Дюралюмины

При нагреве происходит полное растворение вторичных кристаллов Си Аl2, и сплав приобретает однофазную структуру  - твёрдого раствора с высокой концентрацией меди (около 4%). В результате быстрого охлаждения распад высокотемпературного твёрдого раствора не успевает происходить, несмотря на понижение растворимости меди. Таким образом, при комнатной температуре удается зафиксировать пересыщенный твёрдый раствор меди в алюминии с сильно искажённой кристаллической решёткой. Это искажение решётки твёрдого раствора способствует торможению дислокаций и вызывает повышение прочности сплава.

Так, например, отожжённый дюралюмин Д16 имеет предел прочности 220 Мпа, а непосредственно после закалки около 300 Мпа. Однако наибольшее упрочнение происходит при последующем старении.

Старение представляет собой  выдержку закалённого сплава при  сравнительно невысоких температурах, при которых начинается распад пересыщенного твёрдого раствора или подготовительные процессы, предшествующие его распаду.

Сильная пересыщенность твёрдого раствора после закалки обуславливает его высокую свободную энергию. Распад твёрдого раствора приближает структуру к равновесной, а следовательно, ведёт к уменьшению свободной энергии системы, т.е. является самопроизвольным процессом.

В закалённом дюралюмине подготовительные стадии распада проходят без специального нагрева, при вылёживании в естественных условиях в цехе, на складе или в другом помещении, где температура составляет от 0°С до 30°С.

Такое вылёживание в естественных условиях приводит к некоторым изменениям структуры и сопровождается повышением твёрдости и прочности. Этот процесс длится около 5...7 суток и называется естественным старением. Процесс старения, происходящий при повышенных температурах 100...20 OC, называется искусственным старением.

При старении изменение структуры  и свойств в зависимости от температуры и времени выдержки происходит в несколько этапов.На первом этапе в решётке твёрдого раствора образуются субмикроскопические зоны с высокой концентрацией меди. Если в основном пересыщенном растворе содержится около 4% меди (в рассматриваемом сплаве Аl + 4% Cu), а в соединении CuАl2, которое должно выделиться в конечном счёте из раствора - 52% Cu, то в этих зонах концентрация меди промежуточная и возрастает по мере развития процесса. Эти зоны получили название зоны Гинье-Престона, или зон Г.П.. В сплавах типа дюралюмин они имеют пластинчатую форму, а их кристаллическая структура такая же, как и у твёрдого раствора, но с меньшим параметром решётки.Сущность второго этапа процесса (деление на этапы весьма условно) заключается в некотором росте зон Г.П., обогащении их медью до концентрации, близкой к соединению СuAl2, и упорядочении их структуры.

Третий этап наблюдается  при повышенных температурах старения (или при длительных выдержках), когда  из пересыщенного раствора выделяются частицы промежуточной фазы . Этот этап является началом собственно распада пересыщенного твёрдого раствора. - фаза по составу соответствует стабильной фазе (CuAl2), но имеет свою особую кристаллическую решётку, отличающуюся от решётки твёрдого раствора и от решётки CuА12. Выделения - фазы не полностью отделены от твёрдого раствора, так как их кристаллические решётки когерентны и не отделены друг от друга поверхностьюраздела.Четвёртый этап характеризуется образованием стабильной фазы (CuAl2). Когерентность решёток твёрдого раствора и выделяющейся фазы полностью нарушается. В дальнейшем частицы CuAl2 коагулируют (укрупняются).

Рассмотренные выше этапы  охватывают процесс распада пересыщенного раствора полностью, до получения равновесной структуры, соответствующей диаграмме состояния. При естественном старении обычно образуются зоны Г.П., при искусственном старении - фаза. Четвёртая стадия наблюдается лишь при отжиге, т.е. при нагреве до высоких температур 300... 400 OС.

Описанные выше превращения  при старении закалённого дюралюмина сопровождаются изменением свойств. На рис.2. схематично показана типичная закономерность изменения твёрдости (прочности) закалённого сплава в зависимости от температуры нагрева при старении.

Нагрев пересыщенного  раствора первоначально сопровождается ростом твёрдости и прочности, а затем вызывает их снижение. Упрочнение связано с первыми этапами процесса распада, т.е. с образованием зон Г.П. или выделением промежуточных метастабильных фаз ( -фазы). Последующие этапы, приводящие к образованию и коагуляции стабильной фазы CuAl2 ( -фазы), обуславливают разупрочнение.Значительное разупрочнение дюралюминов при естественном и искусственном старении является результатом того, что зоны Г.П. и метастабильные промежуточные фазы служат препятствием для движения дислокаций.

Скольжение дислокаций осуществляется путём проталкивания их между этими частицами. По мере того, как расстояние между частицами уменьшается, напряжение «проталкивания» дислокаций между препятствиями возрастает, что и приводит к упрочнению. Именно поэтому максимальный эффект упрочнения наблюдается при тех режимах старения, при которых образуются дисперсные, равномерно распределённые на небольших расстояниях одна от другой метастабильные промежуточные фазы. Укрупнение частиц приводит к уменьшению их количества, увеличивает расстояния между ними и способствует снижению прочности и твёрдости.

Режим упрочняющей обработки  дюралюминов разных марок отличаются незначительно, но особенностью их термической обработки является необходимость жёсткого соблюдения рекомендованной температуры нагрева под закалку. Так, например, для Д16 температура закалки должна составлять 495...505 °С. Это требование объясняется тем, что указанные температуры весьма близки к температуре начала плавления. Превышение рекомендуемых температур вызывает оплавление границ зёрен и вызывает резкое снижение пластичности. Что касается режимов старения, то они могут быть разнообразными. Так при естественном старении сплава Д16 максимальная прочность достигается через 4 суток. Искусственное старение при температурах 120... 190°С значительно быстрее и, как правило, не превышает нескольких часов. 
Дюралюмины способны обеспечивать высокие механические свойства (на уровне углеродистых сталей), обладая в то же время малым удельным весом. Это делает их очень ценным конструкционным материалом для многих областей техники.

К недостаткам дюралюминов следует отнести их пониженную по сравнению с алюминием коррозионную стойкость. Для них надо применять специальные средства защиты от коррозии. Наибольшее распространение получили плакирование (покрытие листов дюралюмина тонким слоем чистого алюминия) и электрохимическое оксидирование (анодирование).  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Упрочнение старением

 

 

К сплавам, упрочняемым термической  обработкой, относятся: сплавы нормальной прочности, высокопрочные и др. Типичные представители сплавов-дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы А1-Cu-Mg. Согласно диаграмме состояния А1 Си (рис. 12.3, в) медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65% при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1 %при 20 °С. При этом из твердого раствора вьщеляется фаза 6 (CuAlj), содержащая ~ 54,1% Си. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твердостью {HV 5310). В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо 6 образуется еще фаза S (CuMgAlj) с ромбической кристаллической решеткой (HF 5640). На рис. 12.4 показано влияние соотношения фаз е и S на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество фазы 6 будет в его структуре (Д1). Увеличение содержания магния приводит к росту количества фазы S и повышению прочности сплавов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки (см. табл. 12.3), состоящей из закалки и естественного старения. При закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495-505 °С, Д1-до 500-510°С, затем охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Гинье- Престона, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5-7 суток. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40 °С и особенно 100 °С. Более высокие значения и ао,2 прессованных прутков объясняются пресс-эффектом. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучщей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190 "С, 10 ч) подвергают лищь детали, используемые для работы при повыщенных температурах (до 200 °С). Большое практическое значение имеет начальный, или «инкубационный», период старения (20-60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, правка и др. Для проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подвергнуть обработке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава (1-2 мин) при температуре 230-300 °С. Во время нагрева рассасываются зоны Гинье-Престона и восстанавливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки. Однако применение обработки «на возврат» ограничено тем, что у тонкостенных изделий снижается коррозионная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки восстановление пластичности не успевает произойти по всему сечению. Увеличение вьщержки приводит к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает снижение пластичности.

Ковочные алюминиевые  сплавы маркируют буквами АК. Они  обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вместо фазы S присутствуют кремнийсодер-жащие фазы - четверная фаза (А1, Си, Mg, Si) и силицид магния P(Mg2Si). Ковку и штамповку сплавов ведут при температуре 450-475 °С. Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (А Кб) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (Ств = 360 МПа). Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, крепежные детали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоконагруженных деталей несложной формы: подмоторные рамы, пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов и др.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7. Отжиг

 

 

 

Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяется в тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное состояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаще всего пониженной пластичности. 
Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены три разновидности неравновесных состояний.

1. Неравновесное состояние,  свойственное литым ставам. Скорость  охлаждения сплавов при кристаллизации  слитков значительно превышает  скорости охлаждения, необходимые  для равновесной кристаллизации. Рассмотренные особенности литой структуры деформируемых алюминиевых сплавов, в частности неравновесная эвтектика по границам дендритных ячеек в виде почти непрерывных ободков интерметаллидных фаз (рис. 1.12), обусловливают пониженную пластичность слитков, особенно из высокопрочных (высоколегированных) сплавов, а отсюда трудности их деформирования.

2. Неравновесное состояние, вызванное  пластической деформацией, особенно холодной. Основные особенности структуры деформированного алюминия и его сплавов, а также причины нестабильности деформированного металла описаны выше.

3. Неравновесное состояние,  являющееся результатом предыдущей  упрочняющей обработки (закалки и старения). Основная особенность такого состояния — присутствие в сплаве более или менее пересыщенного (легирующими компонентами) твердого раствора с дисперсными выделениями интерметаллидных фаз. Между этим неравновесным состоянием и двумя выше рассмотренными имеется принципиальное различие: оно может быть получено только в сплавах, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии, т.е. в термически упрочняемых сплавах, в то время как два других состояния наблюдаются и в сплавах без фазовых превращений в твердом состоянии, и в сплавах с такими превращениями.

Все рассмотренные разновидности  неравновесных структур могут быть устранены отжигом, причем во всех случаях  после отжига повышается пластичность (хотя другие свойства в зависимости от исходного состояния меняются по-разному). Очевидно, что процессы, происходящие при отжиге литого, деформированного и предварительно термически обработанного материала, различны, а следовательно, необходимо выбирать и разные режимы отжига.

В соответствии с тремя  рассмотренными выше разновидностями  неравновесных состояний, наблюдающихся  у алюминиевых сплавов, различают три разновидности отжига: 
1) гомогенизирующий отжиг слитка, или гомогенизация; 
2) рекристаллизационный и дорекристаллизационный отжиг деформированных изделий после обработки давлением; 
3) гетерогенизационный отжиг, как правило, термически упрочненных полуфабрикатов (дораспад пересыщенного твердого раствора и коагуляция выделившихся интерметаллидов) с целью разупрочнения.

Гомогенизация - разновидность отжига, которая применяется при производстве деформированных полуфабрикатов. Гомогенизация слитка - первая термическая обработка в технологическом процессе. Слиток с неоднородной, термодинамически неустойчивой структурой подвергают отжигу, в результате которого его структура становится более гомогенной, пластичность повышается, что позволяет значительно интенсифицировать последующую обработку давлением (прессование, прокатку) и уменьшить технологические отходы. Во многих случаях гомогенизация позволяет также улучшить свойства деформированных полуфабрикатов.

Рассмотрим сущность гомогенизации  и принципы выбора режима гомогенизации  на примере двойного сплава А1—4% Cu (рис. 1.13). Хотя равновесная структура сплава представляет собой обедненный медью твердый раствор и вторичные выделения 0-фазы (А1₂Cu), в слитках в результате неравновесной кристаллизации образуется неравновесная эвтектика, интерметаллидный ободок по границам дендритных ячеек (см. рис. 1.12) состоит из эвтектических (достаточно грубых) включений 0-фазы (А1₂Cu). Очевидно, что если сплав нагреть до температуры выше температуры сольвуса и выдержать при этой температуре, то эвтектические включения 9 (А1₂Cu) растворятся, выровнится концентрация меди по сечению дендритных ячеек и сплав будет иметь гомогенную однофазную структуру. Из вышеуказанного следует, что температура гомогенизации (troM) должна быть выше температуры полного растворения легирующих компонентов в алюминии, т.е. выше на рис. 1.13, но ниже температуры равновесного солидуса (tсол). Кроме того, при выборе температуры гомогенизации следует учитывать наличие в слитке неравновесной эвтектики, температура плавления которой равна tэв. Если слиток быстро нагреть до температуры выше tзв. то эвтектика расплавится, образовавшаяся жидкость через некоторое время снова закристаллизуется, по-скольку медь из нее продиффундирует в твердый раствор. Тем не менее нагрев при гомогенизации, да и при любом виде термообработки, до появления жидкой фазы обычно не допускается, поскольку это сопровождается межзеренным окислением и образованием пористости, что приводит к снижению прочности и особенно пластичности сплавов.