41. Деформируемы алюминиевые сплавы. Состав, термическая обработка.
Классификация: По физико-химическим и технологическим свойствам все деформируемые алюминиевые сплавы можно разделить на следующие группы:
1) Малолегированные и термически не упрочненные сплавы;
2) Сплавы, разработанные на базе систем: Al-Mg-Si, : Al-Mg-Si-Cu-Mn (АВ, АК6, АК8);
3) Сплавы типа дуралюмин (Д1, Д6, Д16 и др);
4) Сплавы, разработанные на базе системы: Al-Mg-Ni-Cu-Fe (АК2, АК4, АК4-1);
5) Сплавы типа В95, обладающие наибольшей прочностью при комнатной температуре.
Эти сплавы в виде листа, ленты, гофра, фасонного профиля и поковок особенно широко применяют в самолетостроении для обшивки самолета и изготовления ответственных деталей (пропеллеров и др.).
Сочетая небольшой удельный вес (около 3 г/см3) с высокой прочностью (δв до 70 кг/мм2), они являются наилучшим современным конструкционным материалом для самолетостроения.
Представителем этой группы сплавов является дюралюминий.
Сплавы, обозначаемые марками Д1, Д16, ДЗП и др., содержат различные количества меди, марганца, магния и кремния. Буква Д обозначает название сплава — дюралюминий, цифра — порядковый номер.
Средний химический состав дюралюминия следующий:
медь 3—5%,
магний 0,5—1,8%,
марганец 0,3—0,8%,
кремний 0,5— 1.2%,
железо меньше 0,1%,
алюминий — остальное.
Максимальные механические свойства эти сплавы приобретают после закалки до температуры 500 ±5° в воде и естественного старения (выдерживания при комнатной температуре) в течение четырех суток (сплав Д1, Д6, Д16).
В качестве деформируемых (для поковок) применяют также сплавы марок АК2. АК4 и др. Буквы показывают назначение сплава: алюминиевый — для поковок, цифры — порядковый номер.
В состав этих сплавов, кроме меди, марганца и магния, входит небольшое количество никеля. Такие сплавы применяют, в частности, для изготовления поршней авиационных моторов.
Т.О. Закалка
Цель закалки - получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние (пересыщенный твердый раствор с максимальным содержанием легирующих элементов). Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, непосредственное повышение (по сравнению с равновесным состоянием) твердости и прочности, а с другой стороны, возможность дальнейшего упрочнения при последующем старении.
Закалку применяют для сплавов, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии.
В алюминиевых сплавах, используемых в промышленности, наблюдается лишь один вид фазовых превращений: при нагреве интерметаллидные фазы растворяются в алюминии, а при охлаждении вновь выделяются из твердого раствора.
Таким образом, закалка возможна только для алюминиевых сплавов, содержащих компоненты, растворимость которых в твердом алюминии возрастает с температурой (Сu, Mn, Si, Zn, Li), причем в количествах, превышающих растворимость при комнатной температуре.
Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие компоненты находящиеся в интсрметаллидных фазах, полностью или частично растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до низкой температуры (10...20 °С).
Температура нагрева под закалку различных промышленных сплавов колеблется в пределах от 450 до 560 ºС.
Выдержка при температуре нагрева под закалку должна обеспечить растворение интерметаллидных фаз, поэтому она зависит от величины частиц и характера их распределения.
После закалки сплавы, обладая повышенной по сравнению с отожженным состоянием прочностью, сохраняют высокую пластичность. Однако роль закалки, как уже отмечалось, не ограничивается ее непосредственным влиянием на свойства. Обусловливая получение пересыщенных твердых растворов легирующих компонентов в алюминии, закалка обеспечивает возможность дальнейшего повышения прочности при старении.
Старение
Старение представляет собой выдержку закаленного сплава при некоторых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят структурные изменения, являющиеся подготовкой к распаду.
Цель старения - дополнительное повышение прочности закаленных сплавов.
Распадом называют процесс, в результате которого из одной фазы (пересыщенный твердый раствор) образуются две фазы: твердый раствор, обедненный легирующими компонентами и выделения интерметаллидов, отличающиеся от твердого раствора по составу и кристаллической решетке, и отделенные от твердого раствора поверхностью раздела.
Сильная пресыщенность твердого раствора в закаленном сплаве обусловливает его термодинамическую нестабильность.
Распад твердого раствора, приближающий фазовое состояние к равновесному, а следовательно, к уменьшению свободной энергии сплава, является самопроизвольно идущим процессом.
Во многих закаленных алюминиевых сплавах подготовительные стадии распада, а иногда и начало собственно распада проходят без специального нагрева, при вылеживании в естественных условиях в цехе, на складе или в другом помещении, в котором хранятся изделия, где температуры обычно находятся в пределах от 0 до 30 °С.
В некоторых алюминиевых сплавах (Al-Cu-Mn) подготовка к распаду и начальные стадии распада происходят лишь при нагреве закаленного сплава до температуры 100...200 °С.
Смысл этого нагрева - термическая активация диффузионных процессов.
Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях (при температуре окружающей среды), которая приводит к определенным изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается), называютестественным старением.
Нагрев закаленных алюминиевых сплавов до относительно невысоких температур (обычно в интервале 100...200 °С) и выдержку при этих температурах (в пределах от нескольких часов до нескольких десятков часов) называютискусственным старением. В России принята следующая система обозначений состояний деформируемых алюминиевые сплавы после упрочняющей обработки:
закалка и естественное старение - Т;
закалка и искусственное старение на максимальную прочность - Т1;
закалка и искусственное старение с некоторым перестариванием для повышения коррозионной стойкости (главным образом с целью обеспечения достаточной устойчивости против расслаивающей коррозии) - Т2;
закалка и искусственное старение с большим перестариванием, чем в предыдущем случае, для обеспечения необходимой устойчивости против коррозионного растрескивания - Т3.
закалка с температуры окончания горячей обработки давлением и последующее искусственное старение на максимальную прочность - Т5;
закалка, усиленная правка растяжением (1,5-3 %) и искусственное старение на максимальную прочность - Т7.
Возврат после старения
Явление возврата после старения было открыто на дуралюмине. Если естественно состаренный дуралюмин нагреть до температуры примерно 250 ºС, выдержать 20-60с. и быстро охладить, то его свойства возвращаются к значениям, характерным для свежезакаленного состояния.
Сущность явления возврата состоит в том, что зоны ГП, возникшие при естественном старении, во время нагрева сплава выше их сольвуса (если сплав нагреть до температуры выше температуры сольвуса (в диаграмме состояния, положение точек, представляющих температуру, при которой твердые фазы с переменным химическим составом сосуществуют с другими твердыми фазами, то есть показывающие пределы растворимости в твердом состоянии) и выдержать при этой температуре, то эвтектические включения Ө (Al2Cu) растворятся, выравнивается концентрация меди по сечению дендритных ячеек и сплав будет иметь гомогенную однофазную структуру.) растворяются, а метастабильные и стабильные фазы из-за короткой выдержки не успевают образоваться и быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор.
Температура обработки дуралюмина на возврат (250 ºС) далека от температуры нагрева под закалку (500 ºС), необходимого для растворения стабильных фаз.
После обработки на возврат дуралюмин, как и после обычной перезакалки, способен упрочняться при естественном старении.
Повторная обработка на возврат вновь его разупрочняет и т. д. (рис. 8).
Так как при каждом нагреве до температуры возврата все же успевает в небольшой степени пройти необратимое фазовое старение (особенно по границам зерен), то с каждым циклом свойства несколько отклоняются от свойств свежезакаленного сплава.
В частности, усиливается склонность дуралюмина к межкристаллитной коррозии.
Обработку на возврат можно проводить, когда требуется восстановить пластичность дуралюмина перед гибкой, отбортовкой и т п, а перезакалка нежелательна из-за коробления.
Основной технологический недостаток обработки на возврат – необходимость строгого (с точностью до 10с.) регулирования времени выдержки изделий в селитряной ванне.
В теории старения явление возврата играет большую роль, так как позволяет оценить стабильность зон ГП, полученных в разных условиях старения, и определить температуру их растворения.
Возврат можно наблюдать не только после старения с образованием зон ГП и не только в алюминиевых сплавах.
Обработкой на возврат в принципе можно растворять и зоны ГП, и выделения метастабильных фаз в сплавах на разной основе.