Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов. Термообработка алюминиевых сплавов
Термообработка алюминия
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Термическую обработку алюминиевых профилей применяют для модификации свойств алюминиевых сплавов, из которых они сделаны, путем изменения их микроструктуры. Основными упрочняющими механизмами в алюминиевых сплавах являются упрочнение за счет легирования твердого раствора и упрочнение за счет выделений вторичных фаз. Как правило, один из этих механизмов в сплаве является доминирующим.
Твердый раствор алюминиевых сплавов
Твердый раствор получают нагревом алюминиевого сплава, при котором все имеющиеся в нем фазы растворяются с образованием одной гомогенной фазы – алюминия с растворенными в нем легирующими элементами. С повышением температуры растворимость элементов увеличивается, со снижением температуры – снижается. Механизм упрочнения заключается в том, что при достаточно быстром охлаждении алюминиевого сплава растворенные элементы остаются в атомной решетке алюминия и искажают, упруго деформируют ее. Эта искаженная атомная решетка затрудняет движение дислокаций и, следовательно, пластическую деформацию сплава и тем самым повышает его механическую прочность.
Старение алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.
Закалка алюминиевых профилей на прессе
Закалка на прессе является весьма экономически выгодной технологией термической обработки алюминиевых профилей по сравнению с закалкой с отдельного нагрева. При закалке на прессе охлаждение алюминиевых профилей проводят от температуры, с которой они выходят из матрицы. Необходимое условие для закалки на прессе — интервал температур нагрева алюминиевого сплава под закалку должен совпадать с интервалом температур алюминиевых профилей на выходе из пресса. Это, в принципе, выполняется только для «мягких» и «полутвердых» алюминиевых сплавов – технического алюминия, алюминиевых сплавов серий 3ххх и 6ххх, а также малолегированных сплавов серии 5ххх (с магнием до 3 %) и некоторых алюминиевых сплавов серии 7ххх без легирования медью (7020, 7005 (наш 1915), 7003). Эффект закалки для алюминиевых сплавов 3ххх и 5ххх очень незначителен и, как правило, не принимается во внимание. Окончательные механические свойства алюминиевые сплавы 3ххх и 5ххх принимают не в результате термического упрочнения, а при последующей нагартовке, что может включать и операции термической обработки: один или несколько отжигов. Упрочняющей фазой для сплавов серии 6ххх является соединение Mg2Si.
Закалка на прессе алюминиевых профилей из сплавов АД31, 6060 и 6063
Все алюминиевые сплавы серии 6ххх могут получать закалку непосредственно на прессе. Для фиксирования растворенных фаз в твердом растворе алюминия необходимо охлаждение алюминиевых профилей на выходе из пресса со скоростью не ниже некоторой критической скорости. Эта скорость зависит от химического состава алюминиевого сплава. Обычно усиленного охлаждения вентиляторами бывает достаточно для большинства алюминиевых профилей, однако иногда бывает необходимым и охлаждение их водой или смесью воздуха и воды. Успешная закалка алюминиевых сплавов серии 6ххх зависит от толщины профиля, а также от типа сплава и его химического состава. В случае чрезмерно массивных алюминиевых профилей, например, из сплава АД33 (6061) и относительно медленной скорости прессования материал на выходе из матрицы может не достигать интервала температур, необходимого для закалки и часть частиц Mg2Si останется не растворенной. Поэтому при последующем воздушном, или даже водяном, охлаждении профилей их полной закалки не получится. В таких случаях применяют отдельный нагрев под закалку в специальных печах – обычно вертикальных с последующим охлаждением в вертикальных баках с водой. После закалки алюминиевых профилей производят их растяжение на 1,5 – 3 % для правки и снятия остаточных напряжений.
Старение алюминиевых профилей: искусственное и естественное
Заключительной операцией термической обработки алюминиевых профилей является старение, естественное или искусственное. Естественное старение происходит само собой в течение некоторого времени, разного для различных алюминиевых сплавов – от нескольких недель до нескольких месяцев. Искусственное старение производят в специальных печах старения.
13el.ru
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Термическая обработка алюминиевых сплавов
Термическую обработку алюминиевых профилей применяют для модификации свойств алюминиевых сплавов, из которых они сделаны, путем изменения их микроструктуры. Основными упрочняющими механизмами в алюминиевых сплавах являются упрочнение за счет легирования твердого раствора и упрочнение за счет выделений вторичных фаз. Как правило, один из этих механизмов в сплаве является доминирующим.
Твердый раствор алюминиевых сплавов
Твердый раствор получают нагревом алюминиевого сплава, при котором все имеющиеся в нем фазы растворяются с образованием одной гомогенной фазы – алюминия с растворенными в нем легирующими элементами. С повышением температуры растворимость элементов увеличивается, со снижением температуры – снижается. Механизм упрочнения заключается в том, что при достаточно быстром охлаждении алюминиевого сплава растворенные элементы остаются в атомной решетке алюминия и искажают, упруго деформируют ее. Эта искаженная атомная решетка затрудняет движение дислокаций и, следовательно, пластическую деформацию сплава и тем самым повышает его механическую прочность.
Старение алюминиевых сплавов
Алюминиевые сплавы, которые упрочняются старением, содержат определенное количество растворимых легирующих элементов, например, некоторых комбинаций из меди, магния, кремния, марганца и цинка. При соответствующей термической обработке эти растворенные атомы соединяются в виде очень малых частиц, которые выделяются внутри зерен алюминиевого сплава. Этот процесс и называют старением, так он происходит «сам собой» при комнатной температуре. Для ускорения и достижения большей эффективности упрочнения алюминиевого сплава старение проводят при повышенной температуре, скажем, 200 °С.
Закалка алюминиевых профилей на прессе
Закалка на прессе является весьма экономически выгодной технологией термической обработки алюминиевых профилей по сравнению с закалкой с отдельного нагрева. При закалке на прессе охлаждение алюминиевых профилей проводят от температуры, с которой они выходят из матрицы. Необходимое условие для закалки на прессе — интервал температур нагрева алюминиевого сплава под закалку должен совпадать с интервалом температур алюминиевых профилей на выходе из пресса. Это, в принципе, выполняется только для «мягких» и «полутвердых» алюминиевых сплавов – технического алюминия, алюминиевых сплавов серий 3ххх и 6ххх, а также малолегированных сплавов серии 5ххх (с магнием до 3 %) и некоторых алюминиевых сплавов серии 7ххх без легирования медью (7020, 7005 (наш 1915), 7003). Эффект закалки для алюминиевых сплавов 3ххх и 5ххх очень незначителен и, как правило, не принимается во внимание. Окончательные механические свойства алюминиевые сплавы 3ххх и 5ххх принимают не в результате термического упрочнения, а при последующей нагартовке, что может включать и операции термической обработки: один или несколько отжигов. Упрочняющей фазой для сплавов серии 6ххх является соединение Mg2Si. Подробнее см. Закалка алюминиевых профилей на прессе
Закалка на прессе сплавов АД31, 6060 и 6063
Все алюминиевые сплавы серии 6ххх могут получать закалку непосредственно на прессе. Для фиксирования растворенных фаз в твердом растворе алюминия необходимо охлаждение алюминиевых профилей на выходе из пресса со скоростью не ниже некоторой критической скорости. Эта скорость зависит от химического состава алюминиевого сплава. Обычно усиленного охлаждения вентиляторами бывает достаточно для большинства алюминиевых профилей, однако иногда бывает необходимым и охлаждение их водой или смесью воздуха и воды. Успешная закалка алюминиевых сплавов серии 6ххх зависит от толщины профиля, а также от типа сплава и его химического состава. В случае чрезмерно массивных алюминиевых профилей, например, из сплава АД33 (6061) и относительно медленной скорости прессования материал на выходе из матрицы может не достигать интервала температур, необходимого для закалки и часть частиц Mg2Si останется не растворенной. Поэтому при последующем воздушном, или даже водяном, охлаждении профилей их полной закалки не получится. В таких случаях применяют отдельный нагрев под закалку в специальных печах – обычно вертикальных с последующим охлаждением в вертикальных баках с водой. После закалки алюминиевых профилей производят их растяжение на 1,5 – 3 % для правки и снятия остаточных напряжений.
Старение алюминиевых профилей: искусственное и естественное
Заключительной операцией термической обработки алюминиевых профилей является старение, естественное или искусственное. Естественное старение происходит само собой в течение некоторого времени, разного для различных алюминиевых сплавов – от нескольких недель до нескольких месяцев. Искусственное старение производят в специальных печах старения. Типичные режимы термической обработки для некоторых алюминиевых сплавов 6ххх приведены в таблице 1.
Таблица 1
Термическая обработка алюминиевых сплавов Al-Zn-Mg
Алюминиевые сплавы Al-Zn-Mg без легирования медью (7020, 7005 (1915), 7003) также относят к «полутвердым» сплавам. Их успешно применяют при изготовлении кузовов вагонов, несущих, в том числе, сварных, конструкций. Эти алюминиевые сплавы успешно подвергаются упрочнению старением, если температура профилей на выходе из пресса составляет хотя бы 400 °С. Чаще всего их применяют вообще без принудительного охлаждения в виду их склонности к коррозии под напряжением. Вместе с тем, например, алюминиевый сплав 1915 обеспечивает даже в горячепрессованном состоянии с естественным старением от 30 до 35 суток предел прочности более 315 МПа.
Закалка алюминиевых профилей с отдельного нагрева
Алюминиевые сплавы Al—Cu—Mg и Al—Zn—Mg—Cu, а также сплавы серии Al—Mg при содержании магния более 3 % относят к труднопрессуемым. Алюминиево-магниевые сплавы не подвергаются термическому упрочнению, а процесс термического упрочнения алюминиевых сплавов Al—Cu—Mg и Al—Zn—Mg—Cu(2ххх и 7ххх) значительно отличается от термической обработки сплавов 6ххх, которые всегда закаливают на прессе. Закалку этих сплавов, например, сплавов 7075 и 2024 (Д16), производят только с отдельного нагрева, чаще всего в вертикальных печах, с последующей быстрой закалкой в вертикальных ваннах-баках с водой. Заключительную операцию термической обработки — операцию старения — проводят или при комнатной температуре (естественное старение) или при заданной повышенной температуре в течение необходимого времени (искусственное старение).
Закалка твердых алюминиевых сплавов
В таблице 2 представлены упрочняющие фазы термически упрочняемых твердых сплавов. При печном нагреве под закалку они растворяются в твердом растворе. Процесс нагрева включает выдержку при заданной температуре для достижения почти гомогенного твердого раствора. Скорость охлаждения алюминиевых профилей от температуры закалки должна превышать некоторую критическую скорость, разную для разных алюминиевых сплавов, чтобы получить максимальные прочностные свойства и сопротивление межкристаллитной в состаренном состоянии. Например, для сплава 7075 скорость охлаждения должна быть не менее чем 300 °С/c в температурном интервале от 400 до 280 °С. В закаленном состоянии алюминиевые сплавы, упрочняемые старением, являются нестабильными. При старении алюминиевых сплавов выделяются субмикроскопические частицы вторичной фазы, которые образуют нерегулярную дислокационную структуру. За счет формирования этой структуры и происходит упрочнение сплава. Размер и распределение этих выделений определяет оптимальные механические свойства алюминиевого сплава. Типичные режимы термической обработки некоторых твердых алюминиевых сплавов приведены в таблице 3. Длительность нагрева зависит от толщины алюминиевых профилей.
Таблица 2 
Таблица 3
Источники:1. Saha P.2. Aluminium and Aluminium Alloys: ASM, 1993
aluminium-guide.ru
Термообработка алюминиевых сплавов — МегаЛекции
Алюминий относится к металлам, в которых отсутствует полиморфное превращение и поэтому основным фазовым превращением, происходящем при термообработке является растворение избыточных вторичных фаз в процессе нагрева и их выделение в процессе охлаждения. Поэтому для алюминиевых сплавов применяют все виды термообработки без полиморфных превращений, (отжиги, закалка без полиморфного превращения и старение).
Алюминиевые сплавы подвергают трем основным видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. Основными видами отжига являются: диффузионный (гомогенизация), рекристаллизационный и отжиг термически упрочненных сплавов.
Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микро неоднородности зерен твердого раствора за счет диффузии, т.е. уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка. Поэтому для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450-520°С и выдерживают при этой температуре от 4 до 40 ч. После выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно облегчает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко применяют для деформируемых алюминиевых сплавов.
Для алюминия и алюминиевых сплавов (а также для других цветных металлов и сплавов) рекристаллизационный отжиг применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, алюминий, а также многие сплавы на его основе, не упрочняются закалкой и повышение их механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке (для восстановления пластичности) является рекристаллизационный отжиг. Кроме того, сплавы, упрочняемые закалкой, часто подвергают холодной обработке давлением с последующим рекристаллизационным отжигом для придания требуемых свойств. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300-500°С, выдержка 0,5-2 ч.
Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, полученного в результате закалки и старения; он проводится при температурах 350-450°С с выдержкой 1-2 ч и последующим достаточно медленным охлаждением (со скоростью не более 30°С/ч), чтобы обеспечить протекание диффузионных процессов распада твердого раствора и коагуляцию продуктов распада.
Закалка алюминиевых сплавов позволяет получить высокую прочность в сочетании с достаточной вязкостью и пластичностью. Для алюминиевых сплавов применяют закалку без полиморфного превращения.
В современной технике применяют много сплавов на алюминиевой основе с различным количеством легирующих элементов. Одни из них, например Сu, Si, Mg, Zn, резко изменяют свойства алюминия и его сплавов. Другие, например Mn, Ni, Сг, дополнительно улучшают свойства и вводятся только при наличии перечисленных выше, одного или нескольких, основных легирующих элементов. Часть элементов вводят в качестве модификаторов, добавок, действующих различно, но улучшающих (главным образом измельчающих) структуру; к таким добавкам относятся Na, Be, Ti, Се, Nb. Некоторые элементы, входящие в алюминиевые сплавы, образуют с алюминием ограниченные твердые растворы переменной концентрации, в которых растворимость элементов с понижением температуры уменьшается. На этом и основывается закалка алюминиевых сплавов.
Примером такой закалки является термообработка алюминиево- медных сплавов. При температуре 20°С растворимость меди в алюминии равна 0,1%, а при температуре 548°С - 5,65% (рис.34). Сплавы с содержанием меди менее 0,1% не могут быть закалены, так как являются однофазными сплавами. Сплавы с содержанием меди от 0,1 до 5,65% являются двухфазными и в исходном отожженном состоянии имеют структуру твердого а-раствора меди в алюминии и включений химического соединения СuА12. При нагреве сплавов выше линии ограниченной растворимости, например сплава, содержащего 4% Сu, до температуры t1 включения СuА12 растворяются, и образуется однофазный твердый α-раствор. Быстрым охлаждением (закалка в воде) фиксируется твердый (пересыщенный) α-раствор меди в алюминии. После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность практически не изменяется.
Рис. 34. Диаграмма состояния алюминий - медь
После закалки алюминиевые сплавы подвергают старению, при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора. Если он проходит при нормальной температуре в естественных условиях, то такой процесс называется естественным. Ускорить распад твердого раствора можно подогревом. Распад пересыщенного твердого раствора при повышенных температурах, называется искусственным старением.
При старении в сплавах А1-Сu протекают следующие процессы.
1.Зонное старение.
При температуре 20°С (естественное старение) и при температурах до 100°С (искусственное старение) в пересыщенном твердом растворе возникают области (тонкопластинчатой, дискообразной формы), обогащенные атомами меди, названные зонами Гинье-Престона и обозначаемые ГП., а для данного начального процесса ГП1. Эти зоны имеют толщину 5-10Å и диаметр 40-100Å. Структура их неупорядоченная, как и твердого раствора. Образование зон ГП1 сопровождается искажением кристаллической решетки (рис.26.), что приводит к повышению механических свойств сплава.
При температурах 100-150° С, происходит рост зон ГП1 до толщины 10-40Å и диаметра 200-300Å, обогащение атомами меди до состава, близкого к составу стабильной фазы θ" (СuА12). Структура образующихся зон становится упорядоченной. Такие зоны называются зонами ГП2 или фазой θ", и их наличие обусловливает максимальную прочность сплава.
Рис.35. Упрочнение сплавов за счет выделения зон ГП
2.Фазовое старение.
При температурах 150-200°С образуется метастабильная промежуточная фаза θ', имеющая такой же состав, как равновесная θ-фаза (СиА12). Но выделения θ'-фазы не имеют границ раздела с зернами твердого раствора, т. е. когерентно связаны с решеткой алюминия. Таким образом, появление зон ГП1 и ГП2 - это подготовительные стадии к началу распада твердого раствора (выделению избыточной фазы), а образование θ'-фазы - начало распада твердого раствора (выделение избыточной фазы).
При температурах 200-250°С решетка θ'-фазы отрывается от решетки твердого раствора (когерентность полностью нарушается) и оформляется в решетку, соответствующую соединению СиАl2 (θ-фаза).
.Коагуляционное старение (перестаривание).
Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции выделившейся θ-фазы, резкому снижению прочности и повышению пластичности.
Таким образом, структура сплавов при старении изменяется в следующей последовательности: зоны ГП1> зоны ГП2(фаза θ") > фаза θ' > фаза θ (CuA12).
Выделение вторичной фазы на плоскостях скольжения затрудняет перемещение дислокаций при пластической деформации. Для их обхода или перерезания требуется увеличение деформирующего усилия, что и проявляется как увеличение прочности сплава.
Рис.36.Изменение прочности при старении дуралюмина
при различных температурах
Скорость процесса старения зависит от температуры. При естественном старении оно может происходить в течение нескольких суток. При повышении температуры старение может происходить в течение 30 минут. Обычно процесс старения ведут до получения max прочности, заканчивая его второй стадией - фазовым старением. Однако для некоторых высокопрочных сплавов максимальная прочность достигается при резком снижении пластичности и вязкости. В этом случае, старение ведут до 3стадии, добиваясь необходимого сочетания пластичности и вязкости.
Закалка без полиморфного превращения и старение может быть применено ко всем сплавам, в которых есть легирующие элементы, испытывающие переменную растворимость в алюминии - Cu, Mg, Zn, Li.
Читайте также:
megalektsii.ru
Термическая обработка алюминиевых сплавов.
Термическая обработка алюминиевых и магниевых сплавов является ответственной операцией технологического процесса. Цель ее - изменить структуру и физико-химические свойства сплавов. Режим термической обработки выбирают в зависимости от сплавов и метода изготовления из них заготовок и деталей.
Термическая обработка деталей, изготовленных из алюминиевых сплавов, основана на том, что с понижением температуры растворимость многих элементов в твердом алюминии уменьшается. При нагреве под закалку алюминиевые сплавы неполностью кристаллизуются. Если сплав перегрет, в результате чего структура получилась с крупным зерном, то такой сплав бракуется. Поэтому термист должен быть внимателен к нагреву деталей из алюминиевых сплавов.
Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы подвергают таким видам термической обработки, как отжиг, закалка, старение.
Отжиг применяют для заготовок с целью придания материалу пластических свойств, необходимых для выполнения операций, которые связаны с обработкой давлением в холодном состоянии. В зависимости от сплава и назначения полуфабрикатов применяют высокий, низкий и полный отжиг.
Высокий отжиг (310-350°С) предназначается для полного разупрочнения (снятия наклепа) материала, происходящего после холодной пластической деформации сплавов А1, АД, AM и др.
Низкий отжиг (150-300°С) также применяют для сплавов А1, АД, AM, но с целью повышения пластичности при сохранении достаточной прочности, полученной нагартовкой.
Полный отжиг (380-450°С) применяют для полуфабрикатов, изготовленных из термически упрочняемых сплавов Д1, Д16, АК6 и т. д., чтобы получить высокую пластичность и снять упрочнение, полученное в результате закалки и старения.
Для снятия эффективности естественного старения и возвращения материала к свежезакаленному состоянию применяют нагрев в течение нескольких секунд или минут при температуре 200-250°С. Такой вид операции называют отжигом на возврат.
Закалка деформируемых алюминиевых сплавов, в основном дюралюминия Д1, Д16 и Д18, состоит только из одной операции - нагрева с охлаждением в воде при температуре 30- 40°С. Температура закалки для Д1 берется равной 495-505°С, для Д16 - 490-500°С, для Д18 - 495-510°С. Выдержка при нагреве устанавливается в зависимости от размеров деталей,
Особенность дюралюминия заключается в том, что он проявляет повышенную восприимчивость к старению при комнатной температуре. Стабилизация свойств происходит примерно через четверо суток. Искусственное старение дюралюминия неблагоприятно сказывается на механических свойствах и коррозийной стойкости.
Термическая обработка литейных алюминиевых сплавов. В отличие от деформируемых литейные алюминиевые сплавы почти все подвергаются термической обработке.
Для отливок из сплавов применяют несколько видов термической обработки.
Температуру закаливающей воды повышают для предотвращения закалочных трещин в отливках, причем, чем сложнее форма отливок, тем более высокой берется температура воды.
Термическая обработка магниевых сплавов. Деформируемые и литейные магниевые сплавы в основном подвергают трем видам термической обработки: отжигу (Т2), закалке (Т4) и закалке с последующим искусственным старением (Т6). Деформируемые магниевые сплавы обычно отжигаются для рекристаллизации и повышения пластичности, а отливки из них - для снятия напряжений. Режимы термической обработки магниевых сплавов приведены в табл. 33. Выдержка при закалке и старении дается выше, чем для алюминиевых сплавов, так как фазовые превращения происходят очень медленно.
Магниевые сплавы склонны к окислению, поэтому их нагревают под закалку в вакуумных печах или в печах с защитной атмосферой, состоящей из смеси воздуха с 0,7-1,0% сернистого газа.
Дефекты и брак при термической обработке алюминиевых и магниевых сплавов. При термической обработке заготовок и деталей из алюминиевых и магниевых сплавов возможны дефекты (неудовлетворительные механические свойства, неравномерная закалка, коробление) и брак (трещины и пузыри).
Неудовлетворительные механические свойства появляются в результате завышения прочности заготовок в отожженном состоянии и занижения их прочности и пластичности в закаленном состоянии. Причинами возникновения такого дефекта могут быть заниженная температура, небольшая выдержка и повышенная скорость охлаждения.
Неравномерная закалка деталей сложной формы способствует образованию в них разных участков с различными механическими свойствами. Этот дефект исправляют повторной закалкой в специальных приспособлениях.
Коробление возникает в тех случаях, когда в процессе закалки и старения в деталях происходят значительные внутри-кристаллические изменения, что способствует изменению размеров деталей. Коробление часто наблюдается и при механической обработке деталей, что вызывается перераспределением остаточных напряжений. Для устранения такого дефекта необходимо правильно выбирать температуру нагрева и правильно вести охлаждение.
Трещины при закалке образуются при сложной конфигурации деталей, их разностенности и завышенных скоростях нагрева и охлаждения. Детали с трещинами считаются окончательным браком. Для того чтобы не появились трещины, необходимо не только правильно нагревать детали, но и изолировать места деталей с тонкими стенками асбестом, чтобы обеспечить равномерный прогрев всей детали.
Пузыри образуются при нагреве листового металла в результате появления неплотности между плакированным слоем и сердцевиной листа, куда проникают воздух и пары воды. Кроме того, пузыри могут возникать из-за остатков грязи, смазки и т. п. Для предотвращения возникновения пузырей необходимо тщательно очищать поверхность плакированных листов и улучшать их качество.
poisk-ru.ru
Упрочняющая термообработка алюминиевых сплавов — Мегаобучалка
Упрочнение алюминиевых сплавов возможно за счет закалки без полиморфного превращения при наличии в сплаве ограниченной растворимости легирующих элементов. Для получения эффекта закалки алюминиевые сплавы нагревают до температуры выше линии солидус. Выдержка должна быть такой, чтобы обеспечить полное растворение всех вторичных фаз. После закалки получается пересыщенный твердый раствор. Охлаждение должно вестись интенсивно. Пересыщенный твердый раствор является нестойким и в течение времени начинает распадаться. Процесс распада называется старением. Процесс распада твердого раствора можно разбить на 4 стадии:
1. В кристаллической решетке твердого раствора появляются зоны, обогащенные легирующими элементами. Они представляют области дискообразной формы.
2. Зоны увеличиваются в 10 раз, а концентрация легирующих элементов становится такой же, как и в интерметаллидах. Эти зоны называются зонами Гинье-Престона (ГП).
3. На месте этих зон образуются θ’ – фазы. В зонах, обогащенных медью, образуется кристаллическая решетка промежуточная между твердым раствором и упрочняющей фазой.
4. Образуется θ – фаза.
Механические свойства в процессе старения на разных стадиях меняются по-разному. 1, 2 и 3 стадия сопровождается увеличением прочности, твердости и одновременным снижением пластичности. Это объясняется тем, что в процессе распада твердого раствора происходит искажение кристаллической решетки, т.е. сопротивление перемещению дислокаций увеличивается. На 4 стадии происходит отделение вторичной фазы от твердого раствора, появляется граница раздела. Искажение кристаллической решетки становится меньше, прочность и твердость падает. Поэтому 4 фазу называют перестариванием. Если требуются высокие прочность и твердость, то старение оканчивают на 3 стадии. Увеличение температуры старения не вызывает повышения твердости, а лишь ускоряет процесс распада твердого раствора.
Следует учитывать, что некоторые сплавы, особенно сложнолегированные, не достигают максимального упрочнения при естественном старении. Поэтому для получения оптимальных свойств требуется подбор оптимальных температур. Чрезмерное увеличение температуры старения вызывает коагуляцию вторичной фазы, т.е. увеличение ее размеров и одновременно уменьшение количества ее выделений. Чем выше температура, тем меньше твердость и прочность, тем ближе свойства к исходному отожженному состоянию. Чтобы снять эффект упрочнения от закалки необходимо применить отжиг с нагревом до температур, близких к температуре закалки, но с последующим медленным охлаждением. Такой отжиг называют отжигом на возврат.
Термомеханическая обработка алюминиевых сплавов.
Для алюминиевых сплавов можно применять практически все виды т.м.о. Однако чаще всего применяют высокотемпературную т.м.о. и низкотемпературную т.м.о.
ВТМО.
Представляет собой сочетание упрочняющей термообработки и горячей пластической деформации. Горячая деформация проводится после нагрева под закалку, а резкое охлаждение проводится сразу после деформации. Деформация позволяет повысить прочность за счет увеличения плотности дефектов кристаллической решетки, т.е. за счет создания наклепа. Степень деформации должна быть такой, чтобы не вызвать начало рекристаллизации, т.е. при температуре деформации проходит только динамическая рекристаллизация. В результате в металле образуется сетка дислокаций, создающая ячеистую субзеренную структуру. Это позволяет не только повысить прочность, но и сохранить высокую пластичность и вязкость. Резкое охлаждение фиксирует эту структуру. Последующее старение ведет к распаду пересыщенного твердого раствора, а выделяющиеся частицы вторичных фаз располагаются вдоль сетки дислокаций, препятствуя их перемещению и способствуя увеличению прочности. Условием для успешного проведения нтмо является условие: Трек > Тзак. Если это условие не выполняется, то наклеп, образующийся при деформации, будет снят за счет рекристаллизации. В этом случае необходимо изменить схему процесса. Деформация проводится не сразу после нагрева, а после выдержки и небольшого подстуживания до температуры ниже температуры рекристаллизации. Технологически втмо проводят при горячей прокатке или горячем прессовании. В этом случае оборудование позволяет за небольшой промежуток времени продеформировать металл с достаточно большой величиной деформации. И сразу после этого есть возможность быстрого охлаждения. Впервые втмо была обнаружена случайно при горячем прессовании сплавов системы Al– Mg– Si. В настоящее время применяют структурное упрочнение. Способствует появлению пресс – эффекта гомогенизация сплавов, а так же введение труднорастворимых легирующих элементов (Ti, Zr, Sc).
НТМО.
При нтмо холодная деформация проводится сразу после закалки до начала старения. Закаленный сплав имеет структуру пересыщенного твердого раствора. И несмотря на увеличение прочности сохраняет высокую пластичность, поэтому после закалки его можно подвергать холодному деформированию со степенью 15-20%. Возникающий наклеп позволяет увеличить прочность за счет увеличения дефектов кристаллического строения. При последующем старении выделение вторичных фаз блокирует дефекты , увеличивая сопротивление деформации, повышая тем самым прочность. Холодная деформация проводится как на прокатном стане, так и растяжением. Растяжение позволяет одновременно выправить искажение формы полуфабрикатов, полученную при закалке.
Сплавы алюминия.
Алюминий производится как химически чистый, так и технически чистый.
Химически чистый обозначается А. Далее идут цифры, показывающие его чистоту
Технически чистый алюминий маркируется А. Далее идет цифра, показывающая содержание алюминия.
Деформируемый алюминий.
АД
Основными легирующими элементами, которые вводят в состав сплава, являются Si, Cu, Mg, Mn, Zn, Li. Их количество может изменяться от 0,5 до 12%. Кроме этих элементов в качестве микродобавок могут вводить Ti, Cr, Fe, Zr, Sc. В качестве маркировки используют 3 схемы:
1. Деформируемый алюминий.
АМц(N) – Al – Mn.
АМg (N) – Al – Mg.
АВ, АД– Al – Mg – Si.
Д1, Д16 – Al – Cu – Mg.
Литейный алюминий.
АЛ (N).
2. Цифровая схема для деформируемых сплавов.
Всего 4 цифры:
1 цифра – основа (Al– 1)
2 цифра – система легирования (0 – чистый алюминий, 1 – Al– Cu– Mg, 2 – Al– Cu– Mn, 3 – Al– Mg– Si, 4 – Al– Mg, 5 – Al– Mg, 9 – Al– Zn– Mg).
3 и 4 цифра – номер сплава.
3. Литейные сплавы.
Аналогична маркировке стали.
А – Al(основа).
2 место – легирующие элементы:
К – Si, М – Cu, Мг – Mg, Мц – Mn, Н – Ni, Ц – Zn.
После каждой буквы, соответствующей легирующему элементу, стоит цифра, показывающая его содержание в целых процентах. Если цифры нет, то количество легирующего элемента равно 1%.
В зависимости от технологии производства выпускаются полуфабрикаты из алюминиевых сплавов после различных вариантов термообработки. В этом случае к основной маркировке в конце добавляются буквы и цифры, показывающие состояние поставки:
А – плакировка.
Б – технологическая плакировка.
М – отожженный.
П – полунагартованный.
Н – нагартованный.
Т – твердый (закалка + естественное старение).
Т1 – закалка + искусственное старение.
ТН – закаленный, нагартованный и естественно состаренный.
Т1Н – закаленный, нагартованный и искусственно состаренный.
Т1Н1 – закаленный, усиленно нагартован и искусственно состаренный.
megaobuchalka.ru
Термическая обработка деформируемых алюминиевых сплавов — КиберПедия
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 sв =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 называютЗГП-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.
cyberpedia.su
Термообработка алюминиевых сплавов — Материаловедение
Алюминий относится к металлам, в которых отсутствует полиморфное превращение и поэтому основным фазовым превращением, происходящем при термообработке является растворение избыточных вторичных фаз в процессе нагрева и их выделение в процессе охлаждения. Поэтому для алюминиевых сплавов применяют все виды термообработки без полиморфных превращений, (отжиги, закалка без полиморфного превращения и старение).
Алюминиевые сплавы подвергают трем основным видам термической обработки: отжигу, закалке и старению. Основными видами отжига являются: диффузионный (гомогенизация), рекристаллизационный и отжиг термически упрочненных сплавов.
Гомогенизацию применяют для выравнивания химической микро неоднородности зерен твердого раствора за счет диффузии, т.е. уменьшения дендритной ликвации в слитках. Так как скорость диффузии увеличивается с повышением температуры, то для энергичного протекания диффузии необходимы высокая температура (близкая к температуре линии солидуса) и продолжительная выдержка. Поэтому для выполнения гомогенизации алюминиевые сплавы (слитки) нагревают до 450-520°С и выдерживают при этой температуре от 4 до 40 ч. После выдержки - охлаждение вместе с печью или на воздухе. В результате гомогенизации структура становится более однородной (гомогенной), повышается пластичность, что значительно облегчает последующую деформацию слитка горячей обработкой давлением. Поэтому гомогенизацию широко применяют для деформируемых алюминиевых сплавов.
Для алюминия и алюминиевых сплавов (а также для других цветных металлов и сплавов) рекристаллизационный отжиг применяют гораздо шире, чем для стали. Это объясняется тем, алюминий, а также многие сплавы на его основе, не упрочняются закалкой и повышение их механических свойств может быть достигнуто только холодной обработкой давлением, а промежуточной операцией при такой обработке (для восстановления пластичности) является рекристаллизационный отжиг. Кроме того, сплавы, упрочняемые закалкой, часто подвергают холодной обработке давлением с последующим рекристаллизационным отжигом для придания требуемых свойств. Температура рекристаллизационного отжига алюминиевых сплавов 300-500°С, выдержка 0,5-2 ч.
Отжиг термически упрочненных сплавов применяют для полного снятия упрочнения, полученного в результате закалки и старения; он проводится при температурах 350-450°С с выдержкой 1-2 ч и последующим достаточно медленным охлаждением (со скоростью не более 30°С/ч), чтобы обеспечить протекание диффузионных процессов распада твердого раствора и коагуляцию продуктов распада.
Закалка алюминиевых сплавов позволяет получить высокую прочность в сочетании с достаточной вязкостью и пластичностью. Для алюминиевых сплавов применяют закалку без полиморфного превращения.
В современной технике применяют много сплавов на алюминиевой основе с различным количеством легирующих элементов. Одни из них, например Сu, Si, Mg, Zn, резко изменяют свойства алюминия и его сплавов. Другие, например Mn, Ni, Сг, дополнительно улучшают свойства и вводятся только при наличии перечисленных выше, одного или нескольких, основных легирующих элементов. Часть элементов вводят в качестве модификаторов, добавок, действующих различно, но улучшающих (главным образом измельчающих) структуру; к таким добавкам относятся Na, Be, Ti, Се, Nb. Некоторые элементы, входящие в алюминиевые сплавы, образуют с алюминием ограниченные твердые растворы переменной концентрации, в которых растворимость элементов с понижением температуры уменьшается. На этом и основывается закалка алюминиевых сплавов.
Примером такой закалки является термообработка алюминиево- медных сплавов. При температуре 20°С растворимость меди в алюминии равна 0,1%, а при температуре 548°С - 5,65% (рис.34). Сплавы с содержанием меди менее 0,1% не могут быть закалены, так как являются однофазными сплавами. Сплавы с содержанием меди от 0,1 до 5,65% являются двухфазными и в исходном отожженном состоянии имеют структуру твердого а-раствора меди в алюминии и включений химического соединения СuА12. При нагреве сплавов выше линии ограниченной растворимости, например сплава, содержащего 4% Сu, до температуры t1 включения СuА12 растворяются, и образуется однофазный твердый α-раствор. Быстрым охлаждением (закалка в воде) фиксируется твердый (пересыщенный) α-раствор меди в алюминии. После закалки прочность сплава несколько повышается, а пластичность практически не изменяется.
Рис. 34. Диаграмма состояния алюминий - медь
После закалки алюминиевые сплавы подвергают старению, при котором происходит распад пересыщенного твердого раствора. Если он проходит при нормальной температуре в естественных условиях, то такой процесс называется естественным. Ускорить распад твердого раствора можно подогревом. Распад пересыщенного твердого раствора при повышенных температурах, называется искусственным старением.
При старении в сплавах А1-Сu протекают следующие процессы.
1.Зонное старение.
При температуре 20°С (естественное старение) и при температурах до 100°С (искусственное старение) в пересыщенном твердом растворе возникают области (тонкопластинчатой, дискообразной формы), обогащенные атомами меди, названные зонами Гинье-Престона и обозначаемые ГП., а для данного начального процесса ГП1. Эти зоны имеют толщину 5-10Å и диаметр 40-100Å. Структура их неупорядоченная, как и твердого раствора. Образование зон ГП1 сопровождается искажением кристаллической решетки (рис.26.), что приводит к повышению механических свойств сплава.
При температурах 100-150° С, происходит рост зон ГП1 до толщины 10-40Å и диаметра 200-300Å, обогащение атомами меди до состава, близкого к составу стабильной фазы θ" (СuА12). Структура образующихся зон становится упорядоченной. Такие зоны называются зонами ГП2 или фазой θ", и их наличие обусловливает максимальную прочность сплава.
Рис.35. Упрочнение сплавов за счет выделения зон ГП
2. Фазовое старение
При температурах 150-200°С образуется метастабильная промежуточная фаза θ', имеющая такой же состав, как равновесная θ-фаза (СиА12). Но выделения θ'-фазы не имеют границ раздела с зернами твердого раствора, т. е. когерентно связаны с решеткой алюминия. Таким образом, появление зон ГП1 и ГП2 - это подготовительные стадии к началу распада твердого раствора (выделению избыточной фазы), а образование θ'-фазы - начало распада твердого раствора (выделение избыточной фазы).
При температурах 200-250°С решетка θ'-фазы отрывается от решетки твердого раствора (когерентность полностью нарушается) и оформляется в решетку, соответствующую соединению СиАl2 (θ-фаза).
.Коагуляционное старение (перестаривание).
Дальнейшее повышение температуры приводит к коагуляции выделившейся θ-фазы, резкому снижению прочности и повышению пластичности.
Таким образом, структура сплавов при старении изменяется в следующей последовательности: зоны ГП1> зоны ГП2(фаза θ") > фаза θ' > фаза θ (CuA12).
Выделение вторичной фазы на плоскостях скольжения затрудняет перемещение дислокаций при пластической деформации. Для их обхода или перерезания требуется увеличение деформирующего усилия, что и проявляется как увеличение прочности сплава.
Рис.36.Изменение прочности при старении дуралюмина
при различных температурах
Скорость процесса старения зависит от температуры. При естественном старении оно может происходить в течение нескольких суток. При повышении температуры старение может происходить в течение 30 минут. Обычно процесс старения ведут до получения max прочности, заканчивая его второй стадией - фазовым старением. Однако для некоторых высокопрочных сплавов максимальная прочность достигается при резком снижении пластичности и вязкости. В этом случае, старение ведут до 3стадии, добиваясь необходимого сочетания пластичности и вязкости.
Закалка без полиморфного превращения и старение может быть применено ко всем сплавам, в которых есть легирующие элементы, испытывающие переменную растворимость в алюминии - Cu, Mg, Zn, Li.
ifreestore.net
