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

Подождите немного. Документ загружается.

кон

е ф т

ы ю

S р

но о р м вторичных

те ли

нием.

отжиг заключается в

нагр

р и от состава сплава

коле с д 0 .

р о н

прои

деформации

нения сплавов, прошедших закалку и

стар

в у

р оагуляция

упро С

391

ием, титаном и другими переходивши металлами превышает

бычно назначаемую температуру нагрева под деформацию или

акалку, поэтому после закалки и старения таких сплавов в них

охраняется нерекристаллизованная (полигонизованная)

труктура с высокой плотностью дислокаций, что повышает ее

рочность по сравнению с рекристаллизованной структурой.

то явление получило название структурного упрочнения.

В результате структурного упрочнения значения σ

и σ

0,2

повышаются до 30—40 %. Наиболее сильно етруктурное

упрочн ние проявляется в прессованных полу абрика ах

(прутки, профили, трубы), поэтому это явление применительно к

ним наз ва т пресс-эффектом.

Диффузионный отжиг (гомогенизаци ). Этому виду отжига

подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения

дендритной ликвации, которая приводит к получению

неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и

между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических

включений Cu l

, Al

CuMg ( -фаза), Mg

Si и др. (см. ис. 183,

а). В процессе гомогенизации состав кристаллитов твердого

раствора выравнивается, а интерметаллиды растворяются. В

процессе последующего охлаждения интерметаллиды выделяются в

виде рав мерн аспределенных елких включений

(см. рис. 183, б). В результа пластичность того сплава

повышается, что позволяет увеличить степень обжатия при

горячей обработке давлением, скорость прессования

и уменьшить

технологические отходы. Гомогенизация способствует получению

мелкозернистой структуры в отожженных листах и уменьшает

склонность к коррозии под напряже

емпература гомогенизации лежит в пределах 450—520 °С,

а выдержка составляет 4—40 ч Охлаждение проводят на

воздухе или вместе с печью.

Рекристаллизационный отжиг. Такой

еве деформированного сплава до температур выше

емпературы окончания первичной рекристаллизации; применяется

ля снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура

екристалли-зационного отжига в зависимост

блет я от 350 о 500 °С, выдержка ,5—2 ч После

екристаллизацион-ног отжига сплавов, неупроч яемых

ермической обработкой, скорость охлаждения выбирают

звольно

. Для сплавов, упрочняемых термической обработкой,

корость охлаждения до 200— 250 °С должна быть 30 °С/ч. Отжиг

качестве промежуточной операции применяют при холодной

или между горячей и холодной деформациями.

Отжиг для разупроч

ение. Этот вид отжига проводят при 360—450 °С с

ыдержкой 1—2 ч. При этих температ рах происходят полный

аспад пересыщенного твердого раствора и к

чняющих фаз. корость охлаждения не должна превышать

0 °С/ч. После от-

жига сплав имеет низкое временное сопротивление,

удовлетворительную пластичность и высокую

сопротивляемость коррозии под напряжением.

4. ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ,

УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

Дуралюмины. Дуралюминами называют сп

Аl е

лавы

т в

Упрочнение дуралюмина при

те з

ц т пр ив

с е

( и

од

т и ре но

. ч им

вание

зам с

тс й .

римых соединений железа (см. рис. 183, б).

392

—Сu—Mg, в которые дополнительно вводят марган ц (см.

табл. 34). Типичным дуралюмином являе ся спла Д1, однако

вследствие сравнительно изких механических свойств

производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и

профилей заменяется сплавом Д16.

рмической обработке достигается в результате обра ования

зон ГП

сложного состава или метастабильных фаз θ и S.

Маргане повышает с ойкость дуралюмина от коррозии,

а присутствуя в виде дисперсных частиц фазы Τ (Al

Cu),

повышает температуру рекристаллизации и улучшает

механические свойства. В качестве примесей в дуралюмине

присут твуют железо и кремний. Железо образует со динение

Fe и Μn, Fe) Al

, кристаллизующееся в виде грубых пласт н.

Кроме того, железо образует соединение Al

Fe, нерастворимое в

алюминии. Железо связывает медь в этом соединении, вследствие

чего снижается эффект упрочнения при старении.

Кремний образует фазы Mg

Si и W (Al

), которые

растворяются в алюминии и при последующем старении

упрочняют сплав. Однако упрочнение от Mg

Si и W-фаз невелико,

поэтому примесь кремния, уменьшая количество основных

упрочняющих фаз S и θ, способствует снижению прочности. При

новременном присутствии Fe и Si образуются химические

соединения, не содержащие основных легирующих элементов (Сu

и Mg).

Железо и кремний, образуя грубые нерастворимые

интерме аллические фазы, сн жают т щи стойкость Κ

, т. е.

облегчают распространение трещин при действии растягивающих

напряжений. По ГОСТ 4784—74 допускается содержание до 0,5 %

Fe и 0,5 % Si. Снижение содержания Fe и Si до 0,1—0,3 % и

меньше значительно повышает вязкость разрушения Κ

, не

изменяя величины σ

и σ

0,2

Сплав Д16 (чистый) еет Κ

= 40,6, а

обычный Д16 — К

1с

= 34,5 МПа·м (после закалки и старения).

Дуралюмин, изготовляемый в листах, для защиты от

коррозии подвергают плакированию, т. е. покрытию тонким

слоем алюминия высокой чистоты (не ниже 99,5 %). Толщина

слоя должна составлять 4 % толщины листа. Плакиро

1/2

етно нижает прочность дуралюмина. Например, предел

прочности плакированных листов из сплава Д16 составля т

440 вместо 520 МПа для остальных полуфабрикатов.

Упрочнение достигае я закалко и старением Структура

закаленного дуралюмина состоит из пересыщенного α-твердого

раствора и нераство

Ду люмин после закалки подвергают естественному

старению, так как он еспечивает пол ие высокой

коррозионной стойкости. Понижение темпер

ра ы

о об учен более

атуры тормозит

старение, рость

процесса, розии.

Прессован ительно

прочнее,

ль б

вки,

шп

а т ду лю

ва

тру . ем в

з о

воде) и

иженной

393

а повышение ее, наоборот, увеличивает ско

но понижает пластичность, и сопротивление кор

ные полуфабрикаты из сплавов Д1 и Д16 знач

чем листы, вследствие пресс-эффекта. Для повышения

коррозионной стойкости дуралюмин

подвергают

электрохимическому оксидированию (анодированию).

Дуралюмины удовлетворите но обра атываются резанием в

закаленном и состаренном состояниях и плохо — в

отожженном состоянии, хорошо свариваются точечной сваркой и

не свариваются сваркой плавлением вследствие склонности к

образованию трещин. Из сплава Д16 изготовляют обши

ангоуты, стрингера и лонжероны самолетов, силовые каркасы,

строительные конструкции, кузова грузовых автомобилей и

т. д.

Сплавы виаль (АВ). Э и сплавы уступают ра минам по

прочности, но обладают лучшей пластичностью в холодном и

горячем состояниях (см. табл. 34). Авиаль удовлетворительно

обрабатывается резанием (после закалки и старения) и

сваривается контактной и аргонодуговой сваркой. Сплав

обладает высокой общей сопротивляемостью коррозии, но склонен

к меж-кристаллитной коррозии.

Авиаль закаливают от 515—525 °С с охлаждением в воде, а

затем подвергают естественному старению (АВТ) или

искусственному при 160 °С 12 ч (АВТ1). Искусственное старение

надо выполнять сразу после закалки. При увеличении

перерывов между временем закалки и началом искусственного

старения прочность сплава после старения уменьшается.

Упрочняющей фазой в авиале является соединение Mg

Si.

Из спла АВ изготовляют различные полуфабрикаты (листы,

бы и т д.), использу ые для элементо конструкций,

несущих умеренные нагрузки, кроме того, лопасти винтов

вертолетов, кованые детали двигателей, рамы, двери, для которых

требуется высокая пластичность в холодном и горячем

состояниях.

Высокопрочные сплавы. Предел прочности этих сплавов

достигает 550—700 МПа, но при меньшей пластичности, чем у

дура-люминов. Представителем высокопрочных алюминиевых

сплавов является сплав В95 (см. табл. 34).

Упрочняющими фазами в сплавах являются MgZn

, Т-фаза

(Al

) и S-фаза (Al

CuMg). При увеличении содержания

цинка и магния прочность сплавов повышается, а их пластичность

и корро ионная стойкость п нижаются. Добавки марганца и

хрома улучшают коррозионную стойкость. Сплавы закаливают

от 460—470 °С (с охлаждением в холодной или горячей

подвергают искусственному старению при 135—145 ° 16 ч. По

сравнению

G дуралюмином эти сплавы обладают большой

чувствительностью к концентраторам напряжений и

пон

кор я

ле о ты В95

с и е

6 и

состоянии (подмоторные рамы,

фит

нд яж х

и )

°С 6—

ные сплавы. Эти сплавы (см. табл. 34) используют

для и 0 п

;

рочные сплавы имеют

бол

, п

ржанию меди, а также марганца и титана, замед-

394

розионной стойкостью под напр жением. У них меньше, чем

у дуралюмина, предел выносливости (σ

-1

) и вязкость разрушения

(К

1с

≅ 25 МПа·м

1/2

). Профили из сплава В95 значительн прочнее

листов. Это результат пресс-эффекта, который обусловлен

присутствием в сплаве марганца и хрома.

Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем

состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном

состоянии пос тжига. Лис из сплава плакируют

сплавом алюминия 0,9—1,3 % Zn для повышения

коррозионной стойкости. Сплав В95 хорошо обрабатывается

резанием и вар вается точечной сваркой, го применяют в

самолетостроении для нагруженных конструкций, работающих

длительное время при t

≤ 100÷120

C (обшивка, стрингеры,

шпангоуты, лонжероны; силовые каркасы строительных

сооружений и т. д.). Сплав В95 рекомендуется для сжатых зон

конструкции и для деталей без концентраторов напряжений.

Сплавы для ковки и штамповки. Сплавы этого типа

отличаются высокой пластичностью и удовлетворительными

литейными свойствами, позволяющими получить качественные

слитки.

Сплав АК (см. табл. 34) спользуют для деталей сложной

формы и средней прочности, изготовление которых требует

высокой пластичности в горячем

инги, крепежные детали, крыльчатки и т. д.). Сплав АК8

рекоме уется для т елонагруженны штампованных деталей

(подмоторные рамы, стыковые узлы, пояса лонжеронов, лопасти

винтов вертолета т. д. . Сплав АК8

менее технологичен,

чем сплав АК6.

Ковку штамповку сплавов проводят при температуре 450—

475 °С. Их подвергают закалке и старению при 150—165

ч. Упрочняющими фазами при старении являются соединения

Si, CuAl

и ω-фаза (Al

). Сплавы АК6 и АК8 хорошо

обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются

контактной и аргонодуговой сваркой. Сплавы склонны к

коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии.

Жаропроч

деталей, работающих пр температуре до 30 °С ( оршни,

головки цилиндров, крыльчатки, лопатки и диски осевых

компрессоров турбореактивных двигателей обшивка

сверхзвуковых самолетов и т. д.). Жароп

ее сложный химический состав, чем рассмотренные выше

алюминиевые сплавы. Их дополнительно легируют железом,

никелем и титаном.

Фазами — упрочнителями жаропрочных сплавов являются θ-

фаза (CuAl

), S-фаза (Al

CuMg), фазы Al

Cu, а также Al

FeNi и

Ni. При частичном распаде твердого раствора они

выделяются в виде дисперсных частиц, устойчивых к

коагуляции что обеспечивает овышенную жаропрочность.

Высокая жаропрочность сплава Д20 достигается благодаря

высокому соде

ляющих диффузионные процессы. Кроме того, титан задерживает

процесс рекристаллизации. Сплавы АК4-1 закаливают при 530 °С

в хо одной или горячей воде и подвергают старению при

200°С

Д У

. и В

дого

рас и д

д ж

го раствора. Магний

сил

яет сплав и

спо

и а

МА

создаваемое

наг

м ,

выс

5. ЕФОРМИР ЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ, НЕ

УПРОЧНЯЕМЫЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКОЙ

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с

марганцем или с магнием (см. табл. 35). Упрочнение сплавов

достигается в результате образования твердого раствора и в

меньшей степени избыточных фаз.

Сплав АМц представляет α-твердый раствор марганца в

алюминии, в котором также имеются в небольшом количестве

частицы соединения А1

Мп Сплавы т па АМГ равновесном

состоянии после охлаждения двухфазные α + β (Al

) (рис.

185, α). Однако вследствие высокой устойчивости твер

твора и малой скорост диффузии магния в алюминии, аже

после медленного охлаждения, они не со ер ат избыточных фаз и

состоят только

из α-твердо

ьно повышает прочность сплавов

(см. рис. 1 5, б). До 12—14 % Mg

пластичность изменяется мало, а

затем резко падает. Сплавы

А1—Mg добавочно легируют

марганцем (см. табл. 35), который,

образуя дисперсные частицы

А1

Мn, упрочн

собствует измельчению зерна.

Эффект от закалки и старения

сплавов АМг и АМц невелик, и их

применяют в отожженном состоянии.

Отжиг сплавов АМц и АМг2

проводят пр 350—410 °С, спл ва

АМг3 — при 270—280 °С и сплава

Мг5 — при 310—335 °С,

охлаждение на воздухе.

Повышение прочности при

некотором уменьшении

пластичности изделий простой

формы (листы, плиты) достигается

нагартовкой (см. табл. 35).

Упрочнение,

артовкой, снимается в зоне

сварки.

Сплавы легк обрабатываются

давлением (шта повка гибка и т.

д.), хорошо свариваются и обладают

окой коррозионной стойкостью.

Обработка резанием

затруднена. Сплавы применяют для сварных и клепаны

элементов конструкций, испытывающих небольшие нагрузки

требующие высокого сопротивления коррозии. Например, сплав

АМц

, АМг2, АМг3 нашли применение при изготовлении емкостей

для жидкости бных

надстро ажи,

перегор

Для з т

в,

ов, корпуса и мачты судов и

к образованию горячих трещин и пористости в

еханическими свойствами,

твами обладают сплавы,

к в тику. Эвтектика образуется во

ание легирующих элементов

пр аст в алюминии. В связи с этим

в литейных сплавах выше, чем

е сплавы А1—Si, ΑΙ—Сu, ΑΙ—

аб

полнительно легируют небольшим

, марганца, никеля, хрома (А1—

и следовательно, улучшения

вводят модифицирующие

тав и механические свойства

о й иния приведены в табл. 36.

иевых сплавов подвергают

ости от характера отливки и

й один из видов термической

х ниже.

вное обозначение Т1) при (175

течение 5— едварительной закалки. При

х (А 5, АЛЗ) в сырую песчаную

частичная закалка, поэтому

п ает обработку резанием.

г (Т2) при ечение 5—10 ч.

Охлаждение

п д применяют для снятия

ых напряжений, а также остаточных напряжений,

в боткой. О

ТЖИР несколько

рение (ТЗ, Т4). Температура

Л1, АЛ7 и 535—545 °С для

(баки для бензина), трубопроводов, палу

ек, морских и речных судов, в строительстве (витр

одки, двери, оконные рамы и т. д

средненагруженных деталей и конструкций исполь ую

сплавы АМг5 и АМг6 (рамы и кузова вагонов, подвесны

нагруженные потолки, перегородки здания и переборки судо

лифты, узлы подъемных кран

др.).

6. ЛИТЕЙНЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Сплавы для фасонного литья должны обладать высоко

жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, мало

склонностью

сочетании с хорошими м

сопротивлением коррозии и др.

Высокими литейными свойс

содержащие в своей стру туре э тек

многих сплавах, в которых содерж

больше едельной р воримости

содержание легирующих элементов

в деформируемых. Чащ применяют

Mg (т л. 36),

которые до

количеством меди и магния (А1—Si)

Сu). Для змельчения зерна, а

механических свойств в сплавы

добавки: Ti, Zr, В, V

И др. Сос

некот рых лите ных сплавов алюм

Многие отливки из алюмин

термической обработке. В зависим

услови ее работы используют

обработки, приведенны

1. Искусственное старение (усло

± 5) °С в 20 ч без пр

литье многи сплавов Л4, АЛ

форму или в кокиль происходит

старение повышает рочность и улучш

2. Отжи 300 °С в т

при отжиге роводят на воз ухе. Отжиг

литейн

ызванных механической обра

повышает пластичность.

3. Закалка и естественное ста

закалки 510—520 °С для еплавов А

396

п с

з с

3—5 ч. Старение при повышенной температуре по сравнению

397

плавов АЛ4, АЛ9, АЛ19 и др. Так как после закалки отливки

ыдерживают достаточно длительное время при нормальной

емпературе, режим (ТЗ) практически соответствует закалке и

стественному старению (Т4).

4. Закалка и кратковременное (2—3 ч) искусственное старение

бычно при 150—175 °С (Т5). При данной температуре и

родолжительности процес старения полностью не

аканчивается, поэтому по ле такой обработки отливки

риобретают высокую прочность при сохранении повышенной

ластичности.

5. Закалка и полное искусственное старение (Т6) при 200 °С

с реж мом Т5 придает наибольшую

прочность, но пластичность снижает.

Закалка и стабилизирующий

для

сплава АЛ 19 в течение 3—10

Этот вид обработки используют д

стабилизации структуры и

объемных изменений отливки при

сохранении достаточной

прочности. Закалка и смягчающий

отпуск (Т8) при

240—260 °С в

течение 3—5 ч. Высокая

температура отпуска заметно

снижает прочность, но повышает

пластичность и стабильность

размеров.

Сплавы Al—Si. Эти сплавы (см.

табл. 36), получившие название силумины, близки по составу к

эвтектическому сплаву (рис. 186, а) и потому отличаются

высокими литейными свойствами, а отливки — большой плотностью.

Наиболее распространен сплав, содержащий 10—13 % Si (АЛ2),

обладающий высокой коррозионной стойкостью. Сплав АЛ2 содержит

в структуре эвтектику α + β и нередко первичные кристаллы кремния

(см. рис. 187, а). Кремний при затвердении эвтектики выделяется в

виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль

внутренних надрезов в пластичном α-твердом растворе. Такая

структура обладает

низкими механическими свойствами (см. рис.

186).

Для измельчения структуры эвтектики и устранения избыточных

кристаллов кремния силумины модифицируют натрием (0,05—0,08

%) путем присадки к расплаву смеси солей 67 % NaF и 33 % NaCl. В

присутствии натрия происходит смещение линий диаграммы

состояния (см. рис. 186, а) и заэвтектический (эвтектический) сплав

АЛ2 (11—13 % Si) становится доэвтектическим. В этом случае в

структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы

α-раствора (рис. 187, б). Эвтектика приобретает более тонкое

строение и состоит из мелких кристаллов β-(Si) и α-твердого

раствора. В процессе затвердевания кристаллы

398

отпуск (Т7) при 230 °С для сплавов

АЛ9, АЛ5, АЛ1 и при 250 °С

ч.

ля

кремния обволакиваются пленкой силицида натрия Na

Si, которая

затрудняет их рост. Такие изменения структуры улучшают

механические свойства сплава (см. рис. 186, б). Сплав АЛ2 не

подвергают упрочняющей термической обработке. Доэвтекти-ческие

сплавы АЛ4 и АЛ9 (см. табл. 36), доп ительно легирован е магнием

ирования терми еской обработкой

олн ны ,

могут упрочняться кроме модифиц ч .

Упрочняющей фазой служит M

магния и меди могут образоваться ф

Средненагруженные детали и о

искусственному старению (Т1), а к а

компрессоров, картеры и блоки

закалке и искусственному старен

требующие повышенной пластично я

повышения прочности — закал а

высокая пластичность и стабил и

проводят отпуск при 250 °С в теч

Сплавы Аl—Si сравнительно з .

Заварку дефектов можно производи .

Сплавы Аl—Cu. Эти сплавы й

обработки имеют высокие механи и

повышенных температурах и х .

Литейные свойства сплавов низк ост к

обр я

Si. При одновременном введени

азы CuAl

и W(Al

з сплава АЛ4 подвергают тольк

рупные нагруженные детали (корпус

цилиндров двигателей и т. д.) —

ию (Т6). Отливки из сплава АЛ9,

сти, подвергают закалке (Т4), а дл

ке и старению (Т6). Когда важн

ьность размеров, после закалк

ение 3— 5 ч.

легко обрабатываются ре анием

ть газовой и аргонодуговой сваркой

(АЛ7, АЛ19) после термическо

ческие свойства при нормальной

орошо обрабатываются резанием

ие (большая усадка, склонн ь

азованию горячих трещин и т. д.). Сплав АЛ7 используют дл

отливки небольших деталей простой формы (арматура, кронштейн и

д.). Сплав склонен к хрупкому разрушению вслед-

399

ствие выделения по границам зерен грубых частиц CuAl

Fe (см. рис. 183, а) поэтому его применяют в закаленном

состоянии (Т4), когда эти соединения переведены в твердый раствор.

Если от отливок требуется повышенная прочность, то их

после закалки подвергают искусственному старению при 150 °С

2—4 ч (Т5).

В сплаве АЛ19 кроме CuAl

образуются фазы Al

Cu и

Ti, располагающиеся по границам зерен твердого раствора.

Присутствие в твердом растворе марганца и образование по

границам интерметаллидных фаз повышает жаропрочность сплава.

Титан измельчает зерно.

Упрочнение сплава достигается закалкой и старением при

175 °С 3—5 ч (Т5, Т6). Сплавы Аl—Сu малоустойчивы против

коррозии, поэтому отливки обычно анодируют.

Сплавы Аl—Mg. Сплавы алюминия с магнием (см. табл. 36)

имеют низкие литейные свойства, так как не содержат эвтектики.

Характерной особенностью этих сплавов является хорошая

коррозионная стойкость, повышенные механические свойства и

обрабатываемость резанием. Добавление к сплаву (9,5—11,5 % Мо)

модифицирующих присадок (Ti, Zr) улучшает механические

свойства, а бериллия — уменьшает окисляемость расплава, что

позволяет вести

плавку без защитных флюсов.

19 АЛЗЗ

300

100

МПа................................. 30 45 65 90

400

Сплавы АЛ8 и АЛ27 предназначены для отливок, работающих

во влажной атмосфере, например в судостроении и авиации.

Структура сплавов (см. рис. 185, а) состоит из α-твердого

раствора и грубых включений частиц Al

, которые

располагаются по границам зерен, охрупчивая сплав. В связи с

этим сплавы АЛ8 и АЛ27 применяют после закалки от 430 °С с

охлаждением в масле (40—50 °С) и выдерживают при

температуре закалки в течение 12—20 ч, что обеспечивает

растворение частиц Al

α вердом раств ре и получение

после закалки однородного твердого раствора. Добавление к

сплавам Аl—Mg до 1,5 % Si (сплавы АЛ13, АЛ22) улучшает

литейные свойства в результате образования тройной эвтектики.

Сплавы применяют в судостроении и авиации.

Жаропрочные сплавы. Наибольшее применение получил

сплав АЛ1, из которого изготовляют поршни, головки

цилиндров и другие детали, работающие при температуре 275—

С 1

в -т о

300 °С. труктура литого сплава АЛ состоит из α-твердого

раствора, содержащего Cu, Mg и Ni и избыточных фаз Al

CuMg и

примен а

Ni. Отливки яют после зак лки и

кратковременного старения при 175 °С (Т5); поршни

подвергают закалке и старению при 200 °C (Т7). При закалке S-

фаза растворяется в α-твердом растворе.

Более жаропрочны сплавы АЛЗЗ и АЛ19. Ниже приведена

длительная прочность жаропрочных алюминиевых сплавов:

Сплав ..................................... АЛ7 АЛ1 АЛ