Термическая обработка дуралюмина

ЦЕЛЬ РАБОТЫ - исследование и анализ природы изменения свойств при термической обработке цветных сплавов на примере дуралюмина.

1. ОСНОВНОЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ

Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии (рис.1), вызывающая при снижении температуры в равновесных условиях выделение из твердого раствора a так называемых вторичных кристаллов стабильной фазы b, может быть использована для термического упрочнения обширной группы цветных сплавов. Повышение характеристик прочностных свойств (временного сопротивления, предела текучести, твердости) наблюдается при переходе из метастабильного (неравновесного) состояния, обладающего повышенной свободной энергией, в стабильное. Технологически это достигается путем закалки без полиморфного превращения (закалка на мартенсит является закалкой с полиморфным превращением), при которой в результате быстрого охлаждения фиксируется высокотемпературное состояние твердого раствора - состояние пересыщенного твердого раствора a¢, и последующего старения, при котором происходит его распад.

Рис.1. Фрагмент диаграммы состояния системы А-В с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии

Поэтому старение - это вид термической обработки закаленного без полиморфного превращения сплава, главным процессом которого является распад пересыщенного твердого раствора. Распад последнего протекает самопроизвольно с выделением теплоты превращения уже при нормальной (комнатной) температуре (естественное старение).

Однако, в большинстве случаев диффузионная подвижность атомов в этих условиях недостаточна для развития распада в необходимой степени за приемлемое время. В связи с этим для изменения структуры и свойств закаленный сплав нагревают, подвергают искусственному старению С точки зрения физической сущности процессов старение подразделяется на зонное, подготавливающее образование новых фаз, и фазовое, связанное с их появлением и развитием. При распаде пересыщенного твердого раствора a¢ могут выделяться (в порядке возрастания энергии активации) зоны Гинье-Престона (зоны ГП), кристаллы промежуточной метастабильной фазы b¢ (в некоторых системах выделяются две промежуточные метастабильные фазы) и стабильной фазы b, поэтому температурно-временную последовательность их появления можно изобразить в виде схемы: зоны ГП®b¢®b. В реальных промышленных сплавах, например АЛ7 (система Al-Cu) и Д16 (система Al-Cu-Mg), аналогичные последовательности имеют соответственно следующий вид: зоны ГП®Q¢¢®Q¢®Q (CuAl₂) и зоны ГП®S¢¢®S (Al₂CuMg).

Зоны ГП, зарождаемые гомогенно (случайным образом), представляют субмикроскопические (толщиной в несколько атомных слоев и протяженностью в несколько десятков атомных слоев), когерентные (сохраняющие решетку растворителя) выделения с резко повышенной концентрацией растворенного компонента и значительным (в связи с разницей атомных размеров растворителя и растворенного компонента) уровнем упругих напряжений на поверхности раздела их с решеткой растворителя. Промежуточная и стабильная фазы зарождаются гетерогенно, в местах предпочтительного зарождения. Таковыми для промежуточной фазы являются отдельные дислокации, малоугловые границы (стенки дислокаций), дефекты упаковки, а также зоны ГП. Выделения промежуточной фазы являются частично, а иногда и полностью когерентными решетке растворителя. При этом поле упругих напряжений вокруг частично когерентных выделений меньше, чем вокруг полностью когерентных выделений. Некогерентные выделения стабильной фазы предпочтительно зарождаются на высокоугловых границах, скоплениях вакансий, ранее появляющихся выделениях промежуточных фаз. Образование выделений стабильной фазы способствует исчезновению поля упругих напряжений на поверхности раздела их с решеткой растворителя.

Характеристики прочностных свойств сплава с увеличением продолжительности старения при постоянной температуре сначала возрастают (упрочняющее старение), достигают максимума и затем снижаются (разупрочняющее старение, так называемое "перестаривание"), оставаясь выше значений в закаленном состоянии. Старение начинается с инкубационного периода, характеризующегося отсутствием или весьма слабым повышением характеристик прочностных свойств. Инкубационный период (при нормальной температуре составляющий 2-3 часа) имеет важное технологическое значение, поскольку в это время закаленный сплав обладает повышенной пластичностью и может быть обработан давлением. Возникающее при старении упрочнение - результат торможения дислокаций выделениями, образованными при распаде пересыщенного твердого раствора (полем упругих напряжений в решетке растворителя вокруг выделений, при огибании или перерезании выделений дислокациями). Вклад в упрочнение от зон ГП сначала возрастает в связи с их укрупнением и увеличением плотности их распределения в решетке растворителя, что приводит к необходимости дислокациям огибать и перерезать выделения, достигает максимума и затем снижается до нуля в результате постепенного растворения зон ГП в решетке растворителя при появлении промежуточной фазы или же в результате прямого превращения зон ГП в промежуточную фазу. Вклад промежуточной фазы b¢ в упрочнение после определенного инкубационного периода вначале возрастает, что связано с появлением трудно перерезаемых дислокациями частиц промежуточной фазы, проходит через максимум при наибольшей плотности ее выделений и затем снижается в результате коагуляции (объединения) выделений промежуточной фазы и уменьшения поля упругих напряжений в решетке растворителя.

Таблица 1

Химический состав дуралюминов (ГОСТ 4784-74)

Марка сплава	Химический состав, %
Сu	Мg	Мn	Si*	Fe*	Zn	Ti*	Ni*	Сумма примесей	Аl
Д1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	<0,7	<0,7	<0,3	<0,1	<0,1	£0,1	остальное
Д16	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,9	<0,5	<0,5	<0,3	<0,1	<0,1	£0,1	остальное

* В стандарте учитывается как примесь.

Дуралюмины являются распространенными деформируемыми алюминиевыми сплавами, упрочняемыми термической обработкой - закалкой и старением. Их основными легирующими элементами являются медь и магний. Химический состав некоторых марок дуралюминов приведен в табл.1.

В первом приближении процессы, происходящие при нагреве и охлаждении, могут быть описаны с помощью диаграммы состояния системы Al-Cu (рис.2).

Рис.2. Фрагмент диаграммы состояния системы Al-Cu

Как следует из приведенной диаграммы растворимость меди в алюминии при изменении температуры от 548ОС до 20ОС снижается с 5,7% до 0,2%, что и обусловливает возможность термического упрочнения дуралюминов путем закалки и старения. Дуралюмины указанных марок применяют для изготовления деталей средней и повышенной прочности, требующих долговечности при переменных нагрузках. Из этих сплавов изготавливают трубы, прутки, заклепки, обшивки, лопасти, шпангоуты, ланжероны самолетов, каркасы и др.

2. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ

Термическая обработка дуралюмина включает в себя закалку и старение. Нагрев под закалку обычно производится в электрических печах или соляных ваннах, причем его особенностью является очень точное соблюдение температурного режима (см. рис.2), интервал температур закалки должен быть не более ±5°С. Охлаждение осуществляется в воде. Закалка дуралюмина в отличие от закалки стали не упрочняет сплав, а увеличивает пластические свойства по сравнению с исходным отожженным состоянием. Свежезакаленный дуралюмин хорошо поддается пластической деформации (расклепка заклепок, гибка, отбортовка и др.).

На практике проводят как естественное, так и искусственное старение. Естественное старение в течение 4-6 суток обеспечивает получение максимальных характеристик прочностных свойств. Например, предел прочности при растяжении может быть повышен до 400-470 МПа по сравнению с 210-220 МПа в исходном отожженном состоянии (табл. 2). В некоторых случаях применяется искусственное старение при 150-200^ОС продолжительностью до 6-15 часов с охлаждением обычно на воздухе. Такое старение приводит к меньшему упрочнению, предел прочности при растяжении повышается до 360-390 МПа.

Таблица 2

Механические свойства дуралюминов

Марка сплава	Состояние сплава	Предел прочности при растяжении sВ, МПа	Предел текучести sТ, МПа	Относительное удлинение d, %	Твердость НВ, МПа
Д1	После отжига После закалки и естественного старения
Д16	После отжига После закалки и естественного старения

3. МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Уясните цель работы.

3.2. Изучите процессы, происходящие при термической обработке дуралюмина - закалке и старении.

3.3. Возьмите 5 образцов дуралюмина,

3.4. Укажите марку и химический состав исследуемого дуралюмина.

3.5. Закалите 4 образца дуралюмина в воде после нагрева в электрической муфельной печи от температуры 500±5^ОС в речение 10 мин

3.5. Проведите искусственное старение 4 образцов дуралюмина при температуре 180^ОС в течение 15, 30 и 45 мин. с охлаждением на воздухе.

3.6. Измерьте твердость образцов в различных состояниях - исходном отожженном, свежезакаленном и после искусственного старения, предварительно зачистив шлифовальной шкуркой их поверхность. Измерения проведите на приборе Роквелла при нагрузке 625Н с помощью шарика Æ2,5мм. (Обратите внимание, что измерения необходимо проводить на неплакированной алюминием поверхности образца), диаметр полученного отпечатка определите с помощью отсчетного микроскопа как среднее арифметическое из двух измерений, полученных в двух взаимно перпендикулярных направлениях с точностью 0,05 мм. Значения твердости Н рассчитайте по формуле: Н=P/F,

где Р- значение нагрузки, Н; F=p×d²/4 - площадь отпечатка, м². Полученные результаты запишите в табл. 3.

Таблица 3.

Твердость дуралюмина в различных состояниях

Исходное отожженное	Свежезакаленное	После старения при температуре 180ОС в течение, мин
...	...	…	...	...

3.7. Постройте график зависимости H=f(t) (рис.3).

3.8. Проанализируете влияние продолжительности искусственного старения на твердость дуралюмина, объясните характер изменения твердости.

3.9. Составьте отчет о работе. (Для достоверного определения экспериментальных данных получите массив измерений, не менее 5, и статистически обработайте полученный коллектив с помощью микрокалькулятора или компьютера; проведите аналитическую аппроксимацию полученной экспериментальной зависимости; укажите аппроксимирующую функцию, постройте ее график).

Рис.3. Изменение твердости дуралюмина в зависимости от продолжительности искусственного старения при 180ОС

4. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 4.1. На чем основана термическая обработка цветных сплавов? 4.2. В чем заключается закалка без полиморфного превращения, старение? 4.3. Чем отличается искусственное старение от естественного? 4.4. Чем отличается зонное старение от фазового? 4.5. В чем физическая сущность процессов, протекающих при старении?

4.6. Какую структуру имеет дуралюмин марки Д1 в равновесном состоянии?

4.7. Как зарождаются зоны ГП, промежуточная и стабильная фазы?

4.8. Как влияют закалка и старение на механические свойства?

4.9. Какова природа упрочнения при старении?

4.10. Назовите основные легирующие элементы дуралюмина.

РЕКОМЕНДУЕМЫЙ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Новиков И.И. Теория термической обработки металлов. М.:Металлургия, 1986, 480 С., С.213-225, 316-386.

Гуляев АЛ. Металловедение. М.:Металлургия,1986. 544С., С.481-497.

Лахтин Ю.М. Металловедение и термическая обработка металлов. М.:Металлургия,1984.360 С., С.320-337.

Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др. М.:Машиностроение, 1986.383 С., С.85-89, 207-216.

Геллер Ю.А., Рахштадт А.Г. Материаловедение. М.:Металлургия, 1989. 456 С., С.339-341.