Главная страница Случайная страница
КАТЕГОРИИ:
АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника
Упрочняющая термическая обработка состоит из двух этапов: закалки и старения.
|
|
Для закалки сплав нагревается выше линии предельной растворимости, так что q‑ фаза полностью растворяется. Быстрое охлаждение до комнатной температуры фиксирует однофазную структуру пересыщенного медью a‑ раствора. Прочность при этом изменяется мало. Существенное увеличение прочности происходит в результате старения - процессов, протекающих при длительной выдержке неравновесного, закаленного сплава при комнатной или повышенной температуре. В зависимости от природы сплава и режима старения структура сплава в той или иной мере приближается к равновесному (a+q) состоянию.
Длительная выдержка закаленного сплава при комнатной температуре (“ естественное старение ”) не приводит к образованию q‑ фазы. В отдельных плоскостях решетки a‑ раствора начинают скапливаться атомы меди, однако их концентрация еще не достигает той, которая необходима для образования зародышей q‑ фазы (55, 4 % Cu). Из-за разницы атомных радиусов меди (0, 128 нм) и алюминия (0, 143 нм) решетка a‑ раствора в местах скопления меди сильно искажается. Эти области искажений называются зонами Гинье-Престона или зонами ГП. Являясь искажениями решетки, зоны ГП препятствуют скольжению дислокаций и эффективно упрочняют сплав (рис. 3.2).
| Рис. 3.2. Зависимость прочности дуралюмина от режима старения |
В результате “ искусственного старения ” при 100–150 °С в местах скопления меди в a‑ растворе образуются метастабильные q'- и q''‑ фазы, отличающиеся от равновесной q‑ фазы типом решетки. Решетка метастабильной фазы еще не отделена от решетки a‑ раствора (когерентная связь), а так как параметры этих решеток различны, то в местах образования q'- и q''‑ фаз решетка a‑ раствора искажается. Степень искажения, однако, меньше, чем в случае образования зон ГП, поэтому меньше и эффект упрочнения (рис. 3.2).
Еще меньше величина упрочнения при старении в интервале 200–250 °С. При этих температурах образуется равновесная q‑ фаза, ее решетка полностью отделена от решетки a‑ раствора. В результате снимаются искажения решетки a‑ раст-вора и понижается степень упрочнения; на этом этапе оно обусловлено торможением дислокаций мелкодисперсными выделениями q‑ фазы. Из рис. 3.2 видно, что длительная выдержка при 200–250 °С, приводящая к коагуляции упрочняющих частиц q‑ фазы, вызывает уменьшение прочности (“ перестаривание ”).
Промышленные деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, - это главным образом дуралюмины - сплавы системы Al-Cu-Mg. Кроме того, в них вводится марганец для повышения коррозионной стойкости.
В табл. 3.1 приведены состав и свойства наиболее распространенных дуралюминов, а также относящихся к этой группе высокопрочных (В95, ВАД23), ковочных (АК8) и жаропрочных (АК4) сплавов. Отличительной чертой сплавов этой группы является высокая удельная прочность (отношение прочности к плотности сплава), обусловившая их широкое применение в авиации, транспортном машиностроении и приборостроении.
Таблица 3.1.Химический состав и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой (ГОСТ 4784-97)
| Марка сплава | Химический состав, % (ост. Al) | d, г/см3 | Упрочняющая термообработка | sв, МПа | d, % | |||
| Cu | Mg | Mn | Др. эл-ты | |||||
| Д16 | 3, 8-4, 9 | 1, 2–1, 8 | 0, 3–0, 9 | Fe 0, 5; Si 0, 5 | 2, 8 | Закалка 500 °С, старение 20 °С, 96 часов | 470(220) | 17(18) |
| Д18 | 2, 2–3, 0 | 0, 2–0, 5 | 0, 2 | Fe 0, 5; Si 0, 5 | 2, 76 | То же | 300(160) | 24(24) |
| – | 5, 0–6, 0 | 0, 3 | Li 1, 9–2, 3 Zr 0, 09–0, 15 | 2, 5 | Закалка 500 °С, старение 170 °С, 10–12 ч | 4–5 | ||
| В95 | 1, 4–2, 0 | 1, 8–2, 8 | 0, 2–0, 6 | Zn 5, 0–7, 0 Cr 0, 1–0, 25 | 2, 85 | Закалка 470 °С, старение 130 °С, 16–24 ч | 500–580 | 7–5 |
| ВАД23 | 4, 8–5, 8 | – | 0, 4–0, 8 | Li 0, 9–1, 4 Cd 0, 1–0, 25 | 2, 72 | Закалка 520 °С, старение 170 °С, 10–12 ч | 550–580 | |
| АК8 | 3, 9–4, 8 | 0, 4–0, 8 | 0, 4–1, 0 | Si 0, 6–1, 2 | 2, 8 | Закалка 500 °С, старение 160 °С, 6–15 ч | 450–460 | |
| АК4-1 | 1, 9–2, 7 | 1, 2–1, 8 | – | Fe 0, 8–1, 4 Ni 0, 8–1, 4; Si 0, 35 | 2, 8 | Закалка 530 °С, старение 190 °С, 10 часов |
Примечание. В скобках указаны sв и d дуралей в отожженном состоянии.
Деформируемые сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в равновесном состоянии имеют структуру a‑ твердого раствора, либо a‑ раствора, с включениями промежуточных фаз. При двухфазной структуре упрочнение термической обработкой, в принципе, возможно (если промежуточные фазы раствори мы в a‑ растворе), однако его эффект мал из-за небольшого количества упрочняющей фазы. Поэтому сплавы данной группы упрочняющей термообработке не подвергаются, их можно упрочнять пластической деформацией.
К этой группе относятся сплавы системы Al-Mn (маркируются АМц) и Al-Mg (АМг), они имеют невысокую прочность, легко обрабатываются, хорошо свариваются и обладают высокой коррозионной стойкостью. Состав и свойства сплавов этой группы приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2. Химический состав и механические свойства алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой (ГОСТ 4784-97)
| М а р к а с п л а в а | Химический состав, % (остальное Al) | sв, МПа | d, % | |
| Мn | Мg | |||
| АМц | 1, 0–1, 6 | – | 130 (220) | 25 (23) |
| АМг2 | 0, 6–0, 6 | 1, 8–2, 8 | ||
| АМг6 | 0, 5–0, 8 | 5, 8–6, 8 | ||
| Примечание. Свойства приведены для отожженного состояния, в скобках - в нагартованном состоянии. |
Литейные алюминиевые сплавы (ГОСТ 2685-75) обладают хорошей жидкотекучестью, имеет сравнительно не большую усадку и предназначены в основном для фасонного литья. Эти сплавы маркируются буквами " АЛ" с последующим порядковым номером: АЛ2, АЛ9, АЛ13, АЛ22, АЛ30.
Иногда маркируют по составу: АК7М2; АК21М2, 5Н2, 5; АК4МЦ6. В этом случае " М" обозначает медь. " К" - кремний, " Ц" - цинк, " Н" - никель; цифра - среднее % содержание элемента.
Литейные алюминиевые сплавы различны по химическому составу и структуре. Наилучшими по литейным свойствам (жидкотекучесть, плотность отливок) являются сплавы, состав которых приближается к эвтектическому. К таким сплавам относятся силумины (система Al-Si), диаграмма состояния которых показана на рис. 3.3. Промышленные сплавы содержат 10–13 % Si.
Эвтектика 
(a+Si) имеет грубое игольчатое строение (за счет кристаллов Si); помимо эвтектики в структуре обычно имеются избыточные первичные кристаллы Si. Сплавы с такой структурой характеризуются низкой пластичностью. В связи с этим силумины подвергают модифи
| Рис. 3.3. Диаграмма состояния алюминий-кремний (штриховые линии – после модифицирования) |
Вместо твердых и хрупких избыточных кристаллов кремния в его структуре появляются пластичные включения a‑ раствора (почти чистый Al), а эвтектика становится более дисперсной. Вследствие этого повышается прочность, пластичность возрастает почти в 3 раза.
Литейные алюминиевые сплавы могут упрочняться термической обработкой (закалка и искусственное старение, обычно 8–10 часов при 180 °С), однако эффект упрочнения гораздо ниже, чем в дуралюминах.
Кроме силуминов применяются сплавы систем Al-Cu, Al-Mg; они имеют более высокие прочностные свойства, чем силумины, но их литейные свойства ниже (это видно из соответствующих диаграмм состояния).
Литейные алюминиевые сплавы имеют малую плотность и применяются для изготовления фасонных отливок. Состав и свойства некоторых сплавов этой группы приведены в табл. 3.3.
Из алюминиевых антифрикционных сплавов (ГОСТ 14113-78) изготовляют подшипники и вкладыши, как литьем, так и обработкой давлением. Такие сплавы маркируют буквой " А" и начальными буквами входящих в них элементов: А09-2, А06-1, АН-2, 5, АСМТ. В первые два сплава входят в указанное количество олова и меди (первая цифра-олово, вторая-медь в %), в третий - 2, 7-3, 3% Ni и в четвертый - медь сурьма и теллур.
Таблица 3.3. Химический состав и механические свойства
литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 1583-93)
| Марка сплава | Химический состав, % (ост. Al) | Вид ТО | sв, МПа | d, % | |||
| Mg | Si | Mn | Cu | ||||
| АК12 (АЛ2) | – | 10–13 | – | – | Т2 | ||
| м о д и ф и ц и р о в а н н ы й | |||||||
| АК9 (АЛ4) | 0, 17–0, 3 | 8–10, 5 | 0, 25-0, 5 | – | Т6 | ||
| АМ4, 5 (АЛ7) | – | – | – | 4-5 | Т5 | ||
| АМг10 (АЛ8) | 9, 5–11, 5 | – | – | – | Т5 | ||
| Примечания. Т2 - отжиг (300 °С в течение 5–10 часов); Т5 - закалка и кратковременное старение (150–175 °С в течение 2–3 час); Т6 - закалка и полное искусственное старение (200 °С в течение 3–5 часов). В скобках - маркировка по ГОСТ 1583-89Е. |
Вопросы для самоконтроля по теме:
1. Дайте классификацию алюминиевых сплавов.
2. Каким комплексом свойств обладают алюминиевые сплавы?
3. Зарисуйте диаграмму состояния Al-Cu.
4. Опишите процессы, происходящие на отдельных этапах термической обработки дуралюмина. Чем отличается структура дуралюмина в исходном и закаленном состояниях?
5. Зарисуйте кривые старения дуралюмина.
6. Приведите марки и области применения 2-х деформируемых сплавов, упрочняемых и не упрочняемых термической обработкой.
7. Какие сплавы на алюминиевой основе упрочняются термообработкой?
8. Выберите упрочняющую термообработку для сплава АМг2.
9. Какие сплавы называют силуминами? Упрочняются ли они термической обработкой?
10. Как повышают прочность силуминов? Опишите процесс модифицирования и структуры силумина до и после модифицирования.
11. Приведите марки 2-х литейных алюминиевых сплавов и укажите области их применения.