2. Проаналізуйте структуру і властивості ливарних сплавів магнію.

Механічні властивості ливарних сплавів значною мірою залежать від розмірів зерна та змінюються у межах : σ_м =98…265 МПа, δ= 1…10%.

Ливарні сплави. Більшість промислових магнієвих ливарних сплавів утворюється додаванням до магнію алюмінію, марганцю і кремнію, а також селену, цинку, торію. Марганець, наявний у більшості сплавів, сприяє підвищенню не лише їх міцності, але і корозійної стійкості. Для зменшення окиснення сплавів у деяких випадках вводять невеликі додатки берилію, який утворює на поверхні металу міцну та щільну окисну плівку, що захищає від окиснення в рідкому і твердому станах. Подібну захисну дію надають невеликі додатки кальцію. Виливки з магнієвих сплавів (вміст до 0,2 % Са) мають чисту поверхню, містять у собі менше оксидів, нітридів. Литі деталі й вироби з магнієвих сплавів звичайно піддають термічній обробці.

Перевагою ливарних сплавів є значна економія металу при виробництві деталей, оскільки висока точність розмірів і добра чистота поверхні фасонних відливок майже виключають їх обробку різанням. Механічні властивості ливарних магнієвих сплавів нижче, ніж деформівних. Суттєве поліпшення їх досягається подрібненням зерна. Для модифікування використовують цирконій, магнезит, крейду.

6.

1.Проаналізуйте структуру і властивості дюралюмінію.

Сплави на основі системи Al–Cu–Mg з додатками марганцю (дюралюміни). Сплав алюмінію з міддю, магнієм і марганцем (4,0 % Cu, 0,5 % Mg і 0,5 % Mn), який пізніше отримав назву дюралюмін, був запропонований у 1908 р. німецьким дослідником А. Вільмом.

Усі дюралюміни, що застосовуються у промисловості, можна поділити на чотири підгрупи: 1) класичний дюралюмін Д1; 2) дюралюмін підвищеної міцності Д16, у порівнянні з Д1 відрізняється більшим вмістом магнію; 3) дюралюміни підвищеної жароміцності Д19, ВД17, головною відмінністю яких від Д1 є збільшене відношення Mg/Cu; 4) дюралюміни підвищеної пластичності Д18, В65, які відрізняються від Д1 зниженим вмістом всіх або деяких компонентів.

У залежності від вмісту міді й магнію дюралюміни можна умовно поділити на три групи: 1) низьколеговані Д18, В65; 2) середньолеговані Д1; 3) високолеговані ВД17, Д19, Д21. З підвищенням вмісту легуючих елементів міцність зростає, а подовження падає. Однак високолеговані сплави важче обробляються тиском.

Основою сплавів типу дюралюміній є система Al–Cu–Mg. Невеликі додатки магнію вводять в основному для підвищення корозійної стійкості сплавів, а також для нейтралізації шкідливого впливу заліза.

Як домішки в дюралюмінію наявні залізо і кремній. Залізо, утворюючи сполуку (Mn, Fe)Al₆, яка кристалізується у вигляді грубих пластин, знижує міцність і пластичність. Крім того, залізо утворює сполуку Al₇Cu₂Fe, яка є нерозчинною в алюмінію. Зв'язуючи мідь у цій сполуці, залізо знижує ефект зміцнення при старінні, тому його вміст не повинен перевищувати 0,5…0,7 %.

Кремній утворює фази Mg₂Si та W(Al_xMg₅Cu₅Si₄), які розчиняються в алюмінію і при подальшому старінні зміцнюють сплав. Однак зміцнення від цих фаз невелике, тому кремній, зменшуючи кількість основних зміцнювальних фаз, сприяє зниженню міцності.

Наявність змінної розчинності міді й магнію в алюмінію дає можливість застосовувати для сплавів типу дюралюміній термічну обробку: гартування і старіння. Особливістю термічної обробки дюралюмінів є необхідність жорсткого дотримання рекомендованої температури нагріву під гартування. Допустимі коливання температури, особливо високоміцних дюралюмінів, дуже малі. Це пов’язано з тим, що температуру нагріву під гартування для максимального розчинення зміцнювальних фаз обирають близькою до температури плавлення евтектик. Нагрів під гартування до температури вище за допустимих границь може призвести до оплавлення легкоплавких структурних складових (евтектик) по границях зерен, що супроводжується окисненням металу та утворенням при подальшій кристалізації рідкої усадкової пористості. Навіть початкові стадії перепалу викликають різке зниження пластичності матеріалу, а потім і міцності.

При гартуванні дюралюмінів важливо забезпечити високу швидкість охолодження, тому що незначний розпад твердого розчину з виділенням проміжних інтерметалідних фаз по границях зерен обумовлює схильність виробів до міжкристалічної корозії. Необхідно, щоб відрізок часу після виймання з нагрівального середовища до занурення у воду був коротким і не перевищував 30 хв.

У всіх загартованих дюралюмінах твердий розчин  значно перенасичений міддю та магнієм. Перенасиченість цього розчину майже не впливає на підвищення твердості та міцності сплавів, дуже мало змінюється також їхня пластичність. Після гартування в структурі дюралюмінів, крім -фази, залишаються нерозчинені сполуки заліза.

Стан пересиченого твердого розчину є термодинамічно нестійким, і згодом у ньому розвиваються процеси, які підготовлюють виділення надлишкової вторинної фази. Унаслідок тривалої витримки при кімнатній температурі міцність сплаву суттєво зростає при одночасному зниженні пластичності. Це явище називають природним старінням сплаву. При кімнатній температурі проходять підготовчі стадії розпаду пересиченого твердого розчину, внаслідок чого збільшується концентрація атомів міді за визначеними кристалографічними площинами, що призводить до викривлення кристалічної ґратки і порушення її однорідності. У результаті збільшується енергія ґратки, що є причиною підвищення міцності та зміни інших властивостей.

Для практики важливе значення має інкубаційний період – час, протягом якого загартований сплав зберігає високу пластичність. Це дає можливість безпосередньо після гартування виконувати холодну пластичну деформацію сплаву.

При підвищенні температури старіння до 150…180 °С і вище (штучне старіння) в місцях, в яких концентруються атоми міді, проходить формування часток нової фази. Утворення таких часток виявляється за допомогою електронного мікроскопа і супроводжується подальшим збільшенням міцності сплаву.

Рентгенівські дослідження показують, що початкові виділення мають форму пластинок або дисків протяжністю декілька десятків ангстрем і товщиною декілька атомних шарів та наближаються за складом до сполуки CuAl₂. Вони мають проміжну структуру, яка відрізняється від структури стабільної -фази. Метастабільна фаза позначається як .

При подальшому збільшенні температури старіння до 200…250 °С метастабільна -фаза переходить у стабільну -фазу і відбувається значний ріст (коагуляція) її часток. Утворення часток стабільної -фази виявляється за допомогою оптичного мікроскопа. При температурі старіння 250…300 °С з розчину безпосередньо випадає стабільна -фаза, що призводить до помітного знеміцнення.

При підвищенні температури в сплаві після природного старіння спостерігається зниження границі міцності, границі плинності й твердості, яке особливо різко проявляється у випадку короткочасного нагріву при 200 °С і вище. За своїми властивостями дюралюмін повертається до вихідного стану після гартування, що дозволило назвати це явище "поверненням".

На міцність дюралюмінів після термічної обробки суттєво впливає їх склад. Зі зміною вмісту основних легуючих елементів (міді та магнію), а також домішок (заліза та кремнію) різко змінюється ефект старіння сплавів.

Збільшення вмісту міді та особливо магнію приводить до різкого зміцнення сплаву. Забруднення сплаву залізом зменшує ефект старіння, тому що утворюється нерозчинна потрійна сполука AlFeCu, наслідком чого є зменшення кількості розчинної сполуки CuAl₂, від якої залежить зміцнення при термічній обробці.

На фоні -твердого розчину спостерігаються включення подвійної ( + CuAl₂) і потрійної ( + CuAl₂ + S) евтектик (а). Після природного старіння крім -твердого розчину спостерігаються темні включення марганцевистої і залізної фаз (б).

Присадки магнію вже в невеликих кількостях надають сплаву здатність старіти при кімнатній температурі, незважаючи на домішки заліза. Чим більше у сплаві магнію, тим у меншому ступені проявляється шкідливий вплив заліза.

Міцність дюралюміну, як й інших алюмінієвих сплавів, можна підвищити за рахунок незначного нагартування (при ступенях деформування 3…5 %). Максимальне зміцнення спостерігається після нагартування матеріалу, який пройшов повністю природне старіння.

Дюралюміній, що виготовляється в листах, для захисту від корозії піддають плакуванню, тобто покриттю тонким шаром алюмінію високої чистоти (не нижче 99,5 %). Товщина шару складає 4 % від товщини листа.