Лабораторная работа № 6

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

Цель работы: ознакомиться с основными понятиями термической обработки алюминиевых сплавов. Определить влияние температуры и времени старения закаленного дуралюмина на механические свойства (твердость).

Краткие теоретические сведения

Дуралюмин ‒ сплав алюминия с медью (2,6–4,9%), магнием (0,15– 2,7%), марганцем (0,2–1,0%) [1, 2, 3, 4]. Благодаря малому удельному весу и высоким механическим свойствам сплав находит широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. В зависимости от химического состава сплавы маркируются буквой Д и цифрой, указывающей на номер сплава (ГОСТ 4784-97), например Д1, Д16, Д18. Химический состав и маркировки по ИСО 209-1-89 представлены в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Химический состав алюминиевых сплавов систем «алюминий ‒ медь

‒ магний»

61

Отжиг дуралюмина

Из диаграммы «алюминий ‒ медь» (рис. 6.1) видно, что растворимость меди в алюминии изменяется от 0,2 при 0 ºС до 5,65% при 548 ºС. Это обстоятельство позволяет получить пересыщенные твердые растворы меди в алюминии по механизму замещения.

Рис. 6.2. Микроструктура литого дуралюмина марок Д1 (а) и Д16 (б, в)

Структура дуралюминов после литья представляет собой неоднородный твердый раствор и выделения хрупких неравновесных эвтектических включений CuAl2 (θ-фаза), Al2CuMg (S-фаза), Al6CuMg4 (Т-фаза) и др. по границам зерен и между ветвями дендритов. Для устранения дендритной ликвации слитки, перед обработкой давлением, подвергают гомогенизационному отжигу. В процессе гомогенизации состав зерен твердого раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются. В процессе после-

62

дующего охлаждения интерметаллиды выделяются в виде равномерно распределенных мелких вторичных включений (рис. 6.2).

Вследствие этого пластичность литого сплава повышается, что позво-

ляет увеличить степень обжатия при горячей обработке давлением, скорость

прессования и уменьшить технологические отходы. Гомогенизация способ-

Рис. 6.3. Микроструктура сплава Д16 послеИгомогенизационного отжига (а), после деформацииДи отжига (б)

ствует получению мелкозернистой структуры в отожженных листах и

ва до температурСвыше температуры окончания первичной рекристаллизации. При нагреве деформированных металлов и сплавов до температуры рекристаллизации в них начинается процесс образования и роста новых зерен с совершенной кристаллической структурой (рис. 6.3, б). Все свойства деформированного металла в результате рекристаллизации меняются в направлении, обратном тому, в каком они менялись при холодной деформации: прочность и твердость уменьшаются, а пластичность растет.

Для большинства алюминиевых сплавов при степени деформации 50‒70% температура начала рекристаллизации находится в пределах 280‒300 ºС. Температура рекристаллизационного отжига в зависимости от состава сплава колеблется от 300 до 500 ºС (высокий отжиг) с выдержкой 0,5‒3,0 ч. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой, скорость охлаждения до 200‒250 ºС должна быть ~30 ºС /ч.

63

Закалка и старение дуралюмина

Наличие переменной растворимости меди и магния в алюминии дает возможность применить к дуралюминам закалку со старением.

Рис. 6.5. Влияние температуры закалки на механические свойства дуралюмина

64

В отличие от стали закалка дуралюмина не изменяет существенно его твердости и прочности, а пластичность даже повышается (рис. 6.5). Это обусловлено типом твердого раствора. Искажения кристаллической решетки при замене атомов растворителя атомами растворяемого вещества хотя и существуют, но не оказывают значительного влияния на движение дислокаций. Однако с течением времени сплавы упрочняются. Длительность этого периода зависит от степени легирования сплава медью и магнием. Так, для сплава Д1 длительность составляет 2 ч после закалки, для Д16 – до 30 мин, для Д18 – 3 и более часов, а сплав В65 – практически не упрочняется.

Таблица 6.2. Продолжительность нагрева дуралюмина при закалке

куляцией воздуха. Время выдержки приведено в табл. 6.2. В качестве охлаждающей среды применяется вода с температурой не выше 30–40 ºС для тонкостенных изделий и подогретаяидо 60–80 ºС – для толстостенных. Более высокая температура охлаждающей среды в последнем случае необходима для предупреждения трещ н уменьшения внутренних напряжений.

Большое Свлиян е на показатели прочности алюминиевых сплавов оказывает время перенесения изделий из печи в охлаждающую среду и температура закалки. Промежуток времени от выемки изделий из печи до погружения в воду не должен превышать 30 с. Температуры закалки не должны превышать указанных в табл. 6.3. Это связано с оплавлением участков эвтектики по границам зерен, окислением этих границ и другими структурными изменениями, происходящими со сплавами при повышенных температурах (см. рис. 6.5).

В зависимости от состава дуралюмина через 20–120 мин начинается заметное повышение твердости. При комнатной температуре процесс старения особенно интенсивно протекает в течение первых суток и практически заканчивается спустя 4‒5 дней, после чего прочность дуралюмина становится наиболее высокой.

Изменение свойств закаленных сплавов, происходящих при комнатной температуре без заметного изменения микроструктуры, называют ес-

тественным старением.

65

Таблица 6.3. Режимы термической обработки

Рис. 6.6. Зона ГП в алюминиевом сплаве

66

Каких-либо изменений во внутреннем строении сплава с помощью оптического микроскопа обнаружить не удается (см. рис. 6.4, б). И только рентгеноструктурный анализ указывает на образование в состаренном сплаве областей твердого раствора, обогащенных медью. Эти области называются зонами Гинье–Престона (ГП). В зависимости от соотношения размеров атомов алюминия и легирующих элементов зоны могут иметь форму дисков или сфер и когерентно связаны с матрицей (рис. 6.6).

Различаются зоны ГП-1 и ГП-2. Первые имеют меньшие размеры (толщиной 0,5‒1 нм и протяженностью 1‒10 нм) с хаотичным расположением атомов легирующего компонента. У зон ГП-2 размеры значительно больше (толщина 1‒4 нм и диаметр 20‒30 нм) и взаимное расположение атомов алюминия и легирующего элемента упорядоченное.

Атомный диаметр меди на 10% меньше, чем у алюминия, и потому

Образование зон Гинье–Престона – процесс затухающий. Это связано с аннигиляцией вакансий и искажением кристаллической решетки. Как правило, естественное старение завершается через 96 ч.

Повышение температуры Азначительно сокращает продолжительность старения. Упрочнение закаленного сплава при температурах выше 100 ºС называется искусственнымбстарением. При искусственном старении образуются промежуточные фазы θ" и θ' c соотношением атомов Сu: Аl = 1 : 2, т. е. таким жеи, как в ста ильной фазе.

Фаза θ" имеет тетрагональную решетку, полностью когерентную с матрицей (т. е. Содин з слоев пр надлежит и матрице, и θ"-фазе). По плоскостям, заполненным только атомами меди, из-за размерного несоответствия атомов меди и алюминия возникают сильные упругие искажения матрицы. Частицы θ"-фазы во много раз крупнее зон ГП и достигают толщины 10,0 нм и диаметра 150,0 нм.

При температуре 200 °С более устойчива θ'-фаза. θ'-фаза также имеет тетрагональную решетку, но лишь частично когерентную с матрицей. Это значит, что поле упругих искажений вокруг таких выделений слабее. Размер частиц этой фазы превосходит примерно в два раза размер частиц θ".

Дальнейшее повышение температуры приводит к переходу метастабильной θ'-фазы в стабильную θ-фазу (CuAl2) и к коагуляции частиц последней. Образование частиц θ-фазы обнаруживается при помощи оптического микроскопа (см. рис. 6.4, в). Некоторые данные, характеризующие изменение прочности в зависимости от температуры старения и времени выдержки, приведены на рис. 6.7.

Можно указать три главные причины упрочнения в результате закалки и старения:

67