Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение

Подождите немного. Документ загружается.

так как в β-области происходит сильный

рост зерна. Отжиг при температурах,

соответствующих β-области, мало влияет

на σ

и σ

0,2

, но сильно снижает δ и ψ.

Вязкость разрушения К

1с

возрастает при

повышении температуры обработки в α

+ β-области при сохранении высоких

значений δ и ψ. Для обеспечения высокой

конструктивной прочности следует

применять отжиг при температуре на

20—30 °С ниже температуры α + β → β-превращения.

В последние годы все шире применяется вакуумный отжиг,

который позволяет уменьшить содержание водорода в титановых

(

г ой.

высокой концентрации легирующего элемента возникает

мартенситная α"-фаза с ромбической решеткой и ω-фаза с

гексагональной структурой. Появление α"-фазы вызывает

уменьшение твердости и прочности закаленных сплавов и

увеличение их пластичности (рис. 182, а). Мартенситная α"-фаза

при легировании титана эвтектоидообразующими β-

стабилизаторами (Cr, Mn, Fe, Si и др.) не образуется (рис. 182,

б).

При высоком содержании β-стабилизаторов после закалки

структура состоит из β + ω или β-фазы. ω-фаза охрупчивает

сплав. Во избежание сильного роста зерна закалку проводят от

температур, соответствующих области (α + Р)-фазы, чаще от

850—950 °С. При закалке из двухфазной области α + β α-фаза

не испытывает фазовых превращений, а

β-фаза претерпевает

381

плавах, что приводит к существенному повышению вязкости

азрушения, уменьшению склонности к замедленному

азрушению и коррозионному растрескиванию.

Для снятия внутренних напряжений, возникающих при

еханической обработке α- и α + β-сплавов, применяют

еполный отжиг при 550—650 °С. С увеличением количества β-

табилиза-тора временное сопротивление σ

и предел текучести σ

0,2

тожженных сплавов возрастают; при содержании 50 % α- и 50

β-фаз они достигают наибольших значений, α + β-сплавы

огут быть упрочнены закалкой с последующим старением

отпуском).

При охлаждении со скоростью выше критической (закалка)

плавов, нагретых до области β-фазы, протекает мартенситное

ревращение в интервале температур М

—М

(рис. 181).

артенситная α'-фаза представляет собой пересыщенный

вердый раствор замещения легирующих элементов в α-титане с

ексагональной решетк

При

те же превращения, что и β-фаза того же состава, как и при

закалке из β-области.

При последующем старении закаленных спл вов при 500—

600 ° д м αС происхо ит распад артенситных '-, α"-фаз, а акже

метастабильной β-фазы. В процессе старения закаленных сплавов

происходит их упрочнение, обусловленное распадом α"-и

остаточной β-фаз. Повышение прочности при распаде α'-фазы

невелико. Упрочнение связано с образованием дисперсных

выделений α-фазы. Наибольшее упрочнение

после закалки и

старения получают сплавы с высоким содержанием β-

стабилизаторов.

Упрочняющую термическую обработку для крупных деталей

из титановых сплавов применяют редко. Это объясняется малой

прокаливаемостью титановых сплавов, низким значением

вязкости разрушения (К

1с

) и короблением деталей.

Титановые сплавы имеют низкое сопротивление износу и при

использовании в узлах трения подвергаются химико-термической

обр кабот е. Для повышения износостойкости титан азотируют при

850—950 °С в течение 30—60 ч в атмосфере азота.

Толщина диффузионного слоя в сплавах титана после

азотирования при 950 °С в течение 30 ч 0,05—0,15 мм, 750—

900 HV.

Промышленные сплавы титана. Сплавы титана применяют там,

где главную роль играют небольшая плотность, высокая удельная

прочность, теплостойкость и хорошая сопротивляемость

коррозии. Титановые сплавы применяют в авиации, ракетной

технике, в химическом машиностроении и во многих других

отраслях народного хозяйства.

382

В табл. 33 приведены состав и механические свойства

аиболее распространенных титановых сплавов, обрабатываемых

авлением.

Деформируемый α-сплав ВТ5 хорошо обрабатывается

авлением в горячем состоянии и сваривается; обладает высокой

опротивляемостью коррозии, но склонен к водородной хрупкости.

ополнительное легирование сплава ВТ5 оловом (ВТ5-1)

лучшает технологические и механические свойства сплава.

С о б ы дплавы типа ОТ4 хорош обра ат ваются авлени м в

орячем и холодном состояниях, свариваются всеми видами

варки, но склонны к водородной хрупкости.

Наилучшее сочетание свойств достигается в (α + β)-сплавах.

Сплав ВТ6 обладает хорошими механическими и

ехнологическими свойствами и упрочняется термической

бработкой (за-

383

калкой от 900—950 °С и старением при 450—500 °С). После

закалки σ

= 1000÷1050 МПа, а после старения в течение 2—

ч σ

= 1200÷1300 МПа. Отжиг проводится при 750—800 °С. Для

сварных конструкций применяется сплав ВТ14С, содержащий

меньше алюминия (5,5 %).

Сплав ВТ14 рекомендуется применять для изготовления тяже

лонагруженных деталей, а также деталей, длительное время

работающих при 400 °С или кратковременно при 500 °С. Спла

упрочняется закалкой от 850—880 °С в воде и последующим

старением при 480—500 °С 12—16 ч. Полный отжиг проводят

при 750—800 °С, а неполный — при 600—650 °С.

Сплав ВТ8 применяют после изотермического отжига. Сплав

обладает высоким сопротивлением ползучести и длительно

прочностью, поэтому применяется как жаропрочный (до 450—500

°С). Сплав плохо сваривается и используется главным образом

виде поковок и штамповых заготовок. Для фасонного лить

применяют сплавы ВТ5Л, ВТ6Л, ВТ14Л, которые обладают

достаточно хорошими литейными и

механическими свойствами.

Вопросы для самопроверки

1. Каковы характерные физические и механические свойства титана и гд

он применяется?

2. Какие легирующие элементы расширяют область α-фазы и какие

область β-фазы?

3. В чем отличие α-сплавов от (α + β)-сплавов? Какие сплавы более часто

применяют?

4. Можно ли α-сплавы упрочнить термической обработкой? Каку

термическую обработку

проходят α-сплавы?

5. Какие примеси наиболее опасны для титана и почему?

6. Чем отличается мартенсит α' от мартенсита α" в титановых сплавах

Можно ли использовать для упрочнения титановых сплавов ω-фазу?

7. Как влияют легирующие элементы на точки М

и М

в титановы

сплавах?

8. Почему не рекомендуется нагревать для отжига и закалки сплавы

области β-фазы?

9. Какую упрочняющую термическую обработку проходят (α +

титановые сплавы?

—

до

β)-

10. Опишите характерные свойства титановых сплавов и область их

применения.

та.

е ую

ой

см

ГЛАВА XX. АЛЮМИНИЙ И СПЛАВЫ НА ЕГО ОСНОВЕ

1. АЛЮМИНИЙ

Алюминий — металл серебристо-белого цве

Температура плавления 600 °С. Алюминий имеет кристаллич ск

ГЦК решетку с периодом а = 0,4041 нм. Наиболее важн

особенностью алюминия является низкая плотность — 2,7 г/

против 7,8 г/см

для железа и 8,94 г/см

для меди. Алюминий

об

ра

чи

А кой чистоты: А85, А8, А7, А6, А5,

АО (9

пр

Сu

ст ности тонкой

проч

ст

чи

ал

де

(А

Алюминий легко обрабатывается давлением, но обработка

ре ривается всеми видами сварки.

Техни

пр

не

хо

те

па , кабели,

электр

ви

для

дл

ис

Наибольшее распространение получили сплавы Аl—Cu,

Аl—Si, Αl—Mg, Αl—Cu—Mg, Al—Сu—Mg—Si, Al—Mg—Si,

а также Al—Zn—Mg—Cu. В равновесном

СОСТОЯНИИ ЭТИ сплавы

п н-

терметал

2 2

а),

CuMg

и A )

, Al

и др. (рис. 183).

Все спла ы

предна

хтин 385

ладает высокой электрической проводимостью, составляющей

% электрической проводимости меди. В зависимости от чистоты

зличают алюминий особой чистоты: А999 (99,999 % А1); высокой

стоты: А995 (99,995 % А1), А99 (99,99 % А1), А97 (99,97 % А1),

95 (99,95 % А1) и техничес

9,0 % А1).

Технический алюминий изготовляют в виде листов, профилей,

утков, проволоки и других полуфабрикатов и маркируют АДО

АД1. В качестве примесей в алюминии присутствуют Fe, Si,

, Μn, Ζn. А

ЛЮМИНИЙ обладает высокой коррозионной

ойкостью вследствие образования на его поверх

ной пленки А1

. Чем чище алюминий, тем выше коррозионная

ойкость. Механические свойства отожженного алюминия высокой

стоты: σ

= 50 МПа, σ

0,2

= 15 МПа, ψ = 50 %, а технического

юминия (АДМ)

: σ

= 80 МПа, σ

0,2

= 30 МПа, δ = = 35 %.

одуль нормальной упругости 71 000 МПа. Холодная пластическая

формация повышает предел прочности техничес- кого алюминия

ДН)

до 150 МПа, но относительное удлинение снижается до 6 %.

занием затруднена, сва

ческий алюминий (АД и АД1) ввиду низкой прочности

именяют для изготовления элементов конструкции и деталей,

несущих нагрузки, когда требуются высокая пластичность,

рошая свариваемость, сопротивление коррозии и высокие

плопроводность и

электрическая проводимость. Так, например, из

хнич

еского алюминия изготовляют различные трубопроводы,

лубные надстройки морских и речных судов

опровода, шины, конденсаторы, корпуса часов, фольгу,

тражи, перегородки в комнатах, двери, рамы, посуду, цистерны

молока и т. д. Алюминий высокой чистоты предназначается

я фольг

и, токопроводящих и кабельных изделий. Более широко

пользуют

сплавы алюминия.

2. КЛАССИФИКАЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

редставляют собой низколегированный твердый раствор и и

лидные фазы CuAl

(θ-фаза), Mg Si, Al CuMg (S-фаз

(Т-фаза

вы алюминия можно разделить на деформируем е,

значенные для получения полуфабрикатов (листов, плит,

Η — нагартованный, Μ — мягкий (отожженный).

Фаза Al

, изоморфная фаза Τ (Al

CuMg

) в системе Аl—Сu—Mg.

13 Ла

прутков, профилей, труб и т. д.), а также поковок и штамповых

заготовок путем прокатки, прессования, ковки и штамповки

(табл. 34, 35), и литейные, предназначенные для фасонного литья

(см. табл. 36).

Деформируемые сплавы по способности упрочняться

термической обработкой подразделяют на сплавы, неупрочняемые

термической обработкой, и сплавы, упрочняемые термической

обработкой.

Сплавы алюминия, обладая хорошей технологичностью во

всех стадиях передела, малой плотностью, высокой коррозионной

стойкостью, при достаточной прочности, пластичности и

вязкости нашли широкое применение в авиации, судостроении,

автостроении, строительстве и других отраслях народного

хозяйства.

13* 387

ют

сть

еве

го

раствора. Например, температура закалки сплавов системы Аl—Сu

(рис. 184) определяется линией abc, проходящей

выше линии

их

в,

по е

и,

з е й

ля

3. ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Для упрочнения алюминиевых сплавов применя

закалку и старение, а для устранения неравновесных структур

деформационных дефектов строения, енижающих пластично

сплава, — отжиг.

Закалка алюминиевых сплавов. Закалка заключается в нагр

сплавов до температуры, при которой избыточные интерметал

лидные фазы полностью или большей частью растворяются

алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении

до нормальной температуры для получения пересыщенного твердо

предельной растворимости для сплавов, содержащих меньше 5

% Сu, и ниже эвтектической линии (548 °С) для сплавов, содержащ

большее количество Сu. При нагреве под закалку сплаво

содержащих до ~5 % Сu, избыточная фаза CuAl

полность

растворяется, и при следующ м быстром охлаждении фиксируется

только пересыщенный α-твердый раствор, содержащий столько мед

сколько ее находится в сплаве. При содержании более 5 % Си

структуре сплавов после акалки буд т пересыщенный α-тверды

раствор состава, отвечающего точке b, и нерастворенные при

нагреве кристаллы соединения CuAl

Основной особенностью алюминиевых сплавов является малы

интервал температур нагрева под закалку. Температура нагрева д

сплавов А1—Сu—Mg (Д16) — 485—505 °С, сплавов А1—Zn—

388

Mg—Cu (B95) 465—475 °C и Αl—

Cu—Mg—Si (AK6) 515—525 °C. Более

высокие температуры вызывают пере-

ЖОР (оплавление по границам зерен),

что приводит к образованию трещин,

пузырей на поверхности

полуфабрикатов, снижаются

сопротивление коррозии, механические

свойства и сопротивление хрупкому

разрушению. Выдержка должна быть

минимальной, обеспечивающей растворение избыточных фаз в

твердом растворе.

Листы, плиты, прутки, полосы толщиной 0,5—150 мм

выдерживают нагрев в селитровых ваннах в течение 10—80 мин, а в

наиболее широко применяемых для этой цели электропечах с

принудительной циркуляцией воздуха — 30—210 мин. Выдержка

фасонных отливок при температуре закалки более

длительная (2—15 ч). За это время растворяются грубые

выделения интер-металлидных фаз (см. рис. 183, а).

Охлажд

критическо

389

ение при закалке должно быть со скоростью выше

й. Под критической скоростью закалки понимают

минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает

распад пересыщенного твердого раствора. Частичный распад

твердого раствора снижает механические свойства и

коррозионную стойкость после старения. Чаще для закалки

применяют воду (t = = 10÷40°С). Во избежание частичного

распада твердого раствора время переноса

нагретого

полуфабриката (детали) из печи в закалочный бак не должно

превышать 15—30 с. Прокаливае-мость алюминиевых сплавов

составляет d

= 120÷150 мм (d

— критический диаметр).

После закалки сплавы имеют сравнительно невысокую

прочность σ

, σ

0,2

и высокую пластичность (δ, ψ).

Старение закаленных сплавов. После закалки следует

старение, при котором сплав выдерживают при нормальной

температуре несколько суток (естественное старение) или в

течение 10—24 ч при повышенной температуре 150—200 °С

(искусственное старение). В процессе старения происходит распад

пересыщенного твердого раствора, что сопровождается

упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора

происходит в несколько стадий в

зависимости от температуры и

продолжительности старения. Так, например, в сплавах Аl—Сu

при е естеств нном (при 20 °С) или низкотемпературном

искусственном старении (ниже 100—150 °С) образуются зоны

ГП-1 (см. с. 60).

Если сплав после естественного старения кратковременно

(несколько секунд или минут) нагреть до 240—280 °С и затем

быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и свойства

сплава будут соответствовать свежезакаленному состоянию. Это

явление получило название возврат. Разупрочнение при возврате

связано с

тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются

нестабильными и поэтому растворяются в твердом растворе,

а атомы меди вновь более или менее равномерно распределяются

в пределах объема каждого кристалла твердого раствора, как и

после закалки. При последующем вылеживании сплава при

нормальной температуре вновь происходит образование зон

ГП-1 и упрочнение сплава. Однако

после возврата и

последующего старения ухудшаются коррозионные свойства

сплава, что затрудняет использование возврата для практических

целей. Длительная выдержка при 100 °С или несколько часов при

150 °С приводит к образованию зон ГП-2 большей величины с

упорядоченной структурой, отличной от структуры α-твердого

раствора. С повышением температуры старения процессы

диффузии, а следовательно, и

процессы структурных превращений,

и самоупрочнение протекают быстрее. Выдержка в течение

нескольких часов при 150—200 °С приводит к образованию в

местах, е располагались

ЗОНЫ Г -2, дисперсных

(тонкопластинчатых) частиц промежуточной

гд

θ′-фазы, не

отл й м в

ю о

овательность

ст

л у, ны и ст

ю р ен

ние σ

/σ

≤ , о

разрушению

(в е

в х

ичающе ся по химическо у соста у от стабильной фазы θ

(CuAl

), но имеющей отличную кристаллическую решетку; θ'-фаза

когерентно связана с твердым раствором. Повышение температуры

до 200—250 °С приводит к коагуляции метаста-бильной фазы и к

образовани стабильн й θ-фазы.

Таким образом, при естественном старении образуются лишь

зоны ГП-1. При искусственном старении послед

руктурных изменений можно представить в виде следующей

схемы: ГП-1 → ГП-2 → θ' → θ (CuAl

Это обща схема распада пересыщенного твердого раствора

в сплавах А1—Сu справедлива и для других сплавов. Различие

сводится ишь к том что в раз х сплавах неод наковы со ав

и строение зон, а также образующих фаз.

Для стареющих алюминиевых сплавов разных составов

существу т и свои температу но-врем ные области зонного

(образование зон ГП-1 и ГП-2) и фазового (θ'- и θ-фаз) старения.

После зонного старения сплавы чаще имеют повышенный

предел текучести и относительно невысокое отноше

0,2 Β

0,6÷0,7 повышенную пластичность, хорошую к ррозионную

стойкость и низкую чувствительность к хрупкому

ысокое знач ние К

1с

После фазового старения отношение σ

0,2

повышается до

0,9—0,95, а пластичность, вязкость, сопротивление хрупкому

разрушению и коррозии под напряжением снижаются.

Структурное упрочнение. Температура рекристаллизации

некоторых спла ов алюминия с марганцем, ромом, никелем,

цир-

390