Жаропрочные сплавы.

Обязательно – многофазные, структура гетерогенная и мелкозернистая, обеспечивающая торможение дислокаций (чтоб избежать ползучести). Такую структуру можно получить в процессе литья или ТО. В связи с этим различают: 1) гомогенизацию 1 порядка (обусловленную частицами эвтектического происхождения), 2) гомогенизацию 2 порядка (обусловленную частицами выделившимися при ТО (вторичные кристаллы)).

Для обеспечения жаропрочности эвтектика должна удовлетворять след. требованиям:

1) иметь высокую tпл

2) располагаться в виде сплошных ободков вокруг тв. р-ра, т.е. образовывать дендритную сетку

3) в состав эвтектики должны входить интерметаллиды, устойчивые при повышенных t

Этим требования удовлетворяет эвтектика системы Al-Cu-Mn: α+θ(CuAl₂)+T₂(AlCuMn). Т₂ не участвует в ТО, но помогает образовать тугоплавкую эвтектику.

Яркий пример жаропрочных сплавов: АЛ19 (АМ5) – 5-6% Cu, 0.6-1% Mn, <0.4% Fe, <0.4% Si, 0.15-0.35% Ti, 0.2% Ce, 0.2% Zr. Ti, Zr, Ce образуют тугоплавкие интерметаллиды, являющиеся доп. центрами кристаллизации и повышающими жаропрочность. Стр-ра: α₃^I+(α₃+θ)+(α₃+θ+Т₂).

АЛ19 подвергают ТО:

1) Закалка, если требуется повышенная пластичность.

2) Закалка+старение, если требуется повышенная прочность.

Особенность ТО этих сплавов является то что закалку проводят двухступенчатым нагревом, чтоб избежать пережога: 1) 530±5°С 5-9 ч. 2) 545±2°С 5-9 ч. 3) Охлаждение в воде с 20-100°С.

Добавив в АЛ19 0,8-1,2% Ni получаем АЛ33, в котором дополнительно появляются фазы: Al₂Cu, Al₃Zr, Al₆Cu₈Ni. Последняя связывает некоторое количество Cu, что понижает эффект ТО, поэтому основной упрочняющей фазой является θ, но при этом Al₆Cu₈Ni создает доп. степень гетерогенизации.

Деформируемые сплавы Al-Mn.

Особенности ДС: 1) узкий интервал кристаллизации (≈2°С), 2) интервал концентраций в области L+α достаточно широк, что ведет к образованию дендритной структуры.

Дифф. процессы в данной системе протекают очень медленно. Посему сплавы склонны к образованию пересыщенный твердых растворов.

Характерный сплав: АМц – 1,0-1,6% Mn. Стр-ра: α^I+(α+Al₆Mn)+(Al₆Mn)^II. Присутствие Fe и Si снижают раствримость Mn и образуют Al₆FeMn, который нерастворим в Al, что не дает ТУ-ть АМц.

Al₆Mn при деформации располагаются вдоль волокон α. Поэтому АМц склонен к пресс-эффекту, т.е. созданию в прессованных п/фабрикатах направленной структуры, т.е. анизотропной. Это обусловлено: 1) при деформации деформируется α, который растягивает за собой Al₆Mn (образутеся «чулок» вокруг α), 2) зерно α пересыщено и потому в процессе нагрева выделяет интерметаллиды, которые упрочняют материал. Пресс-эффект можно наблюдать только при горячей деформации. Все интерметаллиды АМц повышают t рекристаллизации. АМц обладают высокой корризионной стойкостью и хорошей свариваемостью.

Деформируемые Al-сплавы системы Al-Cu-Mg.

Al-Cu-Mg (дуралюмины). В данной системе существует квазибинарный разрез. Все дуралюмины делят на мало-, средне- и высоколегированные.

Особенности:

А) Чем меньше эвтектики тем выше пластичность (Д18 и АК4-1).

Б) Чем больше вторичных кристаллов θ и S тем выше эффект ТУ.

В) Фаза S имеет сложную орторомбическую решетку и дает больший эффект ТУ чем θ (тетрагональная кр/решетка).

Г) Фаза S образуется при более высоких t, поэтому способствует повышению жаропрочности.

Д) Повышение содержания Mg способствует повышению жаропрочности.

При неравновесной кристаллизации происходит смещение политермы растворимости сторону меньших значений.

Эффект ТУ и коррозионная стойкость зависят не только от содержания Fe и Si, но и от их соотношения. Если Fe/Si=1 то образуются AlFeSiMg и Al₆FeMg, которые понижают коррозионную стойкость.

Все дуралюмины – много компонентные сплавы: Al-Cu-Mg, Al-Cu-Fe, Al-Cu-Si и пр. Все они хорошо свариваются (кроме, сварки плавлением). Все они подвергаются ТО. Большинство подвергается плакированию (покрытию Al) для повышения коррозионной стойкости (остальные требую др. хим. защиты).

ТО Al-сплавов.

1) Гомогенизиционный отжиг. Устраняет неравновесные структурные составляющие, появляющиеся в результате неполноты протекания дифф. процессов. Из-за высокой скорости кристаллизации в литом металле наблюдается ликвация ХЭ, появляется дендритная ликвация. Неоднородность литой структуры значительно снижает пластичность. В результате такого отжига выравнивается хим. состав по сечению каждого зерна и всего слитка.

Различают: а) низкотемпературный (ниже неравновесного солидуса), б) высокотемпературный (выше неравновесного, но ниже равновесного солидуса).

Нагрев выше равновесного солидуса приводит к оплавлению границ зерен. Нагрев выше неравновесного солидуса также приводит к образованию жидкой фазы, но при ТО «мелких» слитков является единственным способом повышения пластичности.

2) Рекристаллизационный отжиг. Устраняет неравновесные структурные составляющие, появляющиеся при холодной или горячей пластической деформации. Этот вид ТО используют после ОМД.

По правилу Бочвара: Tрекр.=αTпл, при этом α – коэфф. зависящий от степени деформации и хим. состава. Tрекр = 350-500°С при выдержке 0,5-2 часа.

Также проводят дорекристаллизационный отжиг ниже Tрекр (200-350°С), когда необходимо сочетание прочности и пластичности. В результате сплав приобретает полигонизированную структуру и упрочнение снижается не полностью.

3) Закалка. Вид ТО основанный на фиксации при комнатной температуре структурного состояния характерного повышенным температурам. В результате закалки Al-сплавов получают пересыщенный α тв. р-р. Основой закалки является наличие растворимости в основном тв. р-ре. Охлаждение проводят с V>Vкр. Температуру определяют в зависимости от сечения и насыщенности ЛЭ. Некоторые сплавы содержат неравновесную эвтектику, поэтому закалку проводят ниже её температуры. Нагрев даже выше неравновесной эвтектики приводит к оплавлению. Оплавившиеся участки дают усадку, а оставшейся жидкости недостаточно для «залечивания» трещин.

Оптимальную t закалки дуралюминов выбирают в соответствии с изотермическими разрезами ДС Al-Cu-Mg. Причем так, чтобы концентрация Cu и Mg при этой температуре получились максимальными, а оплавление не происходило.

Следует также учитывать что протекающие процессы рекристаллизации снижают эффект закалки. В результате закалки получают неравновесную структуру, поэтому завершающим этапом является старение.

4) Старение. Вид ТО основанный на процессах распада пересыщенного тв. р-ра, образовавшегося при закалке. При этом тв. р-р пересыщен не только ЛЭ, но и дефектами.

Чем выше T закалки, чем выше Vохл после закалки, тем больше искажений претерпевает кр/решетка, тем активнее идут процессы распада.

Различают: а) естественной (при комнатной t, 4-7 суток), б) искусственное (при повышенных t, 1-100 часов).

Процессы протекающие при старении можно разделить на 3 стадии:

1) Зонная стадия – диффузионное перераспределение атомов внутри кр/решетки α тв. р-ра. Атомы перемещаются к местам скопления дефектов. Участки с повышенным содержанием ЛЭ называют зонами Гинье-Престона (ГП).

Зоны ГП имеют форму (диск или пластину), размер (несколько межатомных расстояний), толщину. Размер зон зависит от t. Зоны ГП не имеют границ радела.

При низких t старения атомы перемещаются хаотически и зоны ГП малы. По мере развития процесса старения зоны увеличиваются и атомы в них начинаю располагаться упорядоченно.

Низко температурные зоны ГП называют ГП1, а высокотемпературные – ГП2.

В зонах ГП2 атомы стремятся к порядку близкому к порядку в интерметаллидной фазе. Однако продолжают находится внутри кр/решетки.

2) Фазовая стадия – происходит образование кр/решетки новой фазы. Идет не только перераспределение атомов внутри кр/решетки, но и их выделение за ее пределы. Атомы выстраиваются в соответствии со стехиометрическим составом равновесной фазы θ (CuAl₂).

В начале фазовой стадии кр/решетка новой фазы когерентна с решеткой матрицы – α тв. р-ра. В этот момент прочностные свойства достигают max. По мере развития старения когерентная фаза заменятся равновесной, т.е. происходит разделение кр/решеток и мех. св-ва начинают снижаются.

3) Коагуляционная стадия – протекает при повышенных t и проявляется в укрупнении частиц новой фазы.

После зонной и фазовой стадий мех. св-ва меняются по разному. Зонная стадия может быть только упрочняющей, а фазовое – упрочняющим и разупрочняющим.

Большому количеству Al-сплавов дают 2-х ступенчатое старение. Это когда на низкотемпературной ступени образуется большое количество центров распада, а на высокотемпературной образуется более дисперсная структура.