Теоретические сведения. В качестве конструкционных материалов широко применяются металлы, сплавы и неметаллические материалы

В качестве конструкционных материалов широко применяются металлы, сплавы и неметаллические материалы. Назначение используемых и вновь создаваемых материалов определяется их физическими, химическими, механическими, технологическими и специальными свойствами. Весьма существенные различия свойств зависят от особенностей внутреннего строения, наличия примесей и легирующих компонентов, методов термической обработки и других факторов.

Для конструкционных материалов определяющими являются механические свойства, такие как прочность, твердость, пластичность, упругость, жесткость. По результатам испытаний можно определить как строение материалов (микроструктуру и макроструктуру), так и количественные характеристики соответствующих свойств.

Металловедение первоначально развивалось именно на результатах опытов, экспериментально полученных данных. Развитие теории и экспериментальной научной базы материаловедения позволяет создавать материалы с заданным комплексом свойств, учитывающих особенности нагружения конструкций. На стадии разработки и производства материалов необходим контроль механических свойств. Он позволяет оценить полученные свойства, учесть возможные отклонения химического состава допуска, выявить нарушения технологии производства.

В процессе производства используются различные технологии, методы термической обработки, поверхностного упрочнения изделий и т. д. Все это существенно влияет на свойства готового изделия, поэтому необходимы испытания, при проведении которых воспроизводятся условия эксплуатации. По их результатам уточняются ресурс, срок службы, оценивается коррозионная стойкость.

Достаточно полную информацию о механических свойствах материалов дают статические испытания на растяжение, динамические испытания с определением ударной вязкости, измерение твердости. Первые два вида испытаний проводятся с использованием стандартных образцов, которые при этом разрушаются.

Твердость – свойство материала оказывать сопротивление деформации в поверхностном слое при местных контактных воздействиях. Испытания на твердость – самый распространенный вид испытаний ввиду его простоты.

Наибольшее применение получили статические методы испытания на твердость: Бринелля (ГОСТ 9012 – 59), Виккерса (ГОСТ 2999 – 75) и Роквелла (ГОСТ 9013 - 59). Каждый из них в исходном виде предполагает вдавливание в поверхность материала индентора – твердого тела, которое при этом не должно деформироваться.

При испытании на твердость по методу Бринелля индентором является твердосплавной шарик диаметром D. Число твердости по Бринеллю (HB) подсчитывается как отношение нагрузки к площади поверхности сферического отпечатка от вдавленного шарика. Метод Бринелля не рекомендуется применять для материалов с твердостью более 450 МПа, так как стальной шарик может деформироваться.

При испытаниях на твердость по методу Виккерса в поверхность материала вдавливается алмазная четырехгранная пирамида. Число твердости по Виккерсу (HV) определяется как отношение нагрузки к площади поверхности пирамидального отпечатка. По сравнению с методом Бринелля можно испытывать материалы более высокой твердости.

При испытании на твердость по методу Роквелла в поверхность материала вдавливается алмазный конус или стальной шарик. Единица твердости по Роквеллу – безразмерная величина, соответствующая перемещению индикатора на 0,002 мм. Используются несколько шкал. Шкала B применяется при испытании мягких материалов вдавливанием стального шарика, шкалы A и C - алмазного конуса. Числа твердости обозначается соответственно HRA, HRB и HRC.

Значение твердости по методу Роквелла определяется непосредственно по показаниям стрелки индикатора. В этом преимущество метода, так как отпадает необходимость в оптическом измерении размеров отпечатка.

Обычно в качестве справочных данных приводится число твердости по Бринеллю в МПа. Достоинство этой характеристики – возможность определения временного сопротивления и предела текучести. Известно, что временное сопротивление является характеристикой сопротивления пластичных материалов большим пластическим деформациям. При испытаниях на твердость стальной шарик сначала преодолевает сопротивление материала упругим, затем малым, наконец, при значительной нагрузке большим пластическим деформациям. Поэтому твердость связана с механическими свойствами, определяемыми, в частности, при растяжении.

Временное сопротивление и число твердости по Бринеллю связаны между собой тесной корреляционной зависимостью:

σ = k HB, МПа,

где k - коэффициент, зависящий от материала и вида термообработки. Для многих металлических материалов его значение приводится в справочниках. Например, для стали k = 0,34; для медных сплавов k = 0,45; для алюминиевых сплавов k = 0,38.

Современные твердомеры используют параметрические методы определения твердости, исключающие вдавливание индентора. Они компактны, а результаты измерений представляют в единицах твердости, соответствующих любому методу.

В лабораторной работе определяется число твердости образцов из различных материалов или образцов из одного и того же материала, подвергнутых различным видам термообработки. Например, из алюминиевых сплавов, применяемых в различных отраслях как конструкционные материалы, а в гражданской авиации - как основной материал при производстве элементов конструкции фюзеляжа, крыла, хвостового оперения самолетов и вертолетов.

Алюминиевые сплавы подразделяются на деформируемые не упрочняемые термической обработкой; деформируемые упрочняемые термической обработкой и литейные (табл.1).

Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, имеют низкую прочность, но более высокие пластичность и коррозионную стойкость. Их применяют в отожженном состоянии или упрочняют с помощью низкотемпературной пластической деформации. Деформируемые и литейные сплавы упрочняются термообработкой.

Основные виды термообработки алюминиевых сплавов следующие: отжиг (гомогенизационный, рекристаллизационный, разупрочняющий), закалка, старение (естественное или искусственное), обработка на возврат.

Упрочнение термической обработкой сплавов на основе алюминия, меди, никеля, кобальта и некоторых других основано на наличии у них ограниченной, зависящей от температуры взаимной растворимости компонентов.

Механизм упрочнения алюминиевых сплавов рассмотрим на примере сплавов алюминия с медью. Максимальная растворимость меди в твердом алюминии составляет 5,7 % при 548 ºC, при 20 ºC она падает до 0,2 %. Широко применяемый дюралюминий Д16 имеет следующий состав: (3,8…4,5) % Cu, (1,2…1,8) % Mg, (0,3…0,9) % Mn, а также примеси - Fe 0,5 % и Si 0,5 %. При равновесной кристаллизации такого сплава образуются ограниченные твердые растворы меди и магния в алюминии и интерметаллические соединения (интерметаллиды) CuAl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg.

При нагреве до температуры под закалку происходит растворение избыточных интерметаллидных фаз. Быстрое охлаждение фиксирует пересыщенный твердый раствор с содержанием меди до 5,6 %.

Таблица 1

Химический состав и свойства алюминиевых сплавов

Закалка должна производиться со скоростью, предотвращающей распад пересыщенного твердого раствора, обычно в воде. Сразу после закалки сплавы имеют невысокую прочность, их можно подвергать пластической деформации. Последующее упрочнение происходит в результате естественного или искусственного старения. Естественное старение происходит при комнатной температуре в течение нескольких суток. Искусственное старение длится при температуре около 150 ºC от 10 до 24 часов.

При естественном старении в результате диффузии образуются зоны повышенной концентрации меди и магния, так называемые зоны Гинье – Престона. В них кристаллическая решетка искажена, что увеличивает твердость и прочность сплава. Явление естественного старения было открыто случайно и вначале не имело научного обоснования. При искусственном старении образуются фазы, близкие по составу к упрочняющим, но имеющие иную кристаллическую решетку.

Наиболее высок эффект старения в деформируемых алюминиевых сплавах на Al – Zn – Mg - Cu основе (сплавы В95, В96), упрочнение достигается за счет выделения дисперсных фаз MgZn₂ и AlZnMg. При высоком содержании цинка медь не участвует в старении, сохраняется в пересыщенном твердом растворе. Сплавы имеют наиболее высокую прочность, но низкую пластичность.

Применение для легирования лития позволило разработать сплавы системы Al – Cu – Li (ВАД23) и Al – Mg – Li (1420). В этих сплавах при искусственном старении достигается большее упрочнение, чем при естественном. При старении сплава ВАД23 выделяется дисперсная упрочняющая фаза Al₂CuLi. При старении сплава 1420 выделяется упрочняющая фаза Al₃Li. Сплавы системы Al – Mg – Li на 12 % легче сплава Д16 при той же прочности, кроме того, у них аномально высокий модуль упругости – на 4 % выше, чем у дуралюмина.

Обработка на возврат выполняется перед последующей механической обработкой деформированием в холодном состоянии. Она состоит в нагреве естественно состаренных сплавов до 200…270 ºC и последующем быстром охлаждении. При этом происходят процессы, обратные процессам естественного старения. После обработки на возврат сплав имеет свойства, соответствующие свежезакаленному состоянию, и способен к последующему старению.

Целью полного (разупрочняющего) отжига является повышение пластичности и снижение прочности состаренных сплавов. В процессе отжига происходит распад пересыщенного твердого раствора с выделением и укрупнением интерметаллических соединений, что исключает возможность старения и упрочнения. Сохраняется высокая пластичность и сопротивляемость коррозии под напряжением. В частности, эксплуатация изделий из сплава Д16 при температурах более 200…250 ºC приводит к его разупрочнению.