеют структуру -твердого раствора, из которого при дальнейшем медленном охлаждении вследствие уменьшения растворимости меди выделяется химическое соединение . Прочность сплавов с такой равновесной структурой не высокая, так как кристаллы относительно крупные и не представляют больших препятствий для движения дислокаций. Повышение прочности достигается за счет получения неравновесных структур, имеющих кристаллические решетки с большим количеством дефектов.

Быстрым охлаждением (закалкой) от температуры выше линии фиксируется пересыщенный твердый раствор . Такой пересыщенный твердый раствор является неустойчивым, в нем протекают изменения, получившие название старения. Представление о механизме старения сводится к следующему. В процессе естественного старения происходят подготовительные процессы к выделению избыточной фазы . Образование такой фазы происходит при относительно высоких температурах нагрева, обеспечивающих достаточную скорость перемещения (диффузий) атомов. При комнатной температуре скорость диффузии атомов меди недостаточна для образования частиц соединения , так как для этого необходимо обогащение медью до 54%. Однако атомы меди, занимающие после закалки в решетке алюминия произвольные места, будут стремиться занять более выгодное энергетически положение. Они будут перемещаться к дефектным местам кристаллической решетки, образуя тончайшие прослойки, обогащенные атомами меди. Протяженность этих прослоек, получивших название зон Гинье-Престона, достигает нескольких десятков ангстрем (30—60 А) при толщине

5-10 . Концентрация меди в этих зонах меньше, чем в соединении СиА1₂, расположение атомов алюминия и меди неупорядоченное.

Такие зоны (ГП1) вследствие значительной разницы в размерах атомов меди (атомный радиус 1,28 А) и алюминия (1,43 ), имеют искаженную кристаллическую решетку, что создает препятствия для перемещения дислокаций при пластической деформации, приводит к повышению прочности и некоторому снижению пластических свойств; Этот самопроизвольный процесс получил название естественного старения. При нагревании процессы превращения развиваются более полно. Такое старение, получившее название искусственного, протекает в несколько стадий.

На первой стадии —при температурах до 423 К (100-150° С) образуются зоны Гинье-Престона (ГП2), имеющие такую же природу, как и при естественном старении, но отличающиеся большими размерами (толщина этих зон составляет 10-40 А, диаметр – 200-300 А) и более упорядоченным расположением атомов алюминия и меди.

На второй стадии концентрация меди в этих зонах достигает стехиометрического соотношения, соответствующего соединению , но образования самостоятельной фазы еще не происходит. Из зон ГП2 образуется промежуточная -фаза, имеющая кристаллическую решетку, когерентно-связанную с решеткой твердого раствора, но отличную от решетки -твердого раствора и от решетки -фазы.

На третьей стадии при температуре около 200°С происходит обособление - фазы и превращение ее в стабильную -фазу, а при увеличении выдержки или при более высоких температурах старения развиваются процессы коагуляции (укрупнения) -фазы.

При термической обработке дуралюмина протекают процессы, аналогичные рассмотренным, однако присутствие в сплаве других элементов — магния, марганца, кремния, железа приводит к некоторым их усложнениям.

В литом дуралюмине по границам зерен твердого раствора в виде сетки располагаются не только фаза , но и другие хрупкие фазы - , , , , поэтому механические свойства литого дуралюмина низкие - =160-170 МПа, = 1-1,5%. После отжига при температуре 480-500° С и последующей горячей пластической деформации структура дуралюмина состоит из -твердого раствора с равномерно распределенными включениями тех же фаз. Расположение этих фаз внутри зерен более благоприятно сказывается на пластичности сплава, но прочность при этом повышается незначительно.

При нагреве под закалку до температуры 500^е С все соединения за исключением железосодержащих фаз переходят в твердый раствор. После закалки в воде структура дуралюмина состоит из пересыщенного твердого раствора и включений нерастворимых соединений железа. Свежезакаленный дуралюмин имеет невысокую прочность =240-260 МПа, но высокую пластичность ( = 20-22%), поэтому его можно подвергать различным операциям формоизменения в холодном состоянии (обработка давлением, резанием). Высокая пластичность сохраняется в зависимости от состава сплава в течение 30-120 мин. После инкубационного периода в закаленном сплаве начинаются процессы старения. В дуралюмине, в отличие от двойных сплавов алюминия с медью в образовании зон Гинье-Престона участвует магний. При нагревании образуется метастабильная S'-фаза, а затем фаза S- . Как видно из графика зависимости прочности от времени выдержки при различных температурах старения (рис. 8.2), наибольший эффект упрочнения достигается при естественном старении в течение 4-7 суток.

Искусственное старение при температурах 100-150° С также вызывает упрочнение, но несколько более слабое, При

Рис. 8.2. Изменение прочности дуралюмина в зависимости от режима старения

температурах 200° С и более сначала наблюдается интенсивное повышение прочности, связанное с образованием дисперсных фаз (, ), но затем происходит постепенное понижение прочности, обусловленное процессами коагуляции этих фаз. Искусственное старение дуралюмина не только дает меньший эффект упрочнения по сравнению с естественным, но и снижает пластические свойства, увеличивает чувствительность к концентраторам напряжений и уменьшает коррозионную стойкость сплава. Поэтому дуралюмины обычно подвергаются естественному старению в течение 4-7 суток.

Если возникает необходимость сохранения высоких пластических свойств закаленного сплава в течение некоторого периода времени до формоизменения, изделия (например, заклепки) хранят при температуре -50° С, так как при низких температурах процессы старения практически не развиваются. В тех случаях, когда естественное старение произошло, но сплав должен быть возвращен в пластическое свежезакаленное состояние, производят кратковременный нагрев (30-120 секунд) до температуры 230°-270° С. При таком нагреве происходит растворение неустойчивых зон ГП1 и быстрым охлаждением фиксируется пересыщенный твердый раствор. Такая обработка получила название возврата или обработки на возврат. Последующее вылёживание при комнатной температуре приводит к образованию зон ГП1 и упрочнению сплава.

Свойства дуралюминов основных марок после различных видов термической обработки приведены в табл. 8.2.

Таблица 8.2

Механические свойства дуралюминов

Марка сплава	Механические свойства дуралюминов	Применение
после отжига	после закалки и естественного старения
, МПа	, МПа	, %	НВ	, МПа	, МПа	, %	НВ
Д1		•110							Лопатки, диски, компрессоров, узлы крепления, заклепки
Д16									Силовые детали самолетов, строительные конструкции, кузова автомобилей
Д18									Заклепки

 

Задание и методические указания

Работа выполняется бригадами студентов. Продолжительность работы 2 часа.

При выполнении работы необходимо:

1.Получить у лаборанта на каждую бригаду по 7 образцов дуралюмина.

2.Произвести закалку в воде от температуры 773 К (500 С) всех полученных образцов. Выдержка в печи при указанной температуре 30 мин.

3.Измерить твердость всех образцов после закалки на приборе Роквелла шариком по шкале «В».

4.Произвести искусственное старение 6 образцов приодной из указанных температур 373, 423, 473, 523 К (100, 150, 200, 250° С) с выдержками (2, 5, 10, 15, 20, 30) 60 с.
Температура старения берется по указанию преподавателя.

5.Измерить твердость всех образцов после искусственного старения на приборе Роквелла по шкале «В».

6. Один закаленный образец дуралюмина подвергнуть естественному старению - вылеживанию при комнатной температуре в течение 4-7 дней. Измерить твердость этого образца непосредственно после закалки, через один час после закалки и через 4-7 дней.

7. Результаты измерения твердости дуралюмина, полученные всеми бригадами, внести в сводную табл. 8.3.

Т а б л и ц а 8.3

Твердость дуралюмина после термической обработки

 

 

 

Температура старения	Твердость по Роквеллу, НRВ
После закалки	После искусственного старения в течение 1x60 с	После естественного старения
						3600 с	4-7 дней

8. На основании полученных результатов построить для каждой температуры старения график изменения твердости закаленного дуралюмина в зависимости от времени выдержки при старении.

 

8.3.1. Содержание отчета

1. Наименование и цель работы.

2. Режим термической обработки дуралюмина, используемый бригадой для исследуемых образцов.

3. Сводная таблица результатов термической обработки дуралюмина.

4. График изменения твердости закаленного дуралюмина, в зависимости от температуры и длительности старения.

5. Выводы о влиянии температуры и длительности нагрева на упрочнение дуралюмина.

 

Вопросы для самопроверки

1. Какие элементы входят в состав дуралюмина и каково их назначение?

2. Каковы основные операции термической обработки дуралюминов и сущность протекающих при них процессов?

3. Какие процессы происходят при естественном и искусственном старении?

4. Какова зависимость свойств дуралюмина от температуры и длительности искусственного старения?

5. Каково применение дуралюминов?

 

Лабораторная работа № 9