Лекция. Цветные металлы и сплавы на их основе

Все металлы и сплавы, кроме железа и сплавов на его основе, относятся к группе цветных металлов и сплавов. Наибольший интерес среди конструкционных материалов представляют металлы и сплавы с низкой плотностью, а так же медь и сплавы на её основе. К материалам с низкой плотностью относятся сплавы на основе алюминия, титана, магния. Особую группу представляют сплавы на основе меди: бронза и латунь.

Алюминий и сплавы на его основе

В алюминии сочетается весьма ценный комплекс свойств: малая плотность (2,7 г/см³), высокие теплопроводность и электропроводность (62% от электропроводности меди), высокая пластичность, хорошая коррозионная стойкость. Прочность чистого алюминия невысока 8 кгс/мм² (80 МПа). Температура плавления алюминия 660 °С.

Чистый алюминий в электротехнике успешно заменяет медь, осо­бенно в производстве массивных проводников, например, в воздушных линиях и высоковольтных кабелях, шинах распределительных устройств, трансформаторах.

В машиностроении применяются сплавы на основе алюминия, которые подразделяются на две группы: деформируемые алюминиевые сплавы и сплавы для фасонного литья – литейные сплавы.

1. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат легирующие элементы в количестве, не превышающем предельную растворимость при эвтектической температуре. Эти сплавы при температуре деформации имеют структуру однофазного твердого раствора и обладают высо­кой пластичностью, позволяющей осуществлять обработку давлением (прокатку, прессование, волочение и т.п.). Сплавы широко используются во всех отраслях промышленности (табл.4.1).

Из деформируемых алюминиевых сплавов делают листы, плиты, профили, трубы, проволоку, фольгу и т.п.

Многие сплавы упрочняются в результате полной термической обработки – закалки и старения. Такими сплавами являются, в частности, дуралюмины – группа сплавов на основе алюминия с добавками 3-5 % меди, 0,4-2,4 % магния, 0,3-1,0 % марганца. Типичными дуралюминами является сплав Д1 (3,8-4,8 % Сu; 0,4-0,8 % Mg; 0,8 % Mn; остальное Al) и более прочный Д16 (3,8-4,9 % Cu; 1,2-1,8 % Mg; 0,3-0,9 % Mn). В настоящие время к группе сплавов типа дуралюмины могут быть отнесены сплавы

Таблица 4.1

Химический состав и свойства некоторых алюминиевых сплавов

Марка сплава	Содержание элементов, %				Режим термообработки	Механические свойства
	Сu	Mg	Мn	Прочие		σв, МПа	σ0,2, МПа	δ,%
Деформируемые сплавы, неупрочняемые термической обработкой (ГОСТ 4784-74)
АМц	0,1	0,2 1,0-1,6		-	Отжиг	130	50	30
АМг2	0,1	1,8-2,6 0,2-0,6		-	То же	190	100	23
АМг5	0,1	5,8-6,8 0,5-0,8		0,02-0,1 Ti; 0,002-0,005 Be	"	340	170	20
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой (ГОСТ 4784-74)
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8		Закалка + старение	400	240 2	20
Д16	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,9		"	440	330	18
В95	1,4-2,0	1,8-2,8	0,2-0,6	0,01-0,25 Cr, 5,0-7,0 Zn	" "	540	470	10
В96	2,0-2,6	2,3-3,0	0,3-0,8	8-9 Zn	"	750	720	7
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2 Si	"	400	300	12
ВАД23	4,8-5,8	<0,05	0,4-0,8	0,9-1,4 Li, 0,1-0,25 Cd	"	450	280	20
01420	-	5,0-6,0	5,0-6,0	1,9-2,3 Li, 0,09-0,15 Zr	"	420	270	5

марок Д1,Д16,Д19,Д20, из которых изготавливаются листы, плиты, профили, трубы, проволока, поковки, фольга.

Сплав Д1 имеет следующие механические свойства (s_в = 42 кгс/мм², d=15 %). Более широкое применение нашел сплав Д16 (s_в = 47 кгс/мм², d=11 %). Этот сплав применяется для изготовления различных деталей иэлементов конструкций средней и повышенной прочности, работающих при переменных нагрузках: строительные конструкции, не требующие высокой коррозионной стойкости, конструкции самолетов (обшивка, стрингеры, шпангоуты), кузова грузовых автомобилей.

Благодаря переменной растворимости легирующих элементов в алюминии (рис.4.1) дуралюмины упрочняются термической обработкой.

После закалки с температуры 500±5 °С в воде структура дуралюмина состоит из перенасыщенного a-твердого раствора меди в алюминии (рис.4.2,б). Упрочнение достигается в результате естественного старения в течение 4-5 суток за счет выделения фаз CuAl₂ и Al₂CuMg .

Рис. 4.1. Диаграмма состояния системы Cu – Al

Все сплавы типа дуралюмин по химическому составу уклады­ваются в следующие пределы: 2,5-6,0 % Cu; 0,4-2,8 % Mg; 0,4-1,0 % Mn, остальное – алюминий.

а б в

Рис 4.2. Микроструктура дуралюмина Д16 (х300):

а – литой сплав (α-тв.раствор, , - фаза ); б – деформированный сплав после закалки (перенасыщенный α-тв.раствор); в – сплав после закалки и старения

Дуралюмины приобретают высокую прочность только после термической обработки: закалки и последующего старения, под которым понимают выдержку сплава при комнатной температуре в течение нескольких суток (естественное старение) или выдержу в течение 30 минут и более при повышенной температуре 120…150 °С (искусственное старение).

Упрочнение сплавов путем закалки и старения возможно благодаря изменению растворимости основного ле­гирующего элемента (меди) в алюминии при повышении температуры от 0,5 % (при комнатной температуре) до 5,7 % при 548 °С .

При комнатной температуре любой отожженный сплав, содер­жащий 0,5-5,7 % Cu имеет двухфазную структуру a + CuAl₂. При нагреве его до температуры выше линии предель­ной растворимости (500 °С) частицы CuAl₂ растворяются в алюми­нии, и сплав получает однофазную структуру a-твердого раствора меди в алюминии.

Быстрое охлаждение в воде задержи­вает выделение частиц CuAl₂ из a- твердого раствора и сплав при комнатной температуре сохраняет однофазную структуру.

Полученный перенасыщенный твердый раствор очень неустой­чив, и уже при комнатной температуре начинается самопроизволь­ный распад его (естественное старение), сопровождающийся по­вышением прочности. Однако наибольший эффект упрочнения достигается в резуль­тате старения закаленного сплава при температуре 100…200 °C (искусственное старение) в течение 20-30 минут. Алюминиевый сплав, содержащий 5% меди, после закалки и искусственного ста­рения имеет s_0,2 = 11,9 кгс/мм², s_в = 22,3 кгс/мм²; после закалки и естественного старения s_0,2 = 32,6 кгс/мм², s_в = 47,5 кгс/мм².

Применение повышенных температур старения приводит к понижению коррозионной стойкости сплава, поэтому искусственное старение рекомендуется, главным образом, для изделий, работающих при повышенных температурах.

Распад a-твердого раствора в процессе старения происхо­дит в несколько стадий:

1.На отдельных атомных плоскостях образуются зоны, обогащенные атомами меди. Они имеют вид прослоек нез­начительной толщины и создают внутренние напряжения на грани­це с a-твердым раствором, что обеспечивает повышение прочности сплава. Эта стадия называется зонной. Зонная стадия старения характерна также для начала искусственного старения, которое развивается дальше. В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди, так называемые зоны Гинье-Престона (ГП).

В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка искажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличивает твёрдость и прочность металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье-Престона увеличиваются, а затем происходит выделение мельчайших частиц интерметаллидов, которые впоследствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье-Престона и достижения стадии так называемого предвыделения приводит к максимальному упрочнению.

2.Участки, обогащенные медью, превращаются в промежуточные тонкопластинчатые неустойчивые фазы, близкие по составу к соединению CuAl₂, но имеющие с a-твердым раствором общую поверхность раздела.

3.Неустойчивые фазы переходят в нормальную фазу CuAl₂ ,что характерно для старения при тем­пературах 100…150 °С. Этот этап называется фазовым старением.

Повышение температуры старения выше 200 °С приводит к коагуляции (укрупнению) частиц CuAl₂ ,что сопровождается уменьшением прочности и пластичности сплава. Имеет место, так называемое, «перестаривание» сплава.

Нагрев подвергнутого термической обработке сплава до темпе­ратуры 350…370°С приводит к полному распаду a-твердого раствора меди в алюминии и коагуляции дисперсных частиц CuAl₂.Это состояние отвечает от­жигу. Сплав в отожженном состоянии имеет низкую прочность, но хорошую пластичность. Подвергаемые деформации полуфабрикаты из дюралюминия отжигают при температуре 350…420 °С в течение 2-4 часов для получения высокой пластичности. Таким образом, процесс упрочнения дуралюмина обеспечивается структурными превращениями.

Имеющийся в сплавах типа дуралюмин магний в количестве 0,8-1,8 % образует сложные химические соединения, существенно повышающие прочность сплава в закаленном и состаренном состоянии.

Основным соединением является Al₂CuMg, имеющее переменную растворимость в алюминии.

Марганец повышает стойкость сплавов против коррозии. Из сплавов типа дуралюмин наиболее широкое применение в настоящее время получил сплав Д16. В закаленном и состаренном состоянии указанный сплав обладает повышенной прочностью.

Сплав Д16 имеет тройную эвтектику с температурой плавления около 507 °С. Сплав закаливают с температуры 495…505 °С во избежание пережога (окис­ление и частичное оплавление границ зерен металла). Охлаждение при закалке выполняется в воде.

Полуфабрикаты из сплава Д16 в основном подвергаются естественному старению (4-7 суток). Искусственное старение (150…170 °С, в течение 6-12 часов) применяется в случае работы изделий при повышенных температурах.

Сплав Д16 применяется для изготовления обшивок, шпангоу­тов, силовых каркасов, ферм, строительных конструкций, кузо­вов автомашин и т.д.