Сплавы на основе алюминия

МАТЕРИАЛЫ С МАЛОЙ ПЛОТНОСТЬЮ

Содержание

Общая характеристика и классифика­ция алюминиевых сплавов.
Деформируемые алюминиевые сплавы. К
К^=30 МПа.м^; КСТ=30 кДж/м; ИВ
Литейные алюминиевые сплавы.
Гранулированные сплавы.
12.2. Сплавы на основе магния
Общая характеристика и классифика­ция магниевых сплавов.
Деформируемые машиевые сплавы.
Литейные магниевые сплавы.
12.3. Неметаллические материалы
Специальные добавки
Механические свойства термореак­тивных пластмасс.
Слоистые пластики

Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко применяют в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, су­достроении, строительстве и других отраслях промышленности. Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъем­ность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повы­сить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта.

К основным конструкционным лег­ким металлам относятся пластмассы, цветные металлы Mg, Be, Al, Ti и сплавы на их основе, а также компо­зиционные материалы. Особенно пер­спективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструк­ций при одновременном повышении их прочности и жесткости. Основными критериями при выборе конструк­ционных материалов в этом случае являются удельные прочность Ов/(р^) и жесткость E/(pg). По этим характери­стикам легкие материалы неравноценны (табл. 12.1).
Среди сплавов на основе Al, Mg и пластмасс лишь отдельные группы имеют такие свойства, которые указаны в табл. 12.1, а большинство не обладает высокими прочностью, удельной проч­ностью и удельной жесткостью. Эти ма­териалы предназначены главным обра­зом для изготовления мало- и среднена-груженных деталей.
Материалы с высокой удельной проч­ностью (сплавы Ti, Be, композиционные материалы) предназначены в основном для изготовления высоконагруженных деталей. Они рассмотрены в гл. 13.

Сплавы на основе алюминия

Свойства алюминия. Алюминий-металл серебристо-белого цвета. Он не имеет поли­морфных превращений и кристаллизируется в решетке гранецентрированного куба с пе­риодом а == 0,4041 нм.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электро­проводимостью (см. гл. 1.5), высокой пла­стичностью и коррозионной стойкостью (см. гл. 14.1). Примеси ухудшают все эти свой­ства.

Постоянные примеси алюминия Fe, Si, Cu, Zn, Ti. В зависимости от содержания приме­сей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999 (:$ 0,001% примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15 1 % примесей). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, про­фили, прутки и др.), маркируют А ДО и АД1. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содер­жания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюми­ния (табл. 12.2).

Ввиду низкой прочности алюминий при­меняют для ненагруженных деталей и эле­ментов конструкций, когда от материала

требуется легкость, свариваемость, пластич­ность. Так, из него изготовляют рамы, две­ри, трубопроводы, фольгу, цистерны для перевозки нефти и нефтепродуктов, посуду и др. Благодаря высокой теплопроводности он используется для различных теплообмен­ников, в промышленных и бытовых холо­дильниках. Высокая электропроводимость алюминия способствует его широкому при­менению для конденсаторов, проводов, кабе­лей, шин и др. (см. п. 17.1).

Из других свойств алюминия следует от­метить его высокую отражательную способ­ность, в связи с чем он используется для прожекторов, рефлекторов, экранов телеви­зоров. Алюминий имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов (см, п. 14.5). On хорошо обрабатывается давле­нием, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Алюминий имеет большую усадку затверде­вания (6 %). Высокая теплота плавления и те­плоемкость способствуют медленному осты­ванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алю­миния и его сплавов путем модифицирова­ния, рафинирования и других технологиче­ских операций.

^ Общая характеристика и классифика­ция алюминиевых сплавов. (Алюми­ниевые сплавы характеризуют высокой удельной прочностью, способностью со­противляться инерционным и динамиче­ским нагрузкам, хорошей технологич­ностью.) Временное сопротивление алю­миниевых сплавов достигает 500—700

МП а при плотности не более 2850 кг/м³. По удельной прочности неко­торые алюминиевые сплавы (cSy/(pg) = = 23 км) приближаются или соот­ветствуют высокопрочным сталям (Oy/(pg) = 27 км). Большинство алюми­ниевых сплавов имеют хорошую корро­зионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопровод­ность и электропроводимость и хоро­шие технологические свойства (обра­батываются давлением, свариваются то­чечной сваркой, а специальные - сваркой плавлением, в основном хорошо обра­батываются резанием). Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превос­ходят магниевые сплавы по коррозион­ной стойкости, пластмассы-но стабиль­ности свойств.

Основными легирующими элемента­ми алюминиевых сплавов являются Си, Mg, Si, Mn, Zn; реже-Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алю­минием твердые растворы ограничен­ной переменной растворимости и про­межуточные фазы: CuAl^, Mg^Si и др. (рис. 12.1). Это дает возможность под­вергать сплавы упрочняющей термиче­ской обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор

и естественного или искусственного ста­рения (см. п. 5.4).

Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру ре­кристаллизации алюминия (рис. 12.2). При кристаллизации они образуют с алюминием пересыщенные твердые растворы. В процессе гомогенизации и горячей обработки давлением проис­ходит распад твердых растворов с обра­зованием тонкодисперсных частиц ин-терметаллидных фаз, препятствующих прохождению процессов рекристаллиза­ции и упрочняющих сплавы. Это явле­ние получило название структурного упрочнения, а применительно к прес­сованным полуфабрикатам - пресс-эф­фекта. По этой причине некоторые алю­миниевые сплавы имеют температуру рекристаллизации выше температуры закалки. Для снятия остаточных напря­жений в нагартованных полуфабрикатах (деталях), полученных холодной обра­боткой давлением, а также в фасонных отливках проводят низкий отжиг. Тем­пература отжига находится в пределах 150-300°С.

Конструкционная прочность алюми­ниевых сплавов зависит от примесей Fe и Si. Они образуют в сплавах нераство­римые в твердом растворе фазы: РеА1з, а(А1, Fe, Si), р(А1, Fe, Si) и др. Независи­мо от формы (пластинчатой, игольчатой и др.) кристаллы этих фаз снижают пла­стичность, вязкость разрушения, сопро­тивление развитию трещин. Легирова­ние сплавов марганцем уменьшает вред­ное влияние примесей, так как он связывает их в четвертую фазу ot(Al, Fe, Si, Mn), кристаллизирующуюся в ком­пактной форме. Однако более эффек­тивным способом повышения конструк­ционной прочности является снижение содержания примесей с 0,5-0,7 % (ГОСТ 4784-74) до 0,1-0,3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты). В первом случае к марке сплава добавляют букву ч, например, Д16ч, во втором - пч, на­пример, В95пч. Особенно значительно повышаются характеристики пластично­сти и вязкости разрушения в направле­нии, перпендикулярном пластической деформации. Например, ударная вяз­кость сплава Д16ч после естественного старения более чем в 2 раза, а относи­тельное удлинение в 1,5 раза выше, чем у сплава Д16 после той же обработки. Для сплава Д16ч коэффициент К^^= =43-46 МПа-м^², тогда как для сплава Д16 он равен 35-36 МПа-м^². Сплавы повышенной чистоты исполь­зуют для ответственных нагруженных деталей, например, для силовых элемен­тов конструкции пассажирских и транс­портных самолетов.

Алюминиевые сплавы классифици­рую!' по технологии изготовления (де­формируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые) и свой­ствам (см. рис. 12.1).

^ Деформируемые алюминиевые сплавы. К сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся сплавы AM ц и АМг (табл. 12.3). Сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей сва­риваемостью и высокой коррозионной стойкостью (см. гл. 14.1).

Сплавы АМц относятся к системе А1-Мп (рис. 12.3, я). Структура сплана АМц состоит из а-твердого расгиора и вторичных выделений фазы МпА1„, переходящих в твердый раствор при по­вышении температуры. В присутствии железа вместо MnAlg образуется слож­ная тройная фаза (MnFc)Al„, нракти-

чески нерастворимая в алюминии, по­этому сплав АМц не упрочняется тер­мической обработкой. В отожженном состоянии сплав обладает высокой пла­стичностью и низкой прочностью. Пла­стическая деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза.

Сплавы АМг относятся к системе А1 - Mg (см. рис. 12.3, б). Магний образует с алюминием а-твердый раствор, кон­центрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4% в результате растворения фазы Mg,Al3. Однако сплавы, содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы АМг, как и АМц, упрочняют с помощью пласти­ческой деформации и используют в на-гартованном (АМгН - 80 % наклепа)

и полунагартованном (АМгП-40% на­клепа) состояниях.

Однако применение наклепа ограни­чено из-за резкого снижения пластично­сти сплавов, поэтому их используют в отожженном (мягком-АМгМ) состоя­нии. Сплавы АМц и АМг отжигают при температуре 35СМ20°С. При повыше­нии содержания магния в структуре сплавов АМг увеличивается количество фазы Mg^Al,. При этом временное со­противление повышается от 110 МПа (АМг1) до 430 МПа (АМгб) при соответ­ствующем снижении относительного уд­линения с 28 до 16%. Легирование маг­нием, кроме того, вызывает склонность к окислению во время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к по­явлению оксидных пленок в структуре и снижению механических свойств. По­этому сплавы с высоким содержанием магния (АМгб, АЛ27) для устранения склонности к окислению легируют бе­риллием. Укрупнение зерна, вызванное бериллием, устраняется добавкой тита­на или циркония.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получек'М1..1Х глубокой вы­тяжкой, сваркой, oi когорых требуется высокая коррозионная стойкость (тру­бопроводы для бензина и масла, сварные баки), а также для заклепок, переборок, корпусов и мачт судов, лиф­тов, узлов подъемных кранов, рам ваго­нов, кузовов автомобилей и др.

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся ^ сплавы нор­мальной прочности, высокопрочные и др. Типичные представители спла­вов-дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим со­четанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы А1-Cu-Mg. Согласно диаграмме состояния Al-Cu (рис. 12.3, в) медь с алюминием образуют твердый раствор, максималь­ная концентрация меди в котором 5,65 % при эвтектической температуре. С понижением температуры раствори­мость меди уменьшается, достигая 0,1 %

при 20 °С. При этом из твердого раство­ра выделяется фаза 9 (СиА1д), содержа­щая ~ 54,1% Си. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кри­сталлическую решетку и обладает срав­нительно высокой твердостью (HV 5310). В сплавах, дополнительно легиро­ванных магнием, помимо 9 образуется еще фаза S (CuMgAl^) с ромбической кристаллической решеткой (HV 5640). На рис. 12.4 показано влияние соотно­шения фаз 9 и S на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество фазы 9 будет в его структуре (Д1). Увеличение содержания магния приводит к росту количества фазы S и повышению прочности спла­вов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей терми­ческой обработки (см. табл. 12.3), со­стоящей из ракалки и естественного ста­рения^ При "Закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495-505 °С, Д1-до 500-510 °С, затем охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых при­месями. При естественном старении происходит образование зон Гинье— Престона, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5-7 суток. Дли­тельность старения значительно сокра­щается при увеличении температуры до 40 °С и особенно 100°С. Более высокие значения Од и ст„,2 прессованных прут­ков объясняются пресс-эффектом. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным ста­рением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и ме­нее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190 °С, 10 ч) подвергают лишь детали, исполь­зуемые для работы при повышенных температурах (до 200° С). Большое прак­тическое значение имеет начальный, или «инкубационный», период старения (20-60 мин), когда сплав сохраняет вы­сокую пластичность и низкую твер­дость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, правка и др. Для проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подверг­нуть обработке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава (1—2 мин) при температуре 230—300 °С. Во время нагрева рассасы­ваются зоны Гинье-Престона и восста­навливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки. Однако применение обработки «на воз­врат» ограничено тем, что у тонко­стенных изделий снижается коррозион­ная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки восстановле­ние пластичности не успевает произойти по всему сечению. Увеличение выдерж­ки приводит к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает снижение пластичности.

Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1, например, из­готовляют лопасти воздушных винтов, из Д16 — шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроме того, их ис­пользуют для строительных конструк­ций, кузовов грузовых автомобилей, об­садных труб и др. Сплав Д18 — один из

основных заклепочных алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и есте­ственного старения.

Ковочные алюминиевые сплавы мар­кируют буквами АК. Они обладают хо­рошей пластичностью и стойки к обра­зованию трещин при горячей пластиче­ской деформации. По химическому со­ставу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вме­сто фазы S присутствуют кремнийсодср-жащие фазы — четверная фаза (А1, Си, Mg, Si) и силицид магния (^(Mg^Si). Ков­ку и штамповку сплавов ведут при тем­пературе 450-475 °С. Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием ме­ди (АК6) отличаются лучшей технологи-ческой пластичностью, но меньшей проч­ностью (ст„=360 МПа). Их используют для срсдненагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, крепежные детали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются да­влением, но более прочны и применяют­ся для высоконагруженных деталей не­сложной формы: подмоторпые рамы, пояса лонжеронов, лопасти винтов вер­толетов и др.

Высокопрочные алюминипиевые сплавы маркируют буквой В. Они отли­чаются высоким временным сопротив­лением (600-700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высо­копрочные сплавы принадлежат к систе­ме Al-Zn-Mg-Cu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его рас­пад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют фазы, обладающие переменной растворимостью в алюми­нии:. M(MgZn^), S^uMgAl^), Т (MgaZr^Al^). При температуре 480 "С эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При ис­

кусственном старении происходит рас­пад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных ча­стиц метастабильных М', Т и S' фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызы­вают закалка (465-475 °С) и старение (140 °С, 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет а, = 560 — 600 МПа;

ад 2 =480-550 МПа; 5=9-12%;

^ К^=30 МПа.м^²; КСТ=30 кДж/м²;

ИВ 1500. Подобные сплавы, отличаю­щиеся более высоким содержанием цин­ка, магния и меди, обладают повышен­ной прочностью. Так, сплав В96 имеет ет„ = 700 МПа; Сто,, = 650 МПа; 5=7%;

НВ 1900. Однако после указанной тер­мической обработки сплавы имеют низ­кие пластичность и вязкость разруше­ния.

Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению. Первая ступень старения-100-120 "С, 3-10 ч, вторая сту­пень-160-170 °С, 10-30 ч. Столь высо­кие температуры и большие выдержки второй ступени старения приводят к образованию и коагуляции ста­бильных фаз М, S и Т. Предварительное зонное старение (первая ступень) спо­собствует их равномерному распределе­нию, поскольку в сплавах этой системы стабильные фазы образуются из зон Гинье-Престона. После смягчающего старения сплав В95нч имеет Од = = 590 ^ 540 МПа; Стц^ = 41.0 – 470 МПа; 5=10-13; X:i,=36 МПи-м¹¹²;

КСТ=15 кДж/м²

Сплавы применяют для высоконагру­женных деталей конструкций, работаю­щих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпан­гоуты, лонжероны самолетов).

^ Литейные алюминиевые сплавы. Хими­ческий состав и механические свойства некоторых промышленных литейных сплавов приведены в табл. 12.4. Они маркируются буквами АЛ, что значит алюминиевые литейные. Для литейных алюминиевых сплавов наиболее распро­странена классификация по химическо­му составу (А1 — Si, А1 — Си и А1 — Mg).

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины). Высокая жидкогекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хоро­шая герметичность силуминов объяс­няются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов. В двойных сплавах алюминия с крем­нием эвтектика состоит из твердого рас­твора и кристаллов практически чистого кремния (рис. 12.5, и), в легированных силуминах (АЛ4 и др.) помимо двойной имеются тройные и более сложные эв­тектики.

Плотность большинства силуминов

2650 кг/м³- меньше плотности чистого алюминия (2700 кг/м³). Они хорошо свариваются. Хорошо обрабатываются резанием только силумины, легиро­ванные медью.

Механические свойства зависят от хи­мического состава, технологии изго­товления (модифицирования, способа литья и др.) и термической обработки (см, табл. 12.4). В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава снижается пла­стичность и повышается прочность. По­явление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызы­вает снижение прочности и пластично­сти (рис. 12.6). Несмотря на увеличение растворимости кремния в алюминии от 0,05% при 200 °С до 1,65% при эвтекти­ческой температуре, двойные сплавы не упрочняются термической обработкой. Это объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, который ча­стично происходит уже при закалке, а также большой склонностью к коагу­ляции стабильных выделений кремния. Единственным способом повышения ме­ханических свойств этих сплавов являет­ся измельчение структуры путем моди­фицирования.

Силумины обычно модифицируют на­трием, который в виде хлористых

и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2-3 % от массы спла­ва. Помимо модифицирующего дей­ствия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону боль­ших содержаний кремния (рис. 12.7). Благодаря этому эвтектический по со­ставу сплав (АЛ2) становится доэвтекти-ческим. В его структуре помимо мелко­кристаллической эвтектики появляются первичные кристаллы мягкой пластич­ной фазы-твердого раствора (см. рис. 12.5,6). Все это приводит к увеличению пластичности и прочности (см. рис. 12.6, табл. 12.5). Модифицируют как двойные, так и легированные силумины, содержа­щие более 5-6 % Si. Для легирования си­луминов часто используют Mg, Си, Мп, Ti; реже-Ni, Zr, Cr и др. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность и твердость силуминов. Кроме того, медь улучшает обрабатываемость реза­нием, титан оказывает модифицирую­щее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюми­нии, способствуют упрочнению силуми­нов при термической обработке, как правило, состоящей из закалки и искус­ственного старения. Температура закал­ки различных силуминов находится в пределах 515-535 °С, температура ста­рения-в интервале 150-180"С. Грубо-кристаллическая структура литейных

сплавов требует больших выдержек при нагреве под закалку (5-10 ч) и при ста­рении (10—20 ч). Переходные металлы, например, Мп, Ti, Zr, способствуют по­лучению пересыщенных твердых раство­ров при кристаллизации в условиях больших скоростей охлаждения, что вы­зывает некоторое упрочнение сплавов при старении без предварительной за­калки. Из легированных силуминов средней прочности наибольшее приме­нение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АЛ9), магния и марганца (АЛ4). Наибольшее упрочне­ние вызывает метастабильная фаза P'(Mg^Si). Легированные силумины при­меняют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения:

корпусов компрессора, картеров, голо­вок цилиндров.

Высокопрочный сплав АЛ32, разрабо­танный в МВТУ им. Н. Э. Баумана, предназначен для литья под давлением. Сплав обладает хорошими литейными свойствами, обрабатываемостью реза­нием, свариваемостью и коррозионной стойкостью. Марганец и титан, а также большая скорость кристаллизации при литье под давлением способствуют по­лучению метастабильной структуры при отливке деталей. Это дает возможность

упрочнять отливки путем искусственно­го старения без предварительной закал­ки. Упрочнение вызывают фазы О (СиАЬ) и (3 (Mg^Si). Наилучшим явля­ется старение при 175°С в течение 8 ч, когда выделяются метастабильные 0' и р' фазы; при этом временное сопротивление увеличивается на 30—40 МП а, твердость по Бринеллю — на 180 МПа. При изго­товлении деталей другими методами литья сплав АЛ32 подвергают полной упрочняющей термической обработке — закалке при 515±5°С и старению при 175 "С. Сплав АЛ32 применяют для ли­тья под давлением нагруженных деталей, например, блоков цилиндров, головок блоков и других деталей автомобильных двигателей.

Сплавы системы Al-Cu (АЛ7, АЛ19) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температу­рах; они хорошо обрабатываются реза­нием и свариваются. Вместе с тем из-за отсутствия эвтектики сплавы обладают плохими литейными свойствами, имеют низкую герметичность. Как и деформи­руемые сплавы этой системы, они имеют структуру твердого раствора, но отличаются повышенным содержанием меди (см. рис. 12.3, в). Эвтектика в дан­ной системе (в отличие от силуминов) образуется при высоком содержании меди (33%), поэтому имеет большое ко­личество твердой и хрупкой фазы 0(СиА1д), вызывающей хрупкость эвтек­тических сплавов. Литейные и механиче­ские свойства сплавов алюминия с медью улучшаются в результате леги­рования титаном и марганцем (АЛ 19). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значи­тельному упрочнению сплава. Во время нагрева сплава под закалку наряду с растворением 9-фазы из твердого рас­твора выпадают мелкодисперсные ча­стицы фазы А1,дМпдСи, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. Например, после закалки сплав АЛ 19 имеет следующие механиче­

ские свойства: Ов = 320 МПа; Сто,= 180 МПа; §=9°о; НВ 800. При последую­щем искусственном старении происхо­дит дальнейшее упрочнение сплава, вы­зываемое уже фазой 9, так предел теку­чести увеличивается почти на 40 °о, достигая 250 МПа. Сплавы алюминия с медью используют для деталей, рабо­тающих при температурах до 300 °С.

Сплавы системы Al-Mg (АЛ8, АЛ27) обладают высокой коррозионной стой­костью, прочностью, вязкостью и хоро­шей обрабатываемостью резанием. Они не содержат в структуре эвтектики по той же причине, что и сплавы системы Al-Cu, и характеризуются невысокими литейными свойствами, пониженной ге

Fe, Si, которые образуют в этих сплавах нерастворимые фазы, снижающие пла­стичность сплавов.

Для того чтобы предотвратить окис­ление, плавку и разливку двойных спла­вов алюминия с магнием (АЛ8) необхо­димо вести под защитными флюсами. Легирование двойных сплавов Be, Ti, Zr не только устраняет их склонность к окислению и росту зерна, но и тормозит естественное старение, вызы­вающее снижение пластичности и вяз­кости сплавов. Наилучшие механические свойства сплавы Al—Mg приобретают после закалки от 530 °С, когда весь маг­ний находится в твердом растворе.

Сплавы систем Al-Mg применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении. Из них де­лают детали приборов, вилки шасси и хвостового оперения, штурвалы и др.

^ Гранулированные сплавы. Гранулиро­ванными называют сплавы, полученные путем компактирования из частиц (гра­нул), отлитых со сверхвысокой ско­ростью кристаллизации. Гранулы полу­чают при кристаллизации в условиях скоростей охлаждения Ю^-Ю⁶ °С/с. Та­кая скорость охлаждения достигается

различными методами, например, рас­пылением жидкого металла струёй чис­того нейтрального газа. В зависимости от давления газа и условий кристалли­зации диаметр гранул колеблется or не­скольких микрометров до нескольких миллиметров. Гранулы, а следователь­но, и готовые полуфабрикаты (изделия) имеют чрезвычайно мелкозернистую структуру и минимальную легкоустра­нимую ликвацию. Но особенно боль­шим достоинством гранулированных сплавов является метастабилыюе со­стояние. При столь высоких скоростях охлаждения при кристаллизации полу­чаются пересыщенные твердые рас­творы с концентрацией, в 2,5 5 раз пре­восходящей предельную растворимость компонентов в равновесных условиях. Такие твердые растворы называют ано­мально пересыщенными. Степень пере-сыщения возрастает в соответствии с расположением металлов в ряду Сг, V, Мп, Ti, Zr.

В процессе технологических операций горячего компактировапия сплавов (400-450 "С) из пересыщенного твердого раствора выпадают дисперсные частицы интерметаллидных фаз (А1(,Мп, А^Сг, Al^Zr и др.), которые повышают темпе­ратуру рекристаллизации (рис. 12.8), уве­личивают прочность при обычных (рис. 12.9) и повышенных температурах.

Большой интерес представляют гра­нулированные сплавы алюминия с эле­ментами, практически нерастворимыми в нем в равновесных условиях и сильно

отличающимися от алюминия по плот­ности. Такие сплавы имеют гетероген­ную структуру, представляющую собой алюминиевую матрицу с равномерно распределенными дисперсными (из-за высокой скорости кристаллизации) включениями второй фазы. В сплавах, легированных сравнительно тугоплавки­ми металлами (Fe, Ni, Co), такими фаза­ми будут интермсталлиды. Они эффек­тивно упрочняют сплавы. В сплавах с такими легкоплавкими металлами, какSn, Pb, в алюминии будут присутство­вать дисперсные включения чистых ме­таллов, соответственно, Sn, Pb. Эти сплавы обладают хорошими антифрик­ционными свойствами (см. п. 10.4). Стандартные деформируемые сплавы типа дуралюминов (Д16) в гранулиро­ванном варианте имеют дополни­тельный эффект упрочнения из-за нали­чия дисперсных частиц интерметал-лидных фаз переходных металлов и нерастворимых фаз. При повышенном содержании переходных металлов о-в достигает 800 МПа.

^ 12.2. Сплавы на основе магния

Свойства магния. Магний-металл сере­бристо-белого цвета. Он не имеет поли­морфных превращений и кристаллизуется в плотноупакованной гексагональной решет­ке с периодами а = 0,3202 нм, с = 0,5199 им.

Магний и его сплавы отличаются низкой плотностью (см. табл. 1.5), хорошей обра­батываемостью резанием и способностью воспринимать ударные и гасить вибра­ционные нагрузки. Теплопроводность магния в 1,5, а электропроводимость — в 2 раза ниже, чем у алюминия. Примерно в 1,5 раза мень­ше, чем у алюминия, и его модуль нормаль­ной упругости. Однако они близки по удель­ной жесткости. В зависимости от содержания примесей установлены следующие марки магния (ГОСТ 804-72); Мг96 (99,96 % Mg), Мг95 (99,95% Mg), Mr9U (99,90% Mg). При­меси Fe, Si, Ni, Си понижают и без того низ­кие пластичность и коррозионную стойкость (см. п. 14.1). При нагреве магний активно окисляется и при температуре выше 623 °С на воздухе воспламеняется. Это затрудняет плавку и разливку магния и его сплавов. По­рошок, тонкая лента, мелкая стружка магния представляют большую опасность, так как самовозгораются на воздухе при обычных температурах, горят с выделением большого количества теплоты и излучением ослепи­тельно яркого света.

Литой магний имеет крупнокристалличе­скую структуру и низкие механические свойства: о-в =110-120 МПа; <7о 2 = =20-30 МПа; 5 = 6 - 8 %; НВ 300. Моди­фицирование цирконием и пластическая де­формация, приводящие к измельчению:труктуры, несколько улучшают механиче­

ские свойства: Ста = 260 МПа; 6=9% (холод­нокатаный лист). Отжиг для снятия наклепа проводят при температуре 330-350 °С, в ре­зультате чего магний имеет следующие свой­ства: Стд =190 МПа; Сто 2 =98 МПа; 5= =15-17%; НВ 400. Наклеп для упрочне­ния магния применяют редко, так как он вы­зывает возникновение развитой текстуры де­формации и анизотропии свойств.

Низкая пластичность магния при темпера­туре 20-25 °С объясняется тем. что» метал­лах с гексагональной кристаллической ре­шеткой скольжение происходит только по базисным плоскостям. Повышение темпера­туры приводит к появлению новых плоско­стей скольжения и двойникования и, как. следствие, к увеличению пластичности. В связи с этим обработку давлением магния проводят при температуре 350-450° в со­стоянии наибольшей пластичности.

Чистый магний из-за низких механических свойств как конструкционный материал практически не применяется. Он использует­ся в пиротехнике, в химической промышлен­ности для синтеза органических препаратов, в металлургии различных металлов и спла­вов-как раскислитель, восстановитель и ле­гирующий элемент.

^ Общая характеристика и классифика­ция магниевых сплавов. Достоинством магниевых сплавов является высокая удельная прочность. Временное сопро­тивление отдельных сплавов достигает 250-400 МПа при. плотности менее 2-Ю³ кг/м³ (табл. 12.5). Основными.i,;-гирующими элементами мигниевых сплавов являются Al, Zn, Mn. Для до­полнительного легирования используют цирконий, кадмий, церий, ниодим и др. Механические свойства сплаиов магния при температуре 20-25 °С улучшаю гся при легировании алюминием, цинком, цирконием (рис. 12.10), при повышен­ной-добавкой церия, ниодима и осо­бенно тория (рис. 12.11). Цирконий и це­рий оказывают модифицирующее дей­ствие на структуру сплавов магния. Особенно эффективно модифицирует цирконий. Добавка 0,5-0,7% Zr умень­шает размер зерна магния в 80-100 раз. Это объясняется структурным и раз­мерным соответствием кристаллических

решеток Mg и Zr„ (ГПУ с а = 0,3223 нм;

с =0,5123 нм). Кроме того, цирконий и марганец способствуют устранению или значительному уменьшению влия­ния примесей железа и никеля на свой­ства сплавов. Они образуют с этими элементами промежуточные фазы боль­шой плотности, которые при кристалли­зации выпадают на дно тигля, очищая

тем самым сплавы от вредных приме­сей.

Увеличение растворимости легирую­щих элементов в магнии с повышением температуры (рис. 12.12) дает возмож­ность упрочнять магниевые сплавы с помощью закалки и искусственного старения. Однако термическая обработ­ка магниевых сплавов затруднена из-за замедленных диффузионных процессов в магниевом твердом растворе. Малая скорость диффузии требует больших выдержек при нагреве под закалку (до 16-30 ч) для растворения вторичных фаз. Благодаря этому такие сплавы можно закаливать на воздухе, они не склонны к естественному старению. При искусственном старении необходимы высокие температуры (до 200° С) и боль­шие выдержки (до 16-24 ч). Наиболь­шее упрочнение термической обработ­кой достигается у сплавов магния, леги­рованных неодимом. В этом случае при распаде пересыщенного твердого рас­твора в зависимости от температуры и времени старения могут образоваться зоны Гинье-Престона, метастабильные и стабильные упрочняющие фазы, тог­да как в некоторых других сплавах (на­пример, сплавах системы Mg-Al-Zn) при старении сразу появляются ста­бильные фазы.

Временное сопротивление и особенно предел текучести магниевых сплавов значительно повышаются с помощью термомеханической обработки, которая состоит в пластической деформации за­каленного сплава перед его старением.

Из других видов термической обра­ботки к магниевым сплавам применимы различные виды отжига: гомогенизация, рекристаллизационный отжиг и отжиг для снятия остаточных напряжений. Для деформируемых сплавов диффузионный отжиг совмещают с нагревом для горя­чей обработки давлением. Температура рекристаллизации магниевых сплавов в зависимости от их состава находится в интервале 150-300°С, а рекристалли-зационного отжига-соответственно в интервале 250-350 °С. Более высокие температуры вызывают рост зерна и понижение механических свойств. От­жиг для снятия остаточных напряжений проводя! при температурах ниже темпе­ратур рекристаллизации.

Магниевые сплавы хорошо обрабаты­ваются резанием (лучше, чем стали, алюминиевые и медные сплавы), легко шлифуются и полируются. Высокие ско­рости резания и небольшой расход энергии способствуют снижению стои­мости обработки резанием деталей из магниевых сплавов по сравнению с дру­гими сплавами. Они удовлетворительно свариваются контактной роликовой и дуговой сваркой. Дуговую сварку реко­мендуется проводить в защитной среде из инертных газов. Прочность сварных швов деформируемых сплавов соста­вляет 90 °д от прочности основного ме­талла.

К недостаткам магниевых сплавов, наряду с низкой коррозионной стой­костью и малым модулем упругости, следует отнести плохие литейные свой­ства, склонность к газонасыщению, окислению и воспламенению при их приготовлении. Небольшие добавки бе­риллия (0,02-0,05 %) уменьшают склон­ность к окисляемости, кальция (до 0,2%)-к образованию микрорыхлот в отливках. Плавку и разливку • маг­

ниевых сплавов ведут под специальны­ми флюсами.

По технологии изготовления маг­ниевые сплавы подразделяют на ли­тейные (МЛ) и деформируемые (МА);

по механическим свойствам-на сплавы невысокой и средней прочности, высоко­прочные и жаропрочные; по склонности к упрочнению с помощью термической обработки- на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработ­кой. Для повышения пластичности маг­ниевых сплавов их производят с пони­женным содержанием вредных примесей Fe, Ni, Си (повышенной чистоты). В этом случае к марке сплава доба­вляют строчные буквы «пч», например, МЛ5пч или МА2пч.

^ Деформируемые машиевые сплавы. Химический состав (ГОСТ 14957-76) и типичные механические свойства неко­торых деформируемых сплавов предста­влены в табл. 12.5. Среди деформи­руемых сплавов наибольшей про­чностью обладают сплавы магния с алюминием и сплавы магния с цин­ком, легированные цирконием, кадмием, серебром, редкоземельными металлами.

Сплавы магния с алюминием содер­жат 0,2-1,5 "о Zn (МАЗ). Алюминий и цинк обладают высокой раствори­мостью в магнии. Повышение их содер­жания в сплаве приводит к увеличению прочности сначала в результате увели­чения концентрации твердого раствора, а затем благодаря появлению вто­ричных фаз Mg4Al3 и Mg3Zn3Al2. Одна­ко в промышленные сплавы не вводят более 10°о А1 и более 6% Zn, так как большое количество промежуточных фаз вызывает снижение пластичности. С понижением температуры концентра­ция твердого раствора уменьшается (см. рис. 12.12), что дает возможность упроч­нять сплавы с помощью закалки и ста­рения. Сравнительно небольшой эффект упрочнения (около 30%) этих сплавов объясняется тем, что при распаде твер­дого раствора образуются сразу ста­бильные фазы с относительно большим

расстоянием между частицами. Причем упрочняющие фазы в этих сплавах обладают большой склонностью к коа­гуляции, которая начинается до дости­жения полного распада пересыщенного твердого раствора.

Цинк и алюминий придают сплавам хорошую технологическую пластич­ность, что позволяет изготовлять из них кованые и штампованные детали слож­ной формы (например, крыльчатки и жалюзи капота самолета). Для устра­нения вредного влияния железа сплавы дополнительно легируют марганцем. Сплавы с низким содержанием алюми­ния и поэтому небольшим количеством вторичных фаз в структуре дают незна­чительное упрочнение при закалке и ста­рении. Они применяются в горячепрес-сованном или отожженном состояниях. Сплавы с высоким содержанием алюми­ния, дополнительно легированные сереб­ром и кадмием (МАЮ), обладают самой высокой прочностью (Ов=430 МПа) и удельной прочностью (24 км) среди магниевых сплавов.

Кадмий неограниченно растворяется в магнии и не образует собственных фаз в сплавах магния с алюминием. Легируя твердый раствор, кадмий повышает ме­ханические свойства и технологическую пластичность сплавов. Серебро обла­дает хотя и ограниченной, но значитель­ной (15,5°,, по массе) растворимостью в магнии. Высокая прочность этих спла­вов объясняется наличием высоколеги­рованного алюминием, серебром и кад­мием твердого раствора и большого количества упрочняющей фазы Mg4Al3.

Высокопрочные сплавы магния с цин­ком дополнительно легируют цирко­нием (МА14), кадмием, РЗМ (МА15, МА19 и др.). Магний образует с цинком твердый раствор, концентрация которо-

го с повышением температуры увеличи­вается и достигает предельного значе­ния (8,4%) при эвтектической температу­ре. Увеличение содержания цинка в сплавах приводит к резкому повыше­нию прочности и некоторому улучше­нию пластичности в результате леги­рования твердого раствора. Появление в структуре сплавов интерметаллидной фазы MgZn^ ведет к дальнейшему упрочнению и снижению пластичности. Для того чтобы сохранить пластичность на допустимом уровне, содержание цин­ка в промышленных сплавах ограничи­вают 5-6%.

Цирконий оказывает рафинирующее и модифицирующее действие. Вступая в соединение с водородом, цирконий уменьшает пористость. Измельчая структуру сплавов магния с цинком, цирконий вызывает повышение времен­ного сопротивления и особенно предела текучести, пластичности. Полной упроч­няющей термической обработке эти сплавы обычно не подвергают, так как при нагреве под закалку снимается на­клеп, полученный полуфабрикатами при прессовании, штамповке; упрочнение при старении настолько мало, что не обеспечивает уровня исходных свойств. Большой эффект дает старение, прове­денное непосредственно после прессова­ния (штамповки).

Недостатками сплавов являются сложность приготовления, обусловлен­ная низкой растворимостью циркония в жидком магнии, склонность к образо­ванию трещин, затрудняющих горячую прокатку и сварку сплавов. Сплавы при­меняют для несвариваемых сильно на­груженных деталей (обшивки самолетов, деталей грузоподъемных машин, авто­мобилей, ткацких станков и др.).

Кадмий в сплавах магния с цинком не образует промежуточных фаз. Легируя твердый раствор, он повышает проч­ность и пластичность сплавов этой си­стемы. Редкоземельные металлы допол­нительно увеличивают прочностные характеристики в результате образова­

ния промежуточных интерметаллидных фаз.

^ Литейные магниевые сплавы. По хи­мическому составу многие литейные сплавы магния близки к деформи­руемым (см. табл. 12.5). Преимуществом литейных сплавов перед деформируемы­ми является значительная экономия ме­талла при производстве деталей, по­скольку высокая точность размеров и хорошая чистота поверхности отливок почти исключают их обработку реза­нием. Однако из-за грубозернистой ли­той структуры они имеют более низкие механические свойства, особенно пла­стичность. Улучшение механических свойств литейных сплавов достигается различными способами: перегревом, модифицированием, гомогенизацией от­ливок, а также применением особо чистых шихтовых материалов при при­готовлении сплавов. Перегрев дает хо­рошие результаты в сплавах с алюми­нием, выплавленных в железных тиглях. В результате взаимодействия алюминия с железом образуются частицы соедине­ния РеА1з, которые являются дополни­тельными центрами кристаллизации.

Для модифицирования используют цирконий, магнезит, мел. При гомогени­зации происходит растворение грубых интерметаллидных фаз, охрупчивающих сплавы.

Механические свойства литейных маг­ниевых сплавов в основном находятся на уровне свойств литейных алюми­ниевых сплавов, но, обладая меньшей плотностью, магниевые сплавы превос­ходят их по удельной прочности.

Наибольшее применение нашли сплавы системы Mg-Al-Zn, особенно сплавы с повышенным содержанием алюминия. Для сплавов этой системы характерен более широкий, чем у алю­миниевых сплавов, интервал кристалли­зации. В результате они обладают пони­женной жидкотекучестью, усадочной по­ристостью (рыхлота) и низкой герме­тичностью, склонностью к образо­ванию горячих трещин. С увеличе­

нием содержания алюминия литейные свойства сначала ухудшаются, посколь­ку увеличивается интервал кристаллиза­ции, а затем, при проявлении неравно­весной эвтектики - улучшаются; повы­шаются прочностные характеристики. Однако из-за большого количества ин­терметаллидных фаз, в том числе и эв­тектических (рис. 12.13), сплавы с боль­шим содержанием алюминия обладают пониженной пластичностью. Наилучшее сочетание литейных и механических свойств имеют сплавы, содержащие 7,5-10% А1 (МЛ5, МЛ6). Небольшие до­бавки цинка способствуют улучшению технологических свойств. Гомогениза­ция при 420 °С (12-24 ч) и закалка от этой температуры способствуют повы­шению прочности и пластичности. Вследствие малой скорости диффузии алюминия в магнии сплавы закали­ваются при охлаждении на воздухе. Старение при 170-190 °С дополнительно повышает временное сопротивление и особенно предел текучести сплавов.

Малая плотность магниевых сплавов, а в отдельных случаях высокая удельная прочность, способствуют их широкому применению в самолетостроении (кор­пуса приборов, насосов, коробок пере­дач, фонари и двери кабин и др.), ракет­ной технике (корпуса ракет, обтекатели, топливные и кислородные баки, стаби­лизаторы), конструкциях автомобилей,

особенно гоночных (корпуса, колеса, помпы и др.), в приборостроении (кор­пуса и детали приборов). Вследствие малой способности к поглощению те­пловых нейтронов их используют в атомной технике (см. п. 14.5) в резуль­тате высокой демпфирующей способно­сти-при производстве кожухов для электронной аппаратуры.

Более высокими технологическими и механическими свойствами при 20-25 °С и повышенных температурах обладают сплавы магния с цинком и цирконием. (МЛ 12), а также сплавы, дополнительно легированные кадмием (МЛ8), РЗМ (МЛ9, МЛ10). РЗМ улуч­шают литейные свойства. Они снижают склонность сплавов к образованию го­рячих трещин и пористости, увеличи­вают прочность при обычных и повы­шенных температурах. Цирконий значи­тельно измельчает крупнозернистую структуру отливок, способствует очист­ке сплавов от вредных примесей, а так­же благоприятно влияет на свойства твердого раствора, повышает темпера­туру рекристаллизации. Кадмий улуч­шает механические и технологические свойства. Высокопрочные литейные сплавы применяют для нагруженных де­талей самолетов и авиадвигателей (кор­пусов компрессоров, картеров, ферм шасси, колонок управления и др.).

^ 12.3. Неметаллические материалы

Общая характеристика и классифика­ция пластмасс. Пластическими массами или просто пластмассами называют ма­териалы, изготовленные на основе поли­меров. Состав композиций разнообра­зен: простые пластмассы-это поли­меры без добавок, сложные пласт­массы-это смеси полимеров с раз­личными добавками (наполнители, ста­билизаторы, пластификаторы и др.).

Наполнители добавляют в количестве 40-70% (по массе) для повышения меха­нических свойств, снижения стоимости и изменения других параметров, Напол-

стели-это органические и неорганиче-:ие вещества в виде порошков (древес-1я мука, сажа, слюда, SiO^, тальк, Юд, графит), волокон (хлопчатобу-ажные, стеклянные, асбестовые, поли-ерные), листов (бумага, ткани из раз-1чных волокон, древесный шпон).

Стабилизаторы - различные органиче- ше вещества, которые вводят в количе--ве нескольких процентов для сохране-ия структуры молекул и стабилизации юйств. Под влиянием окружающей эеды происходит как разрыв макромо-жул на части, гак и соединение макро-олекул друг с другом поперечными»язями. Изменения исходной струк-фы макромолекул составляют сущ-эсть старения пластмасс, которое нс-зратимо снижает прочность и долго-япость изделий. Добавки стабилизато-зв замедляют старение.

Пластификаторы добавляют в коли-;стве 10 20 "ц для уменьшения хрупко-ги и улучшения формуемости. Пласти-икаторами являются вещества, ко-зрые уменьшают межмолекулярное шимодействие и хорошо совмещаются полимерами. Часто пластификаторами тужат эфиры, а иногда и полимеры

гибкими молекулами.

^ Специальные добавки -смазочные ма-;риалы, красители, добавки для умень-епия статических зарядов и горючести, ч я защиты от плесени, ускорители

замедлители отверждения и другие-1ужат для изменения или усиления ка-эго-либо свойства.

Отвердители в количестве нескольких зоцентов добавляют к термореак-1вным пластмассам для отверждения. ри этом между макромолекулами воз-дкают поперечные связи, а молекулы гвердителя встраиваются в общую олекулярную сетку. В качестве от-фдителей используют органические грекиси и другие вещества, серу (в эзинах).

Основой классификации пластмасс 1ужит химический состав полимера.

зависимости от полимера пластмассы

разделяют на фенолоформальдегидные (фенопласты), эпоксидные, полиамид­ные, полиуретановые, стирольные и др.

Применение пластмасс как конструк­ционных материалов экономически це­лесообразно. По сравнению с металла­ми переработка пластмасс менее тру­доемка, число операций в несколько раз меньше и отходов получается немного. Пластмассовые детали, как правило, не нуждаются в отделочных операциях.

Характерными особенностями пласт­масс являются малая плотность (1-2 т/м³), а у пенопластов от 0,015 до 0,8 т/м³; высокая химическая стойкость, хо­рошие электроизоляционные свойства, невысокая теплопроводность [0,2-0,3 Вт/ (м • °С)] и значительное тепловое расширение, в 10-30 раз больше, чем у обычных сталей. Преимущества пласт­масс в сочетании с удобством перера­ботки обеспечили им применение в ма­шиностроении, несмотря на ограничен­ную теплостойкость, малую жесткость и небольшую вязкость по сравнению с металлами.