Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготовления из них 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, не упрочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической обработкой.
К деформируемым, термически упрочняемым алюминиевым сплавам относятся, например, дуралюмины (Д1, Д16 и т.д.), ковочные (АК4, АК6 и т.д.) и другие сплавы. Термическая обработка таких сплавов 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 20.1.
|
|
Как видно из диаграммы, структура алюминиевого сплава в отожженном состоянии при комнатной температуре состоит из твердого раствора меди в алюминии и избыточных частиц второй фазы θ (СuА12). Закалка сплава заключается в нагреве его 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.
Рисунок 20.1 – Диаграмма состояния сплава А1-Сu |
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. 20.1). 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 алюминиевых сплавов, например 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, частично когерентно или когерентно связанные с основным твердым раствором (рис. 20.2 а, б), упрочняют сплавы (рис. 20.3), создавая барьеры для движущихся дислокаций.
Рисунок 20.2 - Полностью когерентные (а), частично когерентные (б) и некогерентные (в) границы раздела между выделениями и матрицей
Увеличение продолжительности искусственного старения приводит к переходу θ' (СuА12)-фазы в стабильную θ (СuА12)-фазу, не имеющую когерентной связи с твердым раствором (рис. 20.2 в). Образование некогерентной θ-фазы и ее укрупнение приводят к уменьшению искажений от продолжительности старения кристаллической решетки твердого раствора и разупрочнению сплава (рис. 20.3).
Рисунок 20.3 – 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 20.3, 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 (рис. 20.3, кривая Т3) связано с интенсивным, практически одновременным протеканием всех структурных превращений при старении.
|
|