Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

• α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

• θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θ_II, причем частицы θ_II располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 47б, 48 а).

а) б) в)

Рис. 47. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θ_II), б – после закалки (α – твердый раствор), в – после закалки и старения

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Процесс старения идет в 3 стадии:

На первой стадии старения атомы меди образуют скопления в кристаллической решетке α–твердого раствора - зоны Гинье-Престона (зоны ГП) (рис. 48 б), что вызывает искажения кристаллической решетки и, следовательно, повышение прочности сплава (рис. 49).

а) б) в) г)

Рис. 48. Стадии распада твердого раствора меди в алюминии при старении: а – закаленное состояние; б – образование зон ГП; в – образование θ'-фазы; г – образование θ-фазы

На второй стадии старения по мере выдержки сплава при повышенных температурах образуется метастабильная θ'-фаза, близкая по составу к CuAl₂, имеющая свою кристаллическую решетку, которая сохраняет когерентные связи с решеткой α-твердого раствора (рис. 48 в). Это усиливает искажения кристаллической решетки, твердость и прочность сплава повышается (рис. 49).

На третьей стадии старения при дальнейшей выдержке происходит срыв когерентности и выделение частиц стабильной θ–фазы (CuAl₂) (рис. 48 г). Искажения кристаллической решетки частично снимаются, и прочность сплава понижается (рис. 49).

Рис. 49. Влияние температуры и длительности старения на прочность алюминиевых сплавов

При естественном старении происходит только первая стадия старения. При искусственном старении в зависимости от температуры и продолжительности выдержки могут протекать все три стадии процесса.

Чем выше температура старения, тем быстрее проходят все его стадии, но тем ниже максимальный уровень упрочнения, что связано с укрупнением упрочняющих фаз. Наиболее высокий уровень упрочнения может быть достигнут при естественном старении.

Возврат - кратковременный (2…3 мин) нагрев естественно состаренного сплава до 230…250°С с последующим быстрым охлаждением. При этом зоны Гинье-Престона растворяются, структура и свойства возвращаются к свежезакаленному состоянию, упрочнение полностью снимается. При последующем вылеживании сплава при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП и упрочнение сплава.

Применяют дуралюмины для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих долговечности при переменных нагрузках, в строительных конструкциях. Из дуралюмина изготавливают обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов, силовые каркасы, кузова грузовых автомобилей.

Задача: Цементуемая- Легированная сталь 12ХН3А хромо-никеливая. Применяют для высоконагруженных деталей, работающих в условиях износа, ударных и циклических нагрузок

Термообработка: цементация+закалка+низкий отпуск. Структура на поверхности: М_ОТП+Ц_II+А_ОСТ, твердость поверхности 58…64 HRC. Структура сердцевины низкоуглеродистый мартенсит

Билет №6 Испытание на удар. Ударная вязкость и порог хладноломкости. Влияние основных факторов на эти характеристики

Характеристики механических свойств, определяемые при динамических нагрузках

Ударная вязкость, КС характеризует склонность металла к хрупкому разрушению. КС определяют при динамических испытаниях на маятниковом копре образцов с надрезом (рис. 9): U-образным – KCU, V-образным – KCV, в виде трещины– KCT. Определяют работу (А) по разрушению образца при ударе, отнесенную к площади поперечного сечения в месте надреза F₀:

KC = А/F₀, МДж/м².

Рис. 9. Схема маятникового копра (а) и образец (б) для испытаний на ударную вязкость

Ударная вязкость зависит от:

• размера зерна - чем мельче зерно, тем выше КС;

• типа концентратора напряжений;

• наличия вредных примесей;

• температуры (рис. 10).

Хладноломкость – свойство металла терять вязкость и хрупко разрушаться при понижении температуры. Хрупкое разрушение всегда внезапно и в эксплуатации недопустимо. Порог хладноломкости – температура (интервал температур от tв до tн), перехода вязкого разрушения в хрупкое. При этом структура излома изменяется от волокнистого, при вязком разрушении до кристаллического блестящего – при хрупком. За порог хладноломкости принимают температуру Т50, при которой в изломе имеется 50% волокон. Температура эксплуатации детали должна быть выше порога хладноломкости.

Рис. 10. Зависимость ударной вязкости от температуры