2014-02-24
1147
Цель работы
Изучить микроструктуру литых и деформируемых алюминиевых сплавов. Научиться самостоятельно проводить микроанализ этих материалов.
Приборы и материалы
Металлографические микроскопы, коллекция микрошлифов алюминиевых сплавов.
Основные положения
Алюминий
Среди металлов алюминий по распространенности в природе занимает первое место, по практическому использованию – второе (после железа). Алюминий – химический элемент, находящийся в третьей группе периодической системы Д.И. Менделеева. Атомный номер алюминия 13, атомная масса 26,98, температура плавления 660°С, плотность 2,7 г/см3, полиморфных превращений не имеет, обладает решеткой гранецентрированного куба с периодом а = 0,4041 нм.
Алюминий отличается от других металлов малой плотностью, высокими пластическими и коррозионностойкими свойствами, высокими тепло- и электропроводимостью, а также отражательной способностью.
Благодаря таким свойствам алюминий находит применение почти во всех отраслях промышленности – авиационной, строительной, химической.
В зависимости от содержания примесей алюминий разделяют на сорта: технический, высокой чистоты и особой чистоты.
На алюминий первичный, поставляемый в форме чушек, слитков распространяется стандарт ГОСТ 11069-74. Постоянные примеси алюминия – Fe, Si, Cu, Zn, Ti, они ухудшают все его свойства. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия.
Алюминий характеризуется высокими технологическими свойствами. Из него могут быть изготовлены любые полуфабрикаты различных габаритов. Благодаря высокой пластичности полуфабрикаты из алюминия легко можно подвергать деформации без существенных нагревов. Сварка может осуществляться практически всеми методами, включая сварку плавлением. Обрабатываемость резанием вследствие высокой вязкости у алюминия плохая.
Он используется в электротехнической промышленности и теплообменниках. Высокая отражательная способность алюминия используется для производства зеркал, мощных рефлекторов. Алюминий практически не взаимодействует с азотной кислотой, органическими кислотами и пищевыми продуктами. Из него изготавливается тара для транспортировки пищевых продуктов, домашняя утварь. Листовой алюминий широко применяется как упаковочный материал. Значительно выросло применение алюминия в строительстве и на транспорте.
Классификация алюминиевых сплавов
В зависимости от способа производства промышленные алюминиевые сплавы делятся на спеченные, литейные и деформируемые.
Литейные сплавы претерпевают эвтектическое превращение, а деформируемые – нет. Последние в свою очередь бывают термически неупрочняемыми (сплавы в которых нет фазовых превращений в твердом состоянии) и деформируемые, термически упрочняемые (сплавы, упрочняемые закалкой и старением).
Алюминиевые сплавы обычно легируют Сu, Mg, Si, Мn, Zn, реже Li, Ni, Ti.
Деформируемые алюминиевые сплавы, неупрочняемые термической обработкой
К этой группе сплавов относятся технический алюминий и термически неупрочняемые свариваемые коррозионностойкие сплавы (сплавы алюминия с марганцем и магнием). Сплавы АМц относятся к системе Аl – Мn.
а) б)
Рисунок 6: а - Диаграмма состояний “алюминий – легирующий элемент”: (1–деформируемые, термически неупрочняемые сплавы; 2–деформируемые, термически упрочняемые сплавы); б - Диаграмма состояния “алюминий–марганец”.
Рисунок 7 - Микроструктура дуралюмина после: а) закалки в воде с температуры Т2; б) закалки и искусственного старения при Т3.
Структура сплава AlMn состоит из α -твердого раствора марганца в алюминии и вторичных выделений фазы MnAl6 (рисунок 8). В присутствии железа вместо MnAl6 образуется сложная фаза (MnFe)Al6.
Рисунок 8 - Микроструктура сплава AlMn
Состав данных сплавов имеет очень узкие пределы: 1 – 1,7 %Мn;
0,05 – 0,20% Cu; медь добавляют в целях уменьшения питтинговой коррозии.
Допускается до 0,6 – 0,7% Fe и 0,6 – 0,7% Si, что приводит к некоторому упрочнению сплавов без существенной потери сопротивления коррозии.
При понижении температуры прочность быстро растет. Сплавы этой группы нашли широкое применение в криогенной технике.
Сплавы АlМg относятся к системе А1 – Mg (рис. 4). Магний образует с алюминием α -твердый раствор и в области концентраций от 1,4 до 17,4 % Mg происходит выделение вторичной β -фазы (MgAl), но сплавы содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке, поэтому их упрочняют пластической деформацией – нагартовкой.
Сплавы систем А1 – Мn и А1 – Mg используются в отожженном, нагартованном и полунагартованном состояниях. В промышленных сплавах магний содержится в пределах от 0,5 до 12 – 13 %, сплавы с низким содержанием магния обладают наилучшей способностью к формообразованию, сплавы с высоким содержанием магния имеют хорошие литейные свойства.
На судах из сплавов этой группы изготовлены спасательные боты, шлюпбалки, забортные трапы, дельные вещи и т.п.
Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой
К этой группе сплавов относятся сплавы высокой и нормальной прочности. Типичными деформируемыми алюминиевыми сплавами являются дуралюмины (маркируют буквой Д) – сплавы системы А1–Сu–Mg. Очень упрощенно процессы, проходящие при упрочняющей термической обработке дуралюмина можно рассмотреть, используя диаграмму Al – Сu (рисунок 10).
Рисунок 9 - Диаграмма состояния “алюминий – магний”.
Рисунок 10 - Фрагмент диаграммы состояния “алюминий – медь”:
Т1 – температура оплавления; Т2 – температура закалки;Т3 – температура искусственного старения.
Рисунок 11 - Диаграмма состояния “алюминий – кремний”: а) общий вид; б) после введения модификатора.
При закалке, которая заключается в нагреве сплава выше линии переменной растворимости, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении, фиксируется структура пересыщенного α – твердого раствора и нерастворимых включении железистых и марганцовистых соединений (темные включения). Сплав в свежезакаленном состоянии имеет небольшую прочность σ 6= 30 кгc/мм3 (300 МПа); δ = 18 %; твердость НВ75.
Пересыщенный твердый раствор неустойчив. Наивысшая прочность достигается при последующем старении закаленного сплава. Искусственное старение заключается в выдержке при температуре 150 – 180 °С. При этом из пересыщенного α – твердого раствора выделяются упрочняющие фазы CuAl2, CuMgA2. Микроструктура состаренного сплава представлена на рисунке 7б. Она состоит из твердого раствора и включений различных вышеперечисленных фаз.
Литейные алюминиевые сплавы
Действующий в настоящее время стандарт на алюминиевые сплавы (ГОСТ 1583-89) предусматривает их деление на 5 групп:
I – сплавы на основе системы А1 – Si – Мg
II – сплавы на основе системы Al – Si – Сu
III – сплавы на основе системы Al – Сu
IV – сплавы на основе системы Al – Mg
V – сплавы на основе системы алюминий – прочие компоненты.
Характерным представителем алюминиевых литейных сплавов являются силумины – это сплавы алюминия с кремнием, обычно со- держащие 10 – 13 %Si (AK12) (рисунок 11).
Микроструктура литых доэвтектических силуминов состоит из светлых дендритов α - твердого pacтворa кремния в алюминии и двойной эвтектики α + Si игольчатого типа, рис. 8в (т.к. растворимость Al в Si при комнатной температуре составляет 0,05%, допустимо считать, что в структуре сплавов при низких температурах присутствует не β - твердый раствор, а кремний).
Рисунок 12 - Микроструктура силуминов: а) доэвтектический;
б) эвтектический; в) заэвтектический; г) модифицированный.
Микроструктура сплава эвтектического состава состоит из эвтектики α + Si. В силуминах заэвтектического состава первично кристаллизуются многогранные кристаллы Si светло-серого цвета (рисунок 12 в). Кремний хрупок, поэтому силумины имеют низкие механические свойства (σ b = 120 –160 МПа, δ = 1 – 2 %). Чтобы избавиться от грубой эвтектики и первичных кристаллов, сплавы модифицируют, т.е. перед разливкой в расплав вводят небольшое количество натрия (0,05 – 0,08 % к массе сплава) или кальция, бора. В результате модифицирования (рисунок 11 – пунктир) увеличивается концентрация кремния в эвтектике (с 11,7 % до 15 %) и сплавы переохлаждаются относительно равновесно эвтектической температуры 577 °С. Силумины заэвтектического состава, содержащие 11,7 – 15 % Si, становятся доэвтектическими, и в их структуре вместо первичных хрупких кристаллов кремния имеются дендриты пластического α - твердого раствора (рисунок 12г). Переохлаждение приводит к формированию в структуре мелкозернистой эвтектики.
Модифицирование улучшает не только механические свойства силуминов (σ b = 170 – 200 MПа, δ = 3 – 5%), но и литейные. Модифицированные силумины хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость.
Для повышения прочности двойные силумины легируют магнием, медью и подвергают термической обработке.
По назначению конструкционные литейные алюминиевые сплавы условно делятся на следующие группы:
1) сплавы, отличающиеся высокой герметичностью (АК12, АК8);
2) высокопрочные жаропрочные сплавы (АМ5, АК5М);
3) коррозионно-стойкие сплавы (АМг10; АЦ4Мг).
