Материаловедение и технология конструкционных материалов

Д л я условного обозначения алюминиевых деформируемых сплавов (ГОСТ 4784-97) используется следующая система. Бук­ ва Д в начале марки обозначает сплавы типа дуралюминов; АК — алюминиевый ковочный сплав; В — высокопрочный сплав; АМц — сплав Al-Мп; АМг — сплав Al-Mg. Цифры после букв1В, Д и К — условный номер сплава; цифра после Мг — средняя массовая доля магния в сплаве.

Сплавы АМц, АМг2 и АМг5 относятся к неупрочняемым тер­ мической обработкой. Из диаграммы состояния А1—Мп видно, что теоретически упрочнение возможно за счет выделения из перенасыщенного раствора дисперсной фазы МпА16. Но присут­ ствие в сплавах постоянной примеси (железа) дает вместо нее сложную фазу (Мп, Fe)Al6, нерастворимую в твердом алюминии, что исключает образование перенасыщенного раствора. Тем не менее пластическая деформация вызывает заметное упрочнение сплава. Эти сплавы идут на изготовление изделий, получаемых глубокой вытяжкой из листовых заготовок, в виде которых они поставляются.

Сплавы АМг практически не упрочняются термической обра­ боткой, но упрочняются нагартовкой (наклепом). Наличие магния повышает склонность сплавов к окислению, а добавка бериллия устраняет этот недостаток, но способствует укрупнению зерна слитков. Для измельчения зерна необходимо микролегирование титаном и цирконием. Из неупрочняемых термической обработ­ кой сплавов изготавливают баки, трубопроводы, заклепки, кор­ пуса судов и лифты.

Упрочняемые термической обработкой сплавы (дуралюмины) характеризуются сочетанием высокой прочности и пластично­ сти. Это сплавы системы Al—Си—Mg. Как следует из диаграммы, приведенной на рис. 7.2, в, максимальная растворимость меди в алюминии составляет 5,65 %, минимальная — 0,1 %. Закал­ кой фиксируется перенасыщенный твердый раствор на базе алю­ миния. Выделяющаяся из раствора при старении 0-фаза (СиА12, а в сплавах системы А1—Си—Mg — CuMgAl2) приводит к резкому упрочнению сплавов. Максимум прочности достигается при со­ держании 4 % меди и 1 % магния. Термическая обработка сплавов включает закалку с 500 °С и последующее старение: ес­ тественное — при комнатной температуре, искусственное — при нагреве до 100... 150 °С. В начальный период старения образу­ ются зоны повышенной концентрации меди — так называемые

зоны Гинье — Престона. В этих зонах кристаллическая решетка алюминия искажена, вследствие чего в кристаллах возникают большие напряжения, что увеличивает прочность и твердость материала. Дальнейшее увеличение выдержки или повышение температуры старения приводит к укрупнению зон, а затем к вы­ делению мельчайших частиц 0-фазы и завершению процесса дисперсионного упрочнения.

У различных по составу стареющих алюминиевых сплавов упрочнение достигается преимущественно за счет зонного либо фазового старения. Следует отметить, что зонное старение обес­ печивает более «мягкое» упрочнение материала, который со­ храняет повышенную пластичность и низкую чувствительность к хрупкому разрушению. Выделение 0-фазы сопровождается снижением пластичности и вязкости.

Достоинством дуралюминов является их высокая удельная прочность, благодаря чему они широко используются в самолето­ строении, недостатком — их пониженная коррозионная стойкость. Для защиты от коррозии дуралюминий плакируют чистым алю­ минием либо подвергают электрохимическому оксидированию. При этом прочность плакированного или анодированного спла­ ва незначительно снижается, зато коррозионная стойкость рез­ ко возрастает.

Высокопрочные сплавы В относятся к системе Al—Zn—Mg—Си и отличаются высокими значениями а„, достигающими 700 МПа. В ходе дисперсионного твердения выделяются сложные фазы интерметаллидов (MgZn, CuMgAl2, Mg3Zn3Al2). Пластичность сплавов невысокая (8 = 7...12 %), но она может быть увеличена путем повышения температуры старения до 170 °С. В этом слу­ чае наблюдается укрупнение и коагуляция дисперсных фаз.

Ковочные сплавы АК отличаются высокой пластичностью. По составу это дуралюмины, но с добавкой кремния. После ста­ рения в сплаве образуются фазы AlCuMgSi и Mg2Si. Из этих сплавов штамповкой при 450...470 °С получают детали самоле­ тов и судов. С ростом содержания меди прочность сплавов уве­ личивается, а пластичность падает.

Литейные алюминиевые сплавы в первом приближении мож­ но разбить на четыре группы: A l—Si, Al—Си, Al—Mg и слож­ ные, содержащие в разной пропорции кремний, медь, магний и другие элементы. Примеры сплавов из каждой группы были приведены в табл. 7.2.

t, °С

____ ь

Рис. 7.3. Диаграмма состояния Al—Si

Рис. 7.4. Микроструктура силумина до (а) и после (б) модифицирования

нием и свариваются, но литейные свойства у них низкие, а отлив­ ки из них пористые. Добавки титана и марганца благоприятно влияют на их свойства, особенно после термической обработки. Сплавы этой группы п р и м е н я ю тс я для изготовления поршней, литейной оснастки и других высоконагруженных деталей.

Литейные сплавы группы A l—M g обладают высокой корро­ зионной стойкостью, прочностью, вязкостью и хорошо обраба­ тываются резанием. Так как в их структуре нет эвтектики, они имеют низкие литейные свойства, отливки из них негерметичны. Примеси железа и кремния резко снижают их пластичность. Эти сплавы склонны к окислению при плавке. Дополнительное легирование бериллием, титаном и цинком устраняет этот не­

ходит, требуется нагрев и длительная выдержка при 200 °С. За­ калку можно производить, охлаждая детали на воздухе.

Дополнительного повышения прочности можно добиться тер­ момеханической обработкой, т.е. пластической деформацией закаленных заготовок перед их старением.

Основным достоинством магниевых сплавов является их вы­ сокая удельная прочность. Легирование магния алюминием, цинком, марганцем и дополнительно цирконием, кадмием, це­ рием и неодимом в сочетании с термической обработкой позво­ ляет достичь ов свыше 400 МПа. При этом цирконий, обладая структурным и размерным прдобием кристаллической решетки, служит хорошим модификатором, а марганец устраняет вредное влияние железа и никеля.

Марки магниевых сплавов, их составы и свойства приведены в табл. 7.3. Магниевые сплавы легко обрабатываются резанием и хорошо свариваются в защитных средах. Их общие недостат­ ки: низкая коррозионная стойкость, малые модули упругости, склонность к газонасыщению и воспламенению. Добавки берил­ лия уменьшают склонность к окислению. Все сплавы делятся на две группы: деформируемые (М А) и литейные (МЛ).

Если в процессе производства в сплавах снижается содержа­ ние железа, никеля и меди, то после марки ставят буквы ПЧ — повышенной чистоты (МЛ5ПЧ).

Таблица 7.3

Составы и свойства магниевых сплавов

166 Раздел I. Материаловедение

По мере увеличения содержания алюминия в сплавах группы Mg—Al прочность возрастает вначале за счет легирования а-фазы, а затем вследствие появления дисперсной упрочняющей фазы Mg4Al3. Но более 10 % алюминия обычно не вводят, так как резко снижается пластичность сплавов. Термическая обработка спла­ вов позволяет повысить прочностные характеристики. Из сплавов этой группы штамповкой изготавливают крыльчатки, жалюзи и другие ответственные авиадетали. Присутствие в них марган­ ца обязательно, так как он устраняет вредное влияние железа.

Сплавы группы M g—Zn относятся к высокопрочным. Фаза MgZn2 упрочняет сплав, но снижает пластичность. Цинк рафи­ нирует и модифицирует сплав. Кроме того, взаимодействуя с во­ дородом, он способствует повышению плотности прессованных деталей. Старение после закалки для этих сплавов нежелательно, так как при нем снижается наклеп и упрочнение за счет выделе­ ния дисперсной фазы не компенсирует этой потери. Сплавы Mg—Zn плохо свариваются, а плавка их затруднена из-за медленного рас­ творения цинка.

Литейные магниевые сплавы близки по составу к деформи­ руемым. Отливки из них характеризуются грубозернистой струк­ турой, что отрицательно сказывается на механических характе­ ристиках. Применение чистых исходных материалов, перегрев расплава, выдержка в расплавленном состоянии и модифициро­ вание измельчают структуру отливок. В качестве модйфикаторов применяют цинк, мрамор и мел.

Наиболее часто употребляются сплавы системы M g—A l—Zn. Широкий интервал, кристаллизации сплавов вызывает появление пористости и трещин в отливках. По мере увеличения содержа­ ния алюминия литейные свойства ухудшаются; появление эвтек­ тики способствует их улучшению, хотя при этом резко снижается пластичность. В связи с малой скоростью диффузии алюминия отливки закаливают на воздухе и подвергают старению при 170...190 °С.

Сплавы с цинком и цирконием, в особенности дополнительно легированные кадмием, отличаются высокими механическими свойствами, а отливки из них имеют плотную мелкозернистую структуру.

Литейные сплавы магния применяют в самолето-, авто- и при­ боростроении.

Медь — металл красного цвета, плотность которого составля­ ет 8,9 г/см3, а температура плавления — 1083 °С. Медь имеет гранецентрированную кубическую решетку и не претерпевает превращений при нагреве. Чистая медь обладает высокой элек­ тропроводностью, пластичностью и коррозионной стойкостью. Свойства меди зависят от степени чистоты металла. Уровень со­ держания примесей определяет ее марку: М00 — 99,96 % Си; МО — 99,93; M l — 99,00; М2-99,7 и М3 — 99,5 % Си.

В литом с о с т о я н и и прочностные свойства меди невысокие (ств = 160 МПа), но пластичность хорошая (5 = 25 %). Холодная пластическая деформация позволяет повысить <УВдо 450 МПа, но пластичность при этом снижается (5 < 3 %).

Медь хорошо куется, но плохо обрабатывается резанием и из-за большой усадки и низкой жидкотекучести имеет плохие литей­ ные свойства.

Вредными примесями, снижающими механические и техно­ логические свойства меди и ее сплавов, являются висмут, свинец, сера и кислород. Висмут и свинец почти нерастворимы в меди и образуют легкоплавкие эвтектики по границам зерен, что сни­ жает способность к пластической деформации. Сера и кислород образуют с медью хрупкие эвтектики Си—Cu3S и Си—Си20, ко­ торые располагаются по границам зерен. При нагреве меди, содер­ жащей кислород, во влажной атмосфере проявляется «водород­ ная болезнь» меди:

Cu20 + Н2 = 2Си + Н20.

Образующиеся между зернами пары воды создают высокое давление и способствуют образованию трещин.

Все сплавы меди в зависимости от основного легирующего эле­ мента делятся на две группы: латуни и бронзы.

Л ат уням и называются двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом яв­ ляется цинк. В системе Си—Zn образуется шесть твердых рас­ творов с различной природой, но в используемых на практике сплавах (до 45 % Zn) структура представлена либо одной а-фазой, либо двумя фазами — а + р.

Из рис. 7.6 следует, что при достижении равновесных струк­ тур сплав, содержащий до 39 % цинка, является однофазным a -твердым раствором цинка в меди. В реальных отливках (i-фаза появляется уже при содержании свыше 30 % цинка. Кроме того, латуни содержат легирующие элементы (Al, Pb, Fe, Ni, Sn, Мп). Все они, кроме никеля, снижают растворимость цинка и способ­ ствуют образованию двухфазной (а + р')-латуни. Твердый а-рас- твор имеет ГЦК решетку и характеризуется высокой пластич­ ностью.

Рис. 7.6. Диаграмма состояния Си—Zn

Электронное соединение CuZn, или p-фаза, существует при температуре свыше 454 °С, имеет неупорядоченное расположе­ ние атомов цинка и весьма пластично. При более низкой темпера­ туре оно превращается в р'-фазу, имеющую ОЦК решетку и упо­ рядоченное расположение атомов. Это хрупкая и твердая струк­ турная составляющая. Латуни со структурой (а + Р') более прочные и износостойкие, чем а-латуни, но пластичность у них низкая. Латуни, содержащие 20 % цинка, склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере, вероятность которого заметно уменьшается после отжига изделий при 250...270 °С.

На рис. 7.7 представлена микроструктура а-латуни в отожжен­ ном состоянии (х75) и микроструктура а + Р'-латуни с 40 % Zn (х150). Различная окраска блоков на рис. 7.7, а связаны с их различной склонностью к окислению травителем. Светлые зер­ на на рис. 7Л, б — a -фазы, темные промежутки между ними за­ полнены р-фазой.

Рис. 7.7. Структура а-латуни (а) и а + Р'-латуни (б)

Различают деформируемые (ГОСТ 15527-70) и литейные (ГОСТ 17711-93) латуни. Маркируют латуни буквами и цифрами. Буквы используются для обозначения латуни (JI) и элементов сплава: А—алюминия; Ж — железа; Мц — марганца; Н —нике­ ля; О — олова; С — свинца; К — кремния; Мш — мышьяка. В деформируемых латунях первые две цифры указывают среднюю массовую долю меди (%), в литейных после буквы Ц — цинка, все последующие — среднюю массовую долю других легирующих элементов (%). Прочность двойных деформируемых латуней (JI96...JI60) возрастает по мере увеличения содержания цинка. Улучшается и их обрабатываемость резанием, но коррозионная стойкость падает. Пластичность растет при содержании цинка до 30 %, а затем резко падает.

Для улучшения технологических свойств латуни легируют различными элементами. Добавки алюминия, кремния, марганца и никеля повышают сопротивление коррозии, а свинец улучшает обрабатываемость резанием.

Состав, свойства и область применения наиболее часто встре­ чающихся марок латуней приведены в табл. 7.4.

Бронзами называются двойные или многокомпонентные спла­ вы меди с оловом, алюминием, бериллием, кремнием и другими элементами.

Бронзы бывают деформируемыми (ГОСТ 501,7-74 и ГОСТ 18175—78) и литейными (ГОСТ 493—79 и ГОСТ 613—79). Их обо­ значают буквами Бр, элементы сплава — по аналогии с латунями,