Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов

Цель работы

1. Ознакомиться с основами теории и практики термической обработки алюминиевых сплавов.

2. Экспериментально выполнить закалку термически упрочня­емого алюминиевого сплава, оценить влияние закалки на свойства сплава.

3. Экспериментально исследовать изменение свойств сплава после закалки и естественного старения в течение различных пе­риодов времени, если сплав поддается естественному старению, а также провести искусственное старение, определив оптимальную температуру старения при постоянном времени и оптимальное вре­мя старения при постоянной температуре.

4. Выявить, изучить с помощью оптического микроскопа и за­рисовать структуру типичных алюминиевых сплавов в различном со­стоянии, указав фазовый состав, свойства и применение этих спла­вов.

Содержание работы

Чистый алюминий - легкий металл (g = 2,7 т/м³) с низкой температурой плавления (660°С). Кристаллическая решетка - ГЦК с периодом

а = 4,041 кХ. Алюминий не имеет аллотропических моди­фикаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводнос­тью и очень высокой скрытой теплотой плавления. Это химически активный металл, но образующаяся на его поверхности плотная окисная пленка из Аl₂0₃ предохраняет его от коррозии.

Характерные свойства алюминия - высокая пластичность и ма­лая прочность. В зависимости от степени чистоты алюминий имеет предел прочности s_в =60...150 МПа, относительное удлинение при разрыве d = 40%, модуль упругости Е =7×10⁴ МПа.

В качестве конструкционных материалов применяют в основном сплавы алюминия с различными легирующими элементами, которые в зависимости от степени легированности и способов производства из них деталей мо­гут быть деформируемыми и литейными. Кроме того, сплавы подразделяются на термически неупрочняемые и термически упрочняемые.

К термически неупрочняемым сплавам относят в основном сплавы алюминия с магнием, марганцем, кремнием; к термичес­ки упрочняемым - сплавы системы Al-Cu, Al-Zn-Cu-Mg, Al-Mg-Li, Al-Be-Mgи др.

Возможность упрочнения путем закалки основана, как правило, на переменной в зависимости от температуры растворимости легиру­ющих элементов в алюминии. Это позволяет при нагреве растворить в алюминии значительную часть легирующих элементов, а при после­дующем быстром охлаждении зафиксировать пересыщенный твердый раствор, что сопровождается упрочнением. Иногда дополнительное существенное упрочнение может быть получено при старении зака­ленных сплавов.

Процессы, протекающие в термически упрочняемых алюминиевых сплавах при закалке и старении, рассмотрим на примере термооб­работки сплавов алюминия с медью типа дуралюминов, например Д1. Состав сплава Д1 - Аl + 3,8... 4,8% Сu+ 0,4... 0,8% Мg + 0,4...0,8% Мn. Диаграмма состояния Al - Сu(СuАl₂) показана на рис. 10.1, а схема закалки и старения дуралюмина – на рис. 10.3.

Рис. 10.1. Диаграмма состояния Al - Сu(СuАl₂)

и интервал закалочных температур

Как видно из рис. 10.1, при комнатной температуре в алюминии растворяется 0,2% меди. Максимальная растворимость меди в алюминии при температуре 548°С (точка Е) составляет 5,7%.Все сплавы с содержанием меди до 5,7% путем нагрева выше линии GЕ могут быть переведены в однофазное состояние. В равновесии в этих сплавах при комнатной температуре структура состоит из a-твердого раствора меди в алюминии и интерметаллидной фазы СuАl₂ (q-фаза) (рис.10.2).

Температура нагрева дуралюмина под закалку выбирается так, чтобы при нагреве распалась q-фаза и вся медь перешла в a-твердый раствор в алюминии. На диаграмме рис. 10.1 эта темпе­ратура выше линии GЕ. При довольно большом содержании в спла­ве меди его легко перегреть выше линий АЕ. Это приведет к нача­лу плавления сплава, что недопустимо. Поэтому температуру на­грева сплава под закалку выдерживают с жестким допуском (для дуралюмина Д1 – 500 + 5°С). Наиболее стабильные результаты получаются при нагреве деталей в расплаве солей. Закалка дета­лей из дуралюмина проводится в воде.

Рис. 10.2. Микроструктура деформированного отоженного

Дуралюмина Д1, х150.

Зерна твердого раствора и кристаллы CuAl₂ по их границам

Рис. 10.3. Схема закалки и старения дуралюмина Д1

Иногда для уменьшения уров­ня внутренних напряжений и предотвращения трещинообразования при закалке воду в закалочной ванне нагревают до температуры 60...80°С.

В результате закалки в сплаве Д1 фиксируется пересыщенный твердый раствор меди в алюминии.

Твердость и прочность сплава увеличиваются незначительно, но одновременно с этим повышается пластичность. Объясняется это тем, что имеющаяся в сплаве пос­ле отжига q-фаза концентрируется по границам зерен, что спо­собствует охрупчиванию сплава и снижает пластичность. В зака­ленном же сплаве q-фаза отсутствует, и поэтому пластичность пересыщенного a-твердого раствора становится выше. Свойства дуралюминов на примере сплава Д16 в различном состоянии даны в табл. 10.1.

Таблица 10.1

Свойства дуралюмина Д16 после различных видов

термообработки

Виды термообработки	Предел проч­ности sв, МПа	Относительное удлинение d, % /о
Отжиг
Закалка
Закалка + естественное старение	470... 500
Закалка + искусственное старение	420... 450

Нагрев дуралюминов под закалку до температур, близких к температуре плавления, приводит к образованию в сплаве большо­го количества вакансий. При закалке значительная часть этих ва­кансий фиксируется, что способствует диффузии меди в закаленном сплаве. Этим может быть объяснен феномен довольно высокой диф­фузионной подвижности атомов меди в закаленном сплаве даже при комнат­ной температуре.

В пересыщенном и неустойчивом твердом растворе, полученном при закалке, происходят изменения, приводящие к дальнейшему уп­рочнению сплава. Процессы эти называются старением.

Если старение протекает при комнатной температуре, то его называют естественным старением, если же при повышенных темпера­турах - искусственным старением. Старение может быть зонным и фазовым. Наиболее типичным явлением в зака­ленных сплавах является фазовое старение, когда при повышенных температурах (только искусственное старение!) из пересыщенного твердого раствора выделяются мелкодисперсные упрочняющие интерметаллидные фазы (например, фаза MgZn₂ в высокопрочных алюминиевых сплавах типа В95).

В дуралюминах имеет место зонное старение, и упрочнение не связано с распадом твердого раствора. Рентгеноструктурный и ме­таллографический анализ показывает, что при старении, когда сплав достигает максимальной прочности, избыточные интерметаллидные фазы в сплаве отсутствуют.

Упрочнение связано с диффузией меди в закаленном сплаве и образованием внутри кристаллов зон повышенной концентрации меди, так называемых зон Гинье-Престона (ЗГП). Зоны Гинье-Престона представляют собой тонкие пластинчатые дискообразные области толщиной в несколько атомных слоев (5...10 Å) и протяженностью в несколько десятков атомных слоев (40...100 Å). Содержание ме­ди в зонах ГП повышено, но оно не отвечает формуле СuА1₂. Об­разование зон Гинье-Престона создает большие напряжения в кри­сталлах и дробит блоки мозаики, что приводит к повышению твер­дости и прочности.

При естественном старении (20°С) прочность становится мак­симальной через четыре-пять суток после закалки, причем ско­рость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает. Начальный период, характеризуемый отсутствием или очень слабым повышени­ем прочности, называется инкубационным. В это время (2-3 ча­са) сплав обладает большой способностью к пластической деформа­ции и закаленные детали можно подвергать гибке, отбортовке, расклепке заклепок и т.д. Инкубационный период можно продлить, сохраняя закаленные детали при низких температурах. На рис. 10.4 показана микроструктура естественно состаренного дуралюмина Д1. На рисунке кроме a-твердого раствора видны темные включения марганцовистой и железосодержащих фаз.

Рис. 10.4. Микроструктура закаленного и естественно состаренного

дуралюмина Д1, х150

Естественно состаренное состояние сплава является неустой­чивым. Если недолго выдержать подвергнутый естественному старе­нию алюминиевый сплав при температуре 200...250°С, то он разупрочнится и приобретет свойства, характерные для свежезакаленного состояния. Сплав вновь приобретает способность к естественному старению. Это явление (т.е. возвращение к свежезакаленному со­стоянию после кратковременного нагрева) называется обработкой на возврат, или возвратом.

Скорость старения сильно зависит от температуры. При ис­кусственном старении сначала довольно быстро наблюдается упроч­нение, а затем начинается разупрочнение сплава и в конечном итоге сплав стремится перейти в равновесное состояние ( a-тведый раствор + q-фаза). Кроме этого, максимальная твердость и прочность, как правило, бывают тем ниже, чем выше температура старения. Поэтому искусственное старение надо своевременно остановить, не допуская перестаривания. Актуальной является задача определения оптимальных параметров процесса искусственного ста­рения.

Искусственное старение протекает в несколько стадий. Пер­вая стадия такая же, как и при естественном старении. Образующиеся при этом первые маленькие зоны Гинье-Престона принято назы­вать ЗГП-1. Вторая стадия заключается в увеличении зон ГП (тол­щина их 10...40 Å, диаметр 200...300 Å). Эти зоны называют ЗГП-2. Содержание меди в зонах ГП-2 достигает стехиометрического соотношения, соответствующего химической формуле

q-фазы - СuАl₂. Принципиальной разницы между ЗГП-1 и ЗГП-2 нет. Об­разование ЗГП-2 сопровождается дальнейшим увеличением твердости и прочности сплава.

Дальнейшее повышение температуры или увеличение выдержки при повышенных температурах (например при 100°С) приводит к преобразованию ЗГП-2 в фазу, обозначаемую через q¢. По составу эта фаза такаяже, как и q, но она еще не обособилась и ее кристаллическая решетка когерентно связана с кристаллической решеткой a-твердого раствора. Это третья стадия процесса ис­кусственного старения. На этой стадии еще возможно частичное упрочнение сплава, но может начаться и процесс разупрочнения.

Четвертая стадия наступает тогда, когда q¢-фаза превра­щается в стабильную q-фазу и начинается ее коагуляция. На этой стадии и далее наблюдается разупрочнение сплава. Структура его стремится к равновесной, твердость и прочность снижаются до соответствующих характеристик отожженного сплава.

Процесс искусственного старения дуралюминов обычно прекра­щается при достижении в сплаве максимальных характеристик твер­дости и прочности.

При фазовом старении, которое, как правило, является ис­кусственным, перестаривание связано с укрупнением интерметаллидных вторичных фаз и их коагуляцией. Поэтому режимы старения для таких сплавов должны быть также оптимальными.

Задание и методические рекомендации

1. Начертить часть диаграммы Al-Cu, указать на ней сплав Д1

(Аl + 3,8... 4,8% Сu+ 0,4... 0,8% Мg + 0,4...0,8% Мn). Выбрать для него температуру нагрева под закал­ку. Показать на диаграмме состояния интервал закалочных температур для других сплавов.

2. Провести закалку образцов из заданного сплава (Д1, Д16 или другого термически упрочняемого сплава). Замерить твердость ( НRВ ) образцов после закалки, оценить влияние закалки на свой­ства.

3. Экспериментально исследовать процесс естественного ста­рения, для чего через каждые 15 мин измерять твердость закален­ного образца (во время занятий), а затем провести измерение твердости через 3, 7 (желательно) и через 14 суток (на следующем занятии).

4. Экспериментально исследовать процесс искусственного ста­рения в течение различного времени при постоянной температуре (120 или 150°С). Для этого закаленные образцы с примерно одина­ковой твердостью в количестве 4 шт. поместить в печь с заданной температурой, затем извлекать по одному образцу через 5, 15, 30, 45 мин и измерять твердость. Данные занести в таблицу, построить график зависимости твердости от времени старения. Определить оп­тимальное время старения при заданной температуре.

5. Экспериментально исследовать процесс искусственного ста­рения в течение постоянного времени (30 мин) при различных тем­пературах. Для этого закаленные образцы поместить в печи с раз­ной температурой (по одному образцу в каждую печь). Значения температуры старения занести в таблицу. Через 30 мин образцы извлечь из пе­чей, охладить (можно в воде) и замерить твердость. Данные занес­ти в таблицу. Построить график зависимости твердости от темпе­ратуры старения (при постоянном времени старения). Определить оптимальную температуру старения.

6. Выявить, с помощью оптического микроскопа изучить и за­рисовать в таблицу по предлагаемой форме структуру типичных алю­миниевых сплавов в различном состоянии (не менее 5-6 микрошли­фов), указать на зарисовках фазовый состав сплавов, а в послед­ней графе таблицы отразить (используя учебники, справочники, пла­каты и другие источники) свойства и применение этих сплавов в соответствующем состоянии.

Контрольные вопросы

1. Как классифицируются алюминиевые сплавы? На чем основа­на возможность термического упрочнения ряда сплавов?

2. Какова структура термически упрочняемых сплавов в равно­весном состоянии? Как изменяется структура и свойства сплавов в процессе нагрева, закалки, естественного и искусственного старе­ния?

3. Охарактеризуйте особенности зонного и фазового старения.

4. Что происходит в закаленных дуралюминах при естественном старении, как изменяются при этом свойства сплавов? Что представ­ляет собой обработка на возврат?

5. Охарактеризуйте стадии искусственного старения дуралюмина. Почему на определенной стадии искусственного старения наблю­дается перестаривание?

Библиографический список

1.Конструкционное материаловедение/ Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Карпов Я.С., Самойлов В.Я., Семишов Н.И.: В 2 кн. - Х.: Нац. аэрокосм. ун-т им. Н.Е. Жуковского «ХАИ», 2001. - Кн. 1. Металлы и сплавы. - 456 с.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. - М.: Машиностроение, 1990. - 528 с.

3. Гуляев А.П. Металловедение. - М.: Металлургия, 1977. - 647 с.

4. Борисевич В.К., Виноградский А.Ф., Семишов Н.И. Конструкционное материаловедение. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1998. - 404 с.

5. Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. - М.: Металлургия, 1977. - 407 с.

6. Мозберг Р.К. Материаловедение. - Таллин: Валгус, 1976. - 554 с.

7. Глазунов С.Г., Моисеев В.Н. Конструкционные титановые сплавы. - М.: Металлургия, 1984. - 367 с.

8. Сазоненко Н.Д., Горбань В.П., Каныгин С.Л. Свойства и применение нержавеющих, жаростойких и жаропрочных сталей и сплавов в авиадвигателестроении: Учеб. пособие. - Х.: Харьк. авиац. ин-т, 1994. - 30 с.

9. Свойства и применение сплавов алюминия, магния, бериллия в авиастроении: Учеб. пособие/ Горбань В.П., Рева Л.С., Сазоненко Н.Д., Кириченко Л.Р., Каныгин С.Л. - Х. :Харьк. авиац. ин-т, 1994. - 62 с.