Лахтин_Матеориаловедение

так как в β-области происходит сильный рост зерна. Отжиг при температурах, соответствующих β-области, мало влияет

на σΒ и σ0,2, но сильно снижает δ и ψ. Вязкость разрушения К1с возрастает при

повышении температуры обработки в α + β-области при сохранении высоких значений δ и ψ. Для обеспечения высокой конструктивной прочности следует применять отжиг при температуре на

20—30 °С ниже температуры α + β → β-превращения.

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг, который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых сплавах, что приводит к существенному повышению вязкости разрушения, уменьшению склонности к замедленному разрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при механической обработке α- и α + β-сплавов, применяют неполный отжиг при 550—650 °С. С увеличением количества β- стабилиза-тора временное сопротивление σΒ и предел текучести σ0,2 отожженных сплавов возрастают; при содержании 50 % α- и 50 % β-фаз они достигают наибольших значений, α + β-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением (отпуском).

При охлаждении со скоростью выше критической (закалка) сплавов, нагретых до области β-фазы, протекает мартенситное превращение в интервале температур МH—МK (рис. 181). Мартенситная α'-фаза представляет собой пересыщенный твердый раствор замещения легирующих элементов в α-титане с гексагональной решеткой.

При высокой концентрации легирующего элемента возникает мартенситная α"-фаза с ромбической решеткой и ω-фаза с гексагональной структурой. Появление α"-фазы вызывает уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и увеличение их пластичности (рис. 182, а). Мартенситная α"-фаза при легировании титана эвтектоидообразующими β- стабилизаторами (Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется (рис. 182,

б).

При высоком содержании β-стабилизаторов после закалки структура состоит из β + ω или β-фазы. ω-фаза охрупчивает сплав. Во избежание сильного роста зерна закалку проводят от температур, соответствующих области (α + Р)-фазы, чаще от 850—950 °С. При закалке из двухфазной области α + β α-фаза не испытывает фазовых превращений, а β-фаза претерпевает

381

те же превращения, что и β-фаза того же состава, как и при закалке из β-области.

При последующем старении закаленных сплавов при 500— 600 °С происходит распад мартенситных α'-, α"-фаз, а также метастабильной β-фазы. В процессе старения закаленных сплавов происходит их упрочнение, обусловленное распадом α"-и остаточной β-фаз. Повышение прочности при распаде α'-фазы невелико. Упрочнение связано с образованием дисперсных выделений α-фазы. Наибольшее упрочнение после закалки и старения получают сплавы с высоким содержанием β- стабилизаторов.

Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением вязкости разрушения (К1с) и короблением деталей.

Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при использовании в узлах трения подвергаются химико-термической обработке. Для повышения износостойкости титан азотируют при 850—950 °С в течение 30—60 ч в атмосфере азота.

Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после азотирования при 950 °С в течение 30 ч 0,05—0,15 мм, 750— 900 HV.

Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там, где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость коррозии. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетной технике, в химическом машиностроении и во многих других отраслях народного хозяйства.

382

В табл. 33 приведены состав и механические свойства наиболее распространенных титановых сплавов, обрабатываемых давлением.

Деформируемый α-сплав ВТ5 хорошо обрабатывается давлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой сопротивляемостью коррозии, но склонен к водородной хрупкости. Дополнительное легирование сплава ВТ5 оловом (ВТ5-1) улучшает технологические и механические свойства сплава.

Сплавы типа ОТ4 хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами сварки, но склонны к водородной хрупкости.

Наилучшее сочетание свойств достигается в (α + β)-сплавах. Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и технологическими свойствами и упрочняется термической

обработкой (за-

383

калкой от 900—950 °С и старением при 450—500 °С). После закалки σΒ = 1000÷1050 МПа, а после старения в течение 2— 8 ч σΒ = 1200÷1300 МПа. Отжиг проводится при 750—800 °С. Для сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий меньше алюминия (5,5 %).

Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяжелонагруженных деталей, а также деталей, длительное время работающих при 400 °С или кратковременно при 500 °С. Сплав упрочняется закалкой от 850—880 °С в воде и последующим старением при 480—500 °С 12—16 ч. Полный отжиг проводят при 750—800 °С, а неполный — при 600—650 °С.

Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига. Сплав обладает высоким сопротивлением ползучести и длительной прочностью, поэтому применяется как жаропрочный (до 450—500 °С). Сплав плохо сваривается и используется главным образом в виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного литья применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают достаточно хорошими литейными и механическими свойствами.

Вопросы для самопроверки

1.Каковы характерные физические и механические свойства титана и где он применяется?

2.Какие легирующие элементы расширяют область α-фазы и какие — область β-фазы?

3.В чем отличие α-сплавов от (α + β)-сплавов? Какие сплавы более часто применяют?

4.Можно ли α-сплавы упрочнить термической обработкой? Какую термическую обработку проходят α-сплавы?

5.Какие примеси наиболее опасны для титана и почему?

6.Чем отличается мартенсит α' от мартенсита α" в титановых сплавах? Можно ли использовать для упрочнения титановых сплавов ω-фазу?

7.Как влияют легирующие элементы на точки Мн и Мк в титановых сплавах?

8.Почему не рекомендуется нагревать для отжига и закалки сплавы до области β-фазы?

9.Какую упрочняющую термическую обработку проходят (α + β)- титановые сплавы?

10. Опишите характерные свойства титановых сплавов и область их применения.

Г Л А В А XX. АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

1. АЛЮМИНИЙ

Алюминий — металл серебристо-белого цвета. Температура плавления 600 °С. Алюминий имеет кристаллическую ГЦК решетку с периодом а = 0,4041 нм. Наиболее важной особенностью алюминия является низкая плотность — 2,7 г/см3 против 7,8 г/см3 для железа и 8,94 г/см3 для меди. Алюминий

384

обладает высокой электрической проводимостью, составляющей 65 % электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты различают алюминий особой чистоты: А999 (99,999 % А1); высокой чистоты: А995 (99,995 % А1), А99 (99,99 % А1), А97 (99,97 % А1),

А95 (99,95 % А1) и технической чистоты: А85, А8, А7, А6, А5,

АО (99,0 % А1).

Технический алюминий изготовляют в виде листов, профилей, прутков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО и АД1. В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si, Сu, Μn, Ζn. АЛЮМИНИЙ обладает высокой коррозионной стойкостью вследствие образования на его поверхности тонкой прочной пленки А12О3. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная стойкость. Механические свойства отожженного алюминия высокой

чистоты: σΒ = 50 МПа, σ0,2 = 15 МПа, ψ = 50 %, а технического алюминия (АДМ)1: σΒ = 80 МПа, σ0,2 = 30 МПа, δ = = 35 %. Модуль нормальной упругости 71 000 МПа. Холодная пластическая

деформация повышает предел прочности технического алюминия (АДН)1 до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6 %. Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка резанием затруднена, сваривается всеми видами сварки. Технический алюминий (АД и АД1) ввиду низкой прочности применяют для изготовления элементов конструкции и деталей, не несущих нагрузки, когда требуются высокая пластичность, хорошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие теплопроводность и электрическая проводимость. Так, например, из технического алюминия изготовляют различные трубопроводы, палубные надстройки морских и речных судов, кабели, электропровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу, витражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны для молока и т. д. Алюминий высокой чистоты предназначается для фольги, токопроводящих и кабельных изделий. Более широко используют сплавы алюминия.

2. КЛАССИФИКАЦИЯАЛЮМИНИЕВЫХСПЛАВОВ

Наибольшее распространение получили сплавы Аl—Cu,

Аl—Si, Αl—Mg, Αl—Cu—Mg, Al—Сu—Mg—Si, Al—Mg—Si,

а также Al—Zn—Mg—Cu. В равновесном СОСТОЯНИИ ЭТИ сплавы представляют собой низколегированный твердый раствор и интерметаллидные фазы CuAl2 (θ-фаза), Mg2Si, Al2CuMg (S-фаза),

Al6CuMg4 и Al2Mg3Zn3 (Т-фаза)2, Al3Mg2 и др. (рис. 183).

Все сплавы алюминия можно разделить на деформируемые, предназначенные для получения полуфабрикатов (листов, плит,

1Η — нагартованный, Μ — мягкий (отожженный).

2Фаза Al2Mg3Zn3, изоморфная фаза Τ (Al6CuMg4) в системе Аl—Сu—Mg.

прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки (табл. 34, 35), и литейные, предназначенные для фасонного литья

(см. табл. 36).

Деформируемые сплавы по способности упрочняться термической обработкой подразделяют на сплавы, неупрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении, автостроении, строительстве и других отраслях народного хозяйства.

3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку и старение, а для устранения неравновесных структур и деформационных дефектов строения, енижающих пластичность сплава, — отжиг.

Закалка алюминиевых сплавов. Закалка заключается в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нормальной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Например, температура закалки сплавов системы Аl—Сu (рис. 184) определяется линией abc, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих меньше 5,7 % Сu, и ниже эвтектической линии (548 °С) для сплавов, содержащих большее количество Сu. При нагреве под закалку сплавов, содержащих до ~5 % Сu, избыточная фаза CuAl2 полностью растворяется, и при последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный α-твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве. При содержании более 5 % Си в структуре сплавов после закалки будет пересыщенный α-твердый раствор состава, отвечающего точке b, и нерастворенные при нагреве кристаллы соединения CuAl2.

Основной особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур нагрева под закалку. Температура нагрева для сплавов А1—Сu—Mg (Д16) — 485—505 °С, сплавов А1—Zn—

388

Mg—Cu (B95) 465—475 °C и Αl— Cu—Mg—Si (AK6) 515—525 °C. Более высокие температуры вызывают пере- ЖОР (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей на поверхности полуфабрикатов, снижаются сопротивление коррозии, механические свойства и сопротивление хрупкому разрушению. Выдержка должна быть

минимальной, обеспечивающей растворение избыточных фаз в твердом растворе.

Листы, плиты, прутки, полосы толщиной 0,5—150 мм выдерживают нагрев в селитровых ваннах в течение 10—80 мин, а в наиболее широко применяемых для этой цели электропечах с принудительной циркуляцией воздуха — 30—210 мин. Выдержка фасонных отливок при температуре закалки более длительная (2—15 ч). За это время растворяются грубые выделения интер-металлидных фаз (см. рис. 183, а).

Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад пересыщенного твердого раствора. Частичный распад твердого раствора снижает механические свойства и коррозионную стойкость после старения. Чаще для закалки применяют воду (t = = 10÷40°С). Во избежание частичного распада твердого раствора время переноса нагретого полуфабриката (детали) из печи в закалочный бак не должно превышать 15—30 с. Прокаливае-мость алюминиевых сплавов составляет dK = 120÷150 мм (dK — критический диаметр).

После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую прочность σΒ, σ0,2 и высокую пластичность (δ, ψ).

Старение закаленных сплавов. После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течение 10—24 ч при повышенной температуре 150—200 °С (искусственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. Так, например, в сплавах Аl—Сu при естественном (при 20 °С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100—150 °С) образуются зоны ГП-1 (см. с. 60).

389

Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько секунд или минут) нагреть до 240—280 °С и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и свойства сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это явление получило название возврат. Разупрочнение при возврате связано с тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются нестабильными и поэтому растворяются в твердом растворе, а атомы меди вновь более или менее равномерно распределяются в пределах объема каждого кристалла твердого раствора, как и после закалки. При последующем вылеживании сплава при нормальной температуре вновь происходит образование зон ГП-1 и упрочнение сплава. Однако после возврата и последующего старения ухудшаются коррозионные свойства сплава, что затрудняет использование возврата для практических целей. Длительная выдержка при 100 °С или несколько часов при 150 °С приводит к образованию зон ГП-2 большей величины с упорядоченной структурой, отличной от структуры α-твердого раствора. С повышением температуры старения процессы диффузии, а следовательно, и процессы структурных превращений, и самоупрочнение протекают быстрее. Выдержка в течение нескольких часов при 150—200 °С приводит к образованию в местах, где располагались ЗОНЫ ГП-2, дисперсных (тонкопластинчатых) частиц промежуточной θ′-фазы, не отличающейся по химическому составу от стабильной фазы θ (CuAl2), но имеющей отличную кристаллическую решетку; θ'-фаза когерентно связана с твердым раствором. Повышение температуры до 200—250 °С приводит к коагуляции метаста-бильной фазы и к образованию стабильной θ-фазы.

Таким образом, при естественном старении образуются лишь зоны ГП-1. При искусственном старении последовательность структурных изменений можно представить в виде следующей

схемы: ГП-1 → ГП-2 → θ' → θ (CuAl2).

Это общая схема распада пересыщенного твердого раствора в сплавах А1—Сu справедлива и для других сплавов. Различие сводится лишь к тому, что в разных сплавах неодинаковы состав и строение зон, а также образующих фаз.

Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов существуют и свои температурно-временные области зонного (образование зон ГП-1 и ГП-2) и фазового (θ'- и θ-фаз) старения.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный предел текучести и относительно невысокое отношение σ0,2/σΒ ≤ 0,6÷0,7, повышенную пластичность, хорошую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хрупкому разрушению

(высокое значение К1с).

После фазового старения отношение σ0,2/σΒ повышается до 0,9—0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Структурное упрочнение. Температура рекристаллизации некоторых сплавов алюминия с марганцем, хромом, никелем, цир-

390