Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой

К термически упрочняемым деформируемым сплавам относят:

· дуралюмины (сплавы системы Al – Cu – Mg, обычно с добавкой марганца для повышения коррозионной стойкости);

· высокопрочные стареющие сплавы (Al – Zn – Mg – Cu);

· авиали (Al – Mg – Si);

· ковочные сплавы (Al – Mg – Si – Сu и Al – Cu – Mg – Fe – Ni).

Дуралюмины получили наибольшую известность среди всех алюминиевых сплавов, так как именно при исследовании первого дуралюмина (Al – 4 % Cu – 0,5 % Mg – 0,5 % Mn) в 1906 г. было открыто явление старения, которое стало одним из основных способов упрочнения сплавов на разной основе. Этот дуралюмин используют до сих пор под маркой Д1. С появлением дуралюмина связано начало металлического самолетостроения.

В настоящее время среди дуралюминов наибольшее применение имеет сплав Д16 (Al – 4,3 % Cu – 0,6 % Mg – 0,6 % Mn). В дуралюминах разного состава в состоянии равновесия наблюдаются следующие фазы: твердый раствор меди и магния в алюминии (α-фаза), фаза Al₂Cu (θ), Al₂CuMg (S-фаза) и Al₆CuMg₄ (Т-фаза). С понижением температуры растворимость меди и магния в α-фазе понижается. По этой причине может быть получен пересыщенный твердый раствор при закалке, а затем проведено старение.

Изменения структуры при старении сводятся к образованию выделений новой фазы, которая играет роль упрочнителя сплава. Образующиеся выделения имеют разную форму, размеры и взаимное расположение в зависимости от состава сплава и условий старения (температуры и продолжительности выдержки). Размеры выделений обычно порядка 10–100 нм, что меньше разрешения светового микроскопа. Поэтому наблюдать структурные изменения при старении можно только с помощью электронного микроскопа.

Распад пересыщенного твердого раствора при старении может происходить в одну или несколько стадий в зависимости от температуры и времени старения:

1. Образование зон Гинье–Престона.

2. Выделение метастабильных и стабильных фаз.

3. Коалесценция выделений.

Зонами Гинье–Престона (ГП) в честь первооткрывателей называются микроскопические области, обогащенные атомами растворенного компонента. Размеры зон ГП столь малы (1–10 нм), что их обнаруживают дифракционными методами или по изменению физических свойств материала. Решетка у зон ГП такая же, как у окружающего их пересыщенного твердого раствора. При различии размеров атомов растворителя и растворенного компонента образование зон ГП приводит к возникновению упругих напряжений вокруг них. Зоны ГП равномерно распределены по объему зерен твердого раствора.

В дуралюминах зоны ГП образуются при комнатной или близкой к ней (ниже 100 ^оС) температуре. Старение при этих температурах называется естественным. При естественном старении происходит упрочнение сплава в связи с возникновением полей упругих напряжений около зон ГП.

При более высоких температурах из пересыщенного твердого раствора выделяется метастабильная фаза, которая может отличаться от стабильной составом или строением кристаллической решетки (или и тем, и другим). Решетка метастабильной фазы лучше сопрягается с решеткой пересыщенного твердого раствора, чем решетка стабильной фазы. Благодаря этому вероятность образования кристаллов метастабильной фазы выше, и они возникают раньше кристаллов стабильной фазы.

Кристаллы метастабильных фаз выделяются при старении внутри зерен, главным образом на дислокациях, на границах зерен, на субграницах.

Выделение частиц метастабильных фаз упрочняет сплав из-за возникновения упругих напряжений, обеспечивающих сопряжение решеток метастабильной фазы и твердого раствора.

По мере увеличения количества и размеров выделений метастабильной фазы пересыщение твердого раствора уменьшается, и параметры его кристаллической решетки изменяются. В результате сопряжение решеток стабильной и метастабильной фазы больше поддерживаться не может: возникающие упругие напряжения разрывают связь между решетками. Уничтожение сопряженности решеток делает термодинамически невыгодным дальнейшее существование кристаллов метастабильной фазы. Они либо растворяются (при этом в других местах образуются выделения стабильной фазы), либо превращаются в кристаллы стабильной фазы. Снятие напряжений, обеспечивавших сопряжение решеток, уменьшает прочность сплава.

Старение алюминиевых сплавов при повышенных температурах (> 100 ^оС) называют искусственным.

При искусственном старении в сплаве Al–4,5 % Cu, близком по составу к Д16, образуются: а) сначала метастабильная θ″-фаза состава Al₂Cu с тетрагональной решеткой, которая полностью сопрягается с ГЦК решеткой α-фазы по плоскостям {100}; б) затем метастабильная θ′-фаза того же состава Al₂Cu с тетрагональной решеткой, сопряжение которой с решеткой α-фазы полное по плоскости (001) и частичное по (010) и (100); в) стабильная θ-фаза (Al₂Cu), тетрагональная решетка которой не сопрягается с решеткой α-фазы.

§ Литейные алюминиевые сплавы. К литейным сплавам относятся сплавы систем Al – Si, Al – Cu и Al – Mg.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al – Si (силумины), имеющие близкий к эвтектическому состав (рисунок 5).

Высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняется наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах алюминия с кремнием, содержащие 10–13 % кремния (сплав марки АЛ2), эвтектика состоит из твердого раствора и кристаллов практически чистого кремния, в легированных силуминах (АЛ4 и др.), помимо двойной эвтектики, имеются тройные и более сложные эвтектики. Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05 % при 200 ^оС до 1,65 % при эвтектической температуре, двойные силумины не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который частично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коалесценции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения механических свойств является измельчение структуры путем модифицирования. Силумин обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в расплав в количестве 2–3 % от массы сплава. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al – Si в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав АЛ2 становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластичной фазы – твердого раствора. Все это приводит к одновременному увеличению пластичности и прочности.

Рисунок 5 - Диаграмма состояния Al–Si.

Присадка магния и меди позволяют получить термически упрочняемые силумины, содействуя эффекту упрочнения литейных сплавов при старении. Титан и цирконий измельчают зерно. Марганец повышает антикоррозионные свойства. Никель и железо повышают жаропрочность.

Силумины широко применяют для изготовления литых деталей приборов и других средне- и малонагруженных деталей, в том числе тонкостенных отливок сложной формы.

 

Конструкционные материалы

Конструкционными называют материалы, предназначенные для изготовления деталей машин, приборов, инженерных конструкция, подвергающихся механическим нагрузкам.

Основное требование – конструкционная прочность – комплекс физико-химических и механических свойств, обеспечивающих надежную и длительную работу материала в условиях эксплуатации. При расчете конструкционной прочности нужно учитывать:

1) условия нагружения изделия (силовой фактор, условия нагружения (статические, циклические, вибрационные, ударные и т.д.); 2) воздействие рабочей среды (жидкая, газообразная, ионизированная, радиационная среды, рабочие температуры); 3) технологичность материала – обеспечение наименьшей трудоемкости изготовления деталей и конструкций; 4) экономические факторы (цена).

Критерии оценки конструкционной прочности:

1) Критерии прочности – при статических нагрузках временное сопротивление s_В, предел текучести s_0,2 (s_т), реже твердость (для сталей выполняется эмпирическое соотношение s_В»НВ/3); при циклических нагрузках – предел выносливости s_R (при круговом изгибе s_-1); при важности веса – удельная прочность s_В/rg (r - плотность; g - ускорение свободного падения)

2) Надежность – свойство материала противостоять хрупкому разрушению – характеристики пластичности d и y, ударная вязкость KCU, KCV, KCT

3) Долговечность – свойство материала сопротивляться развитию постепенного разрушения (постепенного отказа), обеспечивая работоспособность деталей в течение заданного времени (ресурса). Характеристики – сопротивление материала усталостным разрушениям (циклическая долговечность) или сопротивление изнашиванию (износостойкость). Проводят испытания на усталость по ГОСТ 25.502-79