Краткие теоретические сведения

Алюминиевые сплавы нашли широкое применение в качестве кон­струкционного материала во многих областях техники благодаря ма­лому удельному весу, высокой коррозионной стойкости, высокой удельной прочности. Удельная прочность, т.е. отношение предела прочности к удельному весу алюминиевых сплавов, значительна.

Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготов­ления из полуфабрикатов и деталей, делятся на деформируемые и ли­тейные.

Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обра­ботки давлением изготавливают различные профили, листы, прутки, трубы, плиты, проволоку, а также полуфабрикаты для различных де­талей машин.

В зависимости от способа повышения механических свойств деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на сплавы, неуп­рочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые терми­ческой обработкой.

К деформируемым, термически упрочняемым алюминиевым сплавам относятся дуралюмины Д1, Д8, Д16 и т.д. Термическая обработка дуралюмина заключается в закалке и последующем старении.

Для обоснования выбора температуры закалки, а также для объяснения тех превращений, которые происходят в сплавах при термической обработке, воспользуемся диаграммой состояния А1-Сu, приведенной на рисунке 17.1.

Рисунок 17.1 – Диаграмма состояния сплава А1-Сu

Как видно из диаг­раммы, структура сплавов типа дуралюмина в отож­женном состоянии при комнатной температуре состоит из твердого раствора меди в алюми­нии и избыточных частиц второй фазы θ(СuА1₂). За­калка дуралюмина заключается в нагреве сплавов до температур выше линии переменной растворимости аb (сольвуса), выдержке и быстром охлаждении до комнатной температуры.

После нагрева и выдержки при температурах выше линии аb вся избыточная интерметаллидная θ-фаза (СuА1₂) перейдет в твер­дый раствор; алюминий обогатится медью. Сплав становится одно­фазным. При быстром охлаждении интерметаллидная θ-фаза не успе­вает выделиться из твердого раствора, вследствие чего при комнатной температуре получается структура однородного пересыщенного твердого раствора меди в алюминии.

Недогрев ведет к тому, что вторичная θ-фаза не полностью переходит в твердый раствор, что ухудшает механические свойства. Перегрев дуралюминов опасен тем, что обусловливает интенсивный рост зерен твердого раствора, окисление границ зерен и расплав­ление легкоплавких эвтектических примесей. Пережог является не­исправимым браком термической обработки.

Нужно отметить, что в отличие от углеродистых сталей, закалка которых приводит к сильному упрочнению и резкому снижению пластичности и вязкости, при закалке алюминиевых сплавов наблю­дается незначительное повышение прочности при сохранении высокой пластичности, примерно равной пластичности отожженных сплавов. Полученный после закалки пересыщенный твердый раствор находится в неустойчивом (метастабильном) состоянии, так как облада­ет повышенной свободной энергией. Избыточная θ-фаза (СuА1₂) бу­дет выделяться из пересыщенного твердого раствора до тех пор, пока количество меди в твердом растворе не достигнет значения, соответствующего равновесной системе (0,2 % при комнаткой темпе­ратуре, точка b на рис. 17.1). Этот процесс называется старением. В процессе старения (дисперсионного твердения) прочность растет, а пластичность падает. Если выделение избыточной фазы происходит при комнатной температуре, то старение называют естественным, при повышенных температурах – искусственным.

Следует отметить, что твердость дуралюминов при естествен­ном старении начинает заметно увеличиваться через 3-5 ч с моме­нта закалки. Этот период времени называется "инкубационным". В инкубационный период сплавы сохраняют высокую пластичность и хо­рошо обрабатываются давлением. Это свойство используют для про­ведения таких технологических операций, как клепка, правка и т.д.

Старение начинается с процесса диффузии атомов меди к плос­костям кристаллической решетки (100). В этих плоскостях концент­рация меди достигает 55,4 %. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в 2-4 атомных слоя (5-10 А) и диаметром 20-50 атомных слоев (до 100 А). По имени ученых Гинье (Франция) и Престона (Англия), обнаружив­ших эти зоны рентгеноcтруктурным методом, эти зоны принято назы­вать зонами Гинье-Престона (зоны ГП).

Образование зон Гинье-Престона ведет к искажению кристалли­ческой решетки (атомный диаметр меди меньше, чем у алюминия), что, в свою очередь, сопровождается повышением твердости, проч­ности и снижением пластичности сплавов. С образованием зон Гинье-Престона естественное старение за­канчивается. Обычно сплавы приобретают максимальную прочность через 5-7 суток, которая остается в дальнейшем постоянной.

Дальнейшее развитие процесса распада пересыщенного твердого раствора осуществляется только при искусственном старении.. Внут­ри зон Гинье-Престона происходит перестройка атомов и образуются новые промежуточная θ' (СuА1₂) и θ'' (СuА1₂)-фазы, имеющие силь­но искаженную, по сравнению с θ (СuА1₂)-фазой, кристаллическую решетку. Мелкодисперсные частички θ'' и θ'- фазы, когерентно свя­занные с основным твердым раствором, упрочняют сплавы, создавая барьеры для движущихся дислокаций.

Увеличение продол­жительности искусствен­ного старения приводит к переходу θ' (СuА1₂)-фазы в ста­бильную θ (СuА1₂)-фазу, не имеющую когерентной связи с твердым раство­ром. Образование некоге­рентной θ-фазы и ее укрупнение приводят к уменьшению искажений от продолжительности старения кристаллической решетки твердого раствора и разупрочнению сплава (рис. 17.2).

Рисунок 17.2 – Схема зависимости твердости закаленного дуралюмина от времени старения при различных температурах старения (Т1<Т2<Т3)

Таким образом, последовательность структурных изменений при искусственном старении Сu-А1 сплавов можно представить в виде схемы:

ГП → θ''→ θ'→ θ (СuА1₂).

Эта схема справедлива и для других сплавов на основе цвет­ных металлов. Различие заключается в неодинаковом составе, фор­ме, строении зон, а также типе образующихся промежуточных фаз.

Как видно из рисунка 17.2, при искусственном старении дуралюмина (кривые Т₁,Т₂ и Т₃) твердость его сначала возрастает, достигает максимума и затем снижается. Старение до достижения максимума твердости (восходящая ветвь кривой) называется упрочняющим, пра­вее максимума (нисходящая ветвь) – разупрочняющим или перестариванием. С увеличением температуры старения максимум кривых старе­ния смещается влево. Это объясняется тем, что с повышением тем­пературы ускоряется процесс диффузии атомов меди и стадия перестаривания достигается раньше. Снижение максимума твердости при повышении температуры (см. рис. 17.2, кривая Т₃) связано с интен­сивным, практически одновременным протеканием всех структурных превращений при старении.