Изучение микроструктур сплавов
НА ОСНОВЕ АЛЮМИНИЯ
Цель работы: изучить классификацию и маркировку алюминиевых сплавов, закономерности формирования структур в процессе кристаллизации и термической обработки; ознакомиться с особенностями структур промышленных литейных и деформируемых сплавов, их связью с механическими и технологическими свойствами.
Теоретические сведения
Структура и свойства алюминия
Алюминий и сплавы на его основе имеют широкое применение в машиностроении благодаря комплексу ценных физико-химических свойств: малой плотности, высокой тепло-, электропроводности, пластичности, коррозионной стойкости.
Чистый алюминий - серебристо-белый металл с температурой плавления 660оС, плотностью 2710 кг/м3, имеет кристаллическую решетку ГЦК, полиморфных превращений не претерпевает. Высокая коррозионная стойкость алюминия обусловлена образованием на поверхности тонкой и плотной пленки оксида Al2O3. Механическая прочность чистого алюминия невелика (80-100 МПа), поэтому он применяется в виде токоведущих изделий (провода, шины), конденсаторной и пищевой фольги, покрытий для зеркал, рефлекторов и др.
Основными примесями, попадающими в алюминий при его производстве, являются кремний и железо, но могут содержаться также медь, цинк, титан и др. Железо присутствует в структуре алюминия в форме химического соединения FeAl3, кремний соединений не образует, а его кристаллы имеют игольчатую форму.
Эти примеси ухудшают пластичность алюминия и часто нежелательны в сплавах. Относительное удлинение ( 
) для алюминия, содержащего 0,005% примесей, составляет 45%, при содержании примесей 1% - =25%.
Таким образом, структура алюминия технической чистоты состоит из зерен алюминия, включений частиц кремния и FeAl3 на границах.
Структура алюминиевых сплавов и ее влияние на механические и технологические свойства.
Для повышения прочностных свойств в алюминий вводят легирующие элементы, наиболее распространенными из которых являются медь, цинк, кремний, магний, марганец, литий. На рис. 10.1. видно, что все эти диаграммы состояний алюминия с легирующими элементами одного типа - эвтектические с ограниченной растворимостью второго компонента.
Проанализируем, какие структуры могут иметь алюминиевые сплавы. Для этого рассмотрим кристаллизацию и формирование структур сплавов I, II, III и IV (рис. 10.2.).
Фазами в диаграмме являются: жидкость, 
- твердый раствор легирующего элемента в алюминии и упрочняющая интерметаллидная фаза AlxMу.
Сплав I при комнатной температуре имеет структуру твердого раствора, т.к. после завершения кристаллизации в точке 2 никаких фазовых превращений не происходит. Кристаллизация сплава II происходит следующим образом: от точки 1 до точки 2 из жидкости выделяются кристаллы a-твердого раствора и в точке 2 кристаллизация заканчивается. От точки 2 до точки 3 сплав охлаждается без фазовых превращений. Ниже точки 3, лежащей на линии предельной растворимости, из a-раствора выделяется фаза AlxMу. Следовательно, структура сплава II при комнатной температуре состоит из a-раствора и интерметаллидной (вторичной) фазы, расположенной по границам зерен a-твердого раствора.
Кристаллизация сплава III от точки 1 до точки 2 происходит с образованием a-твердого раствора и заканчивается в точке 2 выделением из жидкости эвтектики. При комнатной температуре этот сплав имеет структуру a-твердого раствора и эвтектики.
Структура сплава IV состоит из одной эвтектики, которая образуется при кристаллизации из жидкости в точке 1.
По способу получения изделий алюминиевые сплавы подразделяются на литейные и деформируемые.
Рис. 10.1 Диаграммы состояний сплавов алюминия с марганцем, кремнием, медью, магнием, цинком, литием.
Рис. 10.2. Типичная диаграмма алюминиевых сплавов
Изделия из деформируемых сплавов получают обработкой давлением: прокаткой, волочением, ковкой, горячей объемной и листовой штамповкой и т.д. Поэтому деформируемые сплавы должны обладать высокой пластичностью. Наибольшую пластичность имеют сплавы со структурой a-твердого раствора. Интерметаллидная фаза пластичность ухудшает. С увеличением количества интерметаллидной фазы пластичность падает, а прочность возрастает до определенного предела, устанавливаемого экспериментально для каждого сплава, после которого сплав становится хрупким.
Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой объемной усадкой, минимальной склонностью к образованию рассеянной усадочной пористости, возможно большими механическими свойствами. Всем этим требованиям удовлетворяют сплавы, содержащие в структуре эвтектику и имеющие химический состав, близкий к эвтектическому.
Максимальное содержание легирующих элементов в сплавах алюминия установлено экспериментально и не превышает: марганца - 1,6%, кремния - 13,0%, меди - 5,3%, магния - 11,5%, цинка - 14,0%, лития - 4,5%. Анализ приведенных диаграмм состояний показывает, что только сплавы алюминия с кремнием имеют в структуре эвтектику, остальные же имеют структуру твердого раствора a и выделения интерметаллидной фазы по границам зерен.
Известно немного сплавов алюминия, содержащих только один легирующий элемент, большинство их содержит два, три и более элементов. Однако принципиальное строение структуры от этого не меняется. Меняется только количество интерметаллидных фаз или сложность строения эвтектики.
Литейные алюминиевые сплавы
В качестве литейных используются двух и многокомпонентные сплавы на основе систем «алюминий - кремний», «алюминий - магний», «алюминий - медь». Сплавы алюминия с кремнием, называемые силуминами, содержат от 6 до 13% кремния, а их структура состоит из твердого раствора кремния в алюминии и эвтектики (см. рис. 10.1). Благодаря большому количеству эвтектики силумины отличаются высокими литейными свойствами, а отливки - большой плотностью и герметичностью.
Отличительной особенностью структуры силуминов является игольчатое строение эвтектики у немодифицированных сплавов (см. альбом микроструктур). Обладая высокой хрупкостью, кремний игольчатой формы способствует зарождению и распространению трещин, из-за чего прочностные свойства сплавов с такой структурой низкие. Чтобы изменить форму кристаллов кремния на более благоприятную, перед разливкой в формы сплав модифицируют введением в него натрия в виде хлористых и фтористых солей. После модифицирования кремний кристаллизуется в форме мелкодисперсных частиц, что значительно улучшает свойства сплавов (см. альбом микроструктур).
Двойной силумин (сплав АЛ2) очень слабо упрочняется при термообработке (закалке и старении). Чтобы повысить эффект упрочнения, сплавы алюминия с кремнием дополнительно легируют магнием до 0,8%, медью до 4,5%, цинком до 14,0%. Это сплавы АЛ3, АЛ4, АЛ5, АЛ9, АЛ11. Превращения при термообработке, приводящие к их упрочнению, описаны ниже.
Сплавы алюминия с магнием – магналии (АЛ8, АЛ23, АЛ27) – и алюминия с медью (АЛ7, АЛ19) обладают плохими литейными свойствами, т.к. в их структуре не содержится эвтектики и они затвердевают в широком интервале температур (рис. 10.1). Однако они обладают такими ценными качествами, как высокая коррозионная стойкость, большая удельная прочность, хорошая обрабатываемость резанием (сплавы с магнием), высокая прочность, твердость и ударная вязкость (сплавы с медью). Для получения мелкозернистой структуры в отливках в сплавы добавляют небольшие количества (десятые доли процента) титана и циркония, для уменьшения окисления магния – до 0,1% бериллия, для повышения жаропрочности – до 1,0% марганца. Структура этих сплавов в литом состоянии состоит из твердого раствора алюминия и интерметаллидных включений, располагающихся по границам зерен (см. альбом микроструктур). Перед обработкой резанием отливки подвергают упрочняющей термообработке – закалке и старению.
Химический состав и механические свойства наиболее применяемых литейных сплавов приведены в табл. 10.1.
Таблица 10.1.
Химический состав и механические свойства наиболее применяемых литейных сплавов
| Марка сплава | Механические свойства | Примечание | |||||||
| Si | Mg | Cu | Mn | σв | σ0,2 | δ | НВ, МПа | ||
| МПа | % | ||||||||
| АЛ2 | 10 - 13 | Литой в песчаную форму Модифицированный | |||||||
| АЛ4 | 8 - 10 | 0,17 – 0,3 | 0,2 - 0,5 | Литой в песчаную форму, модифицированный, закаленный и состаренный | |||||
| АЛ9 | 6 - 8 | 0,2–0,4 | Литой под давлением | ||||||
| АЛ23 | - | 6 - 7 | - | Закаленный и состаренный | |||||
| АЛ7 | 4 - 5 | Закаленный и состаренный |
Деформируемые алюминиевые сплавы
В промышленности используется большое количество деформируемых сплавов. Из них изготавливают листы, трубы, профили, поковки, штамповки. Они отличаются друг от друга легирующими компонентами, степенью легированности и способностью упрочняться при закалке и старении.
Технический алюминий (АД, АД1), двойные сплавы алюминия с марганцем (АМц, АМц2), магнием (АМг2, …, АМг6) содержат мало легирующих элементов, термически не упрочняются, обладают высокой пластичностью. Поэтому используются в отожженном или нагартованном состоянии в виде листов, труб, профилей.
Все остальные деформируемые сплавы способны упрочняться термообработкой, но степень их упрочнения зависит от легирующих элементов и степени легированности.
В литом состоянии любой деформируемый сплав имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора, по границам которого расположены выделения интерметаллидных фаз. Чем сложнее химический состав сплава, тем сложнее состав интерметаллидов. После термообработки (закалки и старении) эти интерметаллидные фазы играют роль упрочнителей сплава, причем эффективность упрочнения тем выше, чем сложнее кристаллическая решетка фазы. Сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем называют дюралюминами. Это сплавы Д1, Д6, Д16, Д18, Д20 и др. Близкие к дюралюминам по составу, но с добавками кремния, - это ковочные сплавы АК4, АК6, АК8, названные так потому, что используются для получения поковок и штамповок. Группа сплавов, названных авиалями, содержат те же легирующие элементы, что и ковочные, но содержание меди в них снижено на порядок. Поэтому авиали обладают высокой пластичностью, хотя и невысокой прочностью. Маркируют их АВ, АД31, …, АД35.
Наиболее высокими механическими свойствами после упрочняющей термообработки обладают сплавы, легированные медью, магнием и цинком. Их называют высокопрочными и маркируют В92, …, В96.
Химический состав и механические свойства некоторых деформируемых сплавов алюминия приведены в табл. 10.2.
Таблица 10.2
Состав и свойства деформируемых алюминиевых сплавов
| Наименование, система | Марка сплава | Содержание компонентов, % | Показатели свойств | |||||||
| Cu | Mg | Si | Mn | Zn | Другие |  , МПа |  , МПа | , % | ||
| Марганцовистые Al-Mn | АМц | - | - | - | 1,6 | - | До 1,8 примеси | 130 (220) | (180) | (5) |
| Магналии Al-Mg | АМг2 АМг6 | - - | 2,8 6,8 | - - | 0,6 0,8 | - - | До 1,2 примеси 0,1 Ti; 0,05 Ве | (250) | (210) | (6) 24,5 |
| Дюралюмины Al-Cu-Mg-Mn | Д1 Д16 | 4,8 4,9 | 0,8 1,8 | - - | 0,8 0,9 | - - | До 1,9 примеси До 1,5 примеси | (420) (450) | (240) (330) | (18) (17) |
| Ковочные Al-Cu-Mg-Si | АК6 АК8 | 2,6 4,8 | 0,8 1,0 | 1,2 1,2 | 0,8 1,0 | - - | До 1,2 примеси До 1,2 примеси | |||
| Авиали Al-Mg-Si | АВ АД33 | 0,6 0,4 | 0,9 1,2 | 1,2 0,8 | 0,35 - | - - | До 0,8 примеси До 1.4 примеси | |||
| Высокопрочные Al-Zn-Mg-Cu | В93 В95 | 1,2 2,0 | 2,2 2,8 | - - | - 0,6 | 6,7 7,0 | 0,4 Fe 0,25 Cr | |||
| Спеченые порошки | САП1 САП3 | - - | - - | - - | - - | - - | 9Al203 18 Al203 | 300 (70) (120) | (60) (100) | (6) 6 (4) |
* В скобках приведены показатели для нагартованных сплавов.
** В скобках и далее приведены показатели закаленных и состаренных сплавов.
*** В скобках приведены показатели при температуре 5000 С.