Контрольная работа по «Материаловедение. Технология конструкционных материалов»

Процессы, происходящие при старении магниевых сплавов, наиболее полно изучены на примере  системы Mg-Al.

Максимальная растворимость  алюминия в магнии достигает 12,7% и  резко уменьшается с понижением температуры. При комнатной температуре растворимость алюминия в магнии достигает 2%. Таким образом, сплавы в системе Mg-Al должны быть способны к дисперсному твердению при содержании более 2% Al. Заметное упрочнение наблюдается при содержании более 6% Al.

При старении сплавов Mg-Al не наблюдается сложных промежуточных стадий, как при старении сплавов Al-Cu. При распаде магиевоалюминиевых сплавов из перенасыщенного твердого раствора сразу выделяется равновесная г фаза. Распад перенасыщенных растворов начинается с границ зерен, а затем распространяется на их объем.

Первые эффекты старения связанные с более сильной  травимостью границ зерен состаренных  образцов по сравнению с закаленными. При дальнейшем старении появляются темные легко травящиеся области  вдоль границ зерен. Эти темные области с увеличением длительности и повышения температуры старения постепенно распространяются внутри зерен.

Выделяющиеся дисперсные частицы г-фазы на начальных этапах старения кристаллографически ориентированы  относительно матрицы. Они имеют форму пластинок, поверхность которых параллельна плоскостям (0001) матрицы. Расстояние между дисперсными частицами велико (?200 нм), что является одной из причин слабого упрочнения сплавов Mg-Al при старении. С повышением температуры и увеличением продолжительности старения вторая фаза начинается укрупняться и эффект упрочнения снижается. Рост кристаллов г-фазы начинается еще до полного распада б-фазы, поэтому наибольшая прочность достигается до того, как г-фаза полностью выделится из твердого раствора.

Максимальное упрочнение в сплавах этой системы наблюдается  на стадии, когда микроскопическим анализом каких-либо структурных изменений  уловить не удается, отмечается повышение  травимости границ зерен.

В сплавах системы Mg-Li, дополнительно легированных алюминием или цинком, перенасыщенные твердым раствором распадаются по схеме:

в MgLi2Al AlLi ;

в MgLi2Al ZnLi ( или MgLiZn)

где в - перенасыщенный твердый  раствор на основе лития с ОЦК  решеткой.

Упорядочение этих сплавов  при старении обусловлено тем, что метастабильные фазы MgLi2Al и MgLi2Zn когерентны по отношению к матрице, причем несоответствие параметров кристаллических решеток матрицы и выделений происходит при более низких температурах по сравнению со сплавами других систем, поскольку диффузионная подвижность атомов в ОЦК решетке значительно больше, чем, а плотноупакованных структурах (ГЦК иГП).

Термомеханическая обработка (ТМО) позволяет повысить временное  сопротивление разрыву магниевых  сплавов на 20-25%, а предел текучести  более чем в 2 раза. Полученное упрочнение сохраняется до сравнительно высоких температур. ТМО обработку имеет смысл применять лишь для тех магниевых сплавов, в которых эффект упрочнения при распаде перенасыщенных твердых растворов достаточно высок.

Различные виды термической  обработки магниевых сплавов для краткости изх описания обозначают следующим образом:

Т1 - искусственное старение без предварительной закалки

Т2 - отжиг

Т4 - закалка

Т16 - закалка в горячую  воду и старение

магний сплав термический

Классификация магниевых  сплавов

Химический состав основных отечественных магниевых сплавов  приведен в таблице. Магниевые сплавы, как и алюминиевые, по способу  производства из них полуфабрикаты  и изделий разделяют на 2 основные группы:

А) Деформируемые - для  производства полуфабрикатов различными методами обработки давлением; Б) Литейные - для получения детали методами фасонного литья.

Деформируемые и литейные магниевые сплавы маркируют соответственно буквами МА и МЛ.

По плотности магниевые  сплавы разбиваются на легкие и сверхлегкие. К сверхлегким относится сплавы, легированные литием (МА21,МА18), а к легким - все остальные. Сплавы магния с литием (МА21,МА18) - самые легкие конструкционные металлические материалы.

При классификации по возможным температура эксплуатации магниевых сплавы подразделяются на следующие группы:

1) Предназначены для  работы при обычных температурах (сплавы общего назначения);

2) Жаропрочные (для  длительной эксплуатации при  температурах до 200°С);

3) Высокожаропрочные  (для длительной эксплуатации  при температурах до 250 - 300°С)

4) Предназначены для  эксплуатации при криогенных  температурах

Различают термические  упрочняемые термически неупрочняемые  сплавы.

Магниевые сплавы разделяются  так же а группы в зависимости  от той системы, к которой они  относятся по своему химическому составу.

Технический магний

Свойства магния технической  чистоты существенно завися от содержащихся в нем примесей. Основные примеси  в магнии: алюминий, железо, кремния, натрия, калия, медь и никель.

Алюминий обладает большой растворимостью в магнии и в тех количествах, в которых он встречается как примесь, полностью входит в твердый раствор. В этих количествах алюминия заметно не влияет на структуру и свойства магния.

Железно, натрий и калий  не растворяются в твердом магнии и не образуют с ним соединений. В структуре магния появляются включения кристаллов этих элементов при ничтожно малых их содержания.

Кремний, медь и никель образуют соединения Mg2Si,Mg2Cu и Mg2Ni, в  которых не растворяется магний в  твердом состоянии. Выделения эти соединений появляются в структуре металла при самых малых содержаниях указанных примесей. Из-за эвтектического характера взаимодействия с магнием включение этих соединений располагаются по границам зерен.

Наиболее вредные примеси  в магнии: Железо, медь и особенно никель. Эти элементы сильно ухудшают коррозионную стойкость магния. Их содержание в техническом магнии не должно превышать, %:0,0Fe; 0,005Cu; 0,001 Ni. В литейных магниевые сплавах допускается большое содержание примесей, в частности до 0,08% Fe; до 0,01% Ni; до 0,1%Cu.

Литой магний имеет крупнокристаллическое  строение с включением по границам зерен вторых фаз, образованные указанными выше примесями. Механические свойства литого магния невысоки:

ув=80ч110 Мпа; д=6ч8% и НВ 30 (300 Мпа)

у0,2 =20ч30 Мпа; Ш=9ч10%

Свойства деформированного и отожженного магния несколько  выше

ув=180 Мпа; д=15ч17%

у0,2 =98 Мпа; НВ 40 (400 Мпа) .

Однако пластичность магния остается невысокой ввиду  его гексагональной структуры. Предел выносливости отожженного магния при базе 5*108 циклов составляет 63Мпа.Прочностные свойства магния можно повысить нагартовкой.Однако упрочнение магния при наклепки менее значительно, чем алюминия.Эта закономерность также связана с кристаллической структурой обычно менее интенсивно наклепываются, чем металлы с кубической струтурой.

Из за гексогональной структуры в деформированных  полуфабрикатах магния и его сплавой  развивается ярко выраженная текстура деформации. В проволоке и прессованных прутках з магния и его сплавов  вдоль оси установленного направления <1101>, а плотноупакованные направления <1120> составляет угол 30° с осью проволоки и прутка. В листах плоскость базиса (0001) устанавливается параллельно поверхности листа, в направление наиболее плотной упаковки атомов <1120> имеют тенденции. Ориентироваться вдоль направления прокатки.

В связи с ярко выраженной текстурой деформации механические свойства деформированных полуфабрикатов магния и его сплавов обнаруживают сильную анизотропию. Различие свойств  полуфабрикатов в разных направления может достигать 30 - 35 %.

Сильно нагартованный  вхолодную магний начинает рекристализоваться при температурах выше 150°С.Критическая  степень деформации, при которой  вырастает максимально рекристализованное зерно, равно 5-10%

Деформированные магниевые сплавы

По основным легирующим элементам магниевые сплавы подразделяются на несколько групп.

1) Относят сплав, в  которых основным легирующим  элементом является марганец.Марганец  образует с магнием соединения  и выделяется в нем в чистом  виде. С понижением температуры растворимость марганца а магнии резко уменьшается и составляет 0,8% при 500°С, при 200°С она практически равна нулю.Тем не менее сплавы системы Mg-Mn, как и сплавы Al-Mn термической обработкой не упрочняются.

Основная цель легирования  магния марганцем - улучшить коррозийную стойкость и свариваемость.Повышение коррозийной стойкости магния при введении в него марганца объясняется образованием соединения марганца с железом, которое обладает большейплотностью и оседает на дно тигля, очищая основную массу расплава от железа.

Двойной сплав системы Mg-Mn (MA1) в настоящее время почти  не производят. большее распространение  получил сплав МА8, легированный, помимо марганца, небольшим добавлением  церия. Для обеспечения достаточно высокой корроионной стойкостьи марганца необходимо вводить в конценрациях не мение 1,3% (по массе). Структура сплава МА8 представлена твердым раствором марганца в магнии, выделением чистого марганца и соединением Mg9Ce, которое в структуре сплава при световых увеличениях не обнаруживается из-за его выскокой дисперсности.

Введение церия в  сплав МА8 приводт к повышению  временного сопротивления разрыву  предела текучести, относительно удлинения, обрабатываемости в холодном состоянии. Улучшение свойств сплавов Mg-Mn при  введении церия связанно в основном с образованием дисперсных выделений соединений Mg9Ce и измельчением вследствие этого зерна.

Сплав МА8 отличается высокой  технологической пластичностью, средней  прочностью, высокой коррозионной стойкостью, хорошей, свариваемостью. Из него получается плиты, листы, штамповки, профили и трубы. Сплав не упрочняется термической обработкой, и полуфабрикаты из него поставляются в основном в отожженном состоянии. Сплав предназначен для изготовления несильно нагруженных деталей, в процессе производства которых требуется хорошие пластичность и свариваемость, а в эксплуатации высокая коррозионная стойкость, в частности арматуры бензо- и маслосистем.

2) Деформируемых магниевых  сплавов отноститься к системе  Mg-Al-Zn-Mn.

Алюминий цинк обладает высокой растворимостью в магнии, которая достигает 12,6% Al и 8,4% Zn (в двойных системах Mg-Al и Mg-Zn соответственно). Высокая растворимость алюбминия и цинка в магнии сохраняется и для тройной системы Mg-Al-Zn. Растворяясь в магнии, алюминий и цинк обеспечивают достаточно большой эффект упрочнения.

С понижением температуры  растворимость алюминия и цинка  в магнии уменьшается, так что  сплавы системы Mg-Al-Zn упрочняются при  закалке и старении. Этот эффект наблюдается в сплавах, содержащих более 8% Al. Упрочнение при старении обусловлено выделением упрочняющих фаз г (Mg4Al3) и Т (Mg3Zn3Al2).

3) Деформируемых магниевых  сплавов (МА14,МА15,МА19,МА20) принадлежит  в системе Mg-Zn-Zr. Сплавы этой  группы отличаются высоким механическими  свойствами, что обусловлено упрочняющим действием цинка в сочетании с модифицирующим действием циркония. Цирконий не образует соединения с магнием, но обладает высокой химической активностью по отношению в легирующим элементам магниевых сплавов, примесями и газам.

При введении циркония образуются тугоплаквие, нерастворимые в жидком магнии интерметаллиды Zn2Fe3 и ZnFe, оседающие на дно расплава, а в результате чего металл очищается от вредной примеси - железа. Помимо этого, цирконий связывает водород и с тем самым препятствует развитию пористости.

Оставшийся в растворе цирконий взаимодействует с магнием  по перитектической реакции, в результате чего образуется обогащенные цирконием  кристаллы, которые обеспечивают увеличение числа центров кристаллизации. Области, обогащенные цирконием, препятствуют так же росту зерна при рекристаллизации.

Цирконий повышает прочность, пластичность и коррозионную стойкость  магниевых сплавов. Однако введение циркония в магниевые сплавы связанно с большими технологическими трудностями  из- за малой растворимости циркония в жидком магнии.

Сплавы этой группы дополнительно  легируют кадмием и редкоземельными  элементами. Кадмий, неограниченно  растворяющийся в магнии, повышает технологическую пластичность сплавов, их прочностные и пластические свойства. Редкоземельные элементы, образуя интерметаллиды, улучшают механические свойства сплавов, особенно при повышенных температурах.

4) Представлена магниевыми  сплавами, в которых главными  легирующими элементами являются  редкоземельные металлы. К сплавам  рассматриваемой группы МА11 и  МА12. Основной легирующий элемент этих сплавах - неодим (2,5-3,5 %), причем сплав МА11 дополнительно легирован марганцем и никелем, в сплав МА12 - цирконием.

Неодим обеспечивает высокую жаропрочность, которая  обусловлена достаточной стабильностью  твердого раствора и небольшой скоростью коагуляции упрочняющей фазы Mg9Nd при температурах эксплуатации. Растворимость фазы Mg9Nd в магнии в интервале 150-300°С невелика и почти не зависит от температуры, что существенно ограничивает коагуляцию выделений этой фазы.

В сплавах и РЗМ марганец и никель существенно повышают их сопротивление ползучести, длительную прочность и в меньшей степени временного сопротивления разрыву, но не влияет на сопротивление ползучести и длительную прочность.

Основная цель легирования  цирконием - измельчение зерна, в результате чего улучшается технологическая пластичность.

Коррозионная стойкость  сплава МА11 крайне низка из за легирования  никелем, поэтому почти полностью  вытеснил сплав МА12.

Последнюю группу деформированных  магниевых сплавов составляет сплавы системы Mg-Li. Легирование магния еще более легким литием ( плотность 0,53 г/см3). Сплавы Mg-Li отличаются очень высокой пластичностью вследствие этого весьма технологичны при обработке давлением. Диаграмма состояния систем Mg-Li позволяет объяснить необычную высокую пластичность магниелитиевых сплавов. У обоих компонентов имеется значительная взаимная растворимость в твердом состоянии, причем литий растворяется больше мания, чем магний лития. Сплавы содержащие более 10,4 % лития, имеют структуру твердого в-раствора на основе литии с кубической решеткой. Большое число систем скольжения, свойственное кубической решетке ( по сравнению с гексагональной), и обусловливает резкий рост пластичности при появлении в-фазы в структуре сплавов.