Мальцев М.В. Металлография промышленных цветных металлов и сплавов
Подождите немного. Документ загружается.
рение применяется лишь в случаях работы сплавов при повы
шенных температурах.
Более полное изменение характеристик прочности при есте
ственном старении на примере сплава Д1 приведено на рис. 33.
Процесс естественного старе
ния, как и все другие процессы в
сплавах, протекает во времени и
сопровождается приростом проч
ности. Наиболее интенсивное уп
рочнение происходит в первые
сутки после закалки и практиче
ски полностью заканчивается в
течение 4—5 суток.
Незначительное повышение
температуры (до 35—40° С уско
ряет процесс естественного ста
рения, понижение (до нуля и ни
же) замедляет старение. По
следнее обстоятельство часто ис
пользуется для более длительного
сохранения материала в пластич
ном состоянии после закалки на
пример, хранение заклепок в кон
тейнерах с сухим льдом)
При повышенных температу
рах в естественно состаренном
сплаве наблюдается заметное
снижение предела прочности, пре
дела текучести и твердости, кото
рое особенно резко проявляется в
случае кратковременного нагрева
при 200° С и выше.
Состаренный при комнатной
температуре дюралюминий по
своим свойствам возвращается к
исходному свежезакаленному со
стоянию, что позволило назвать
это явление «возвратом».
По-видимому, при возврате
происходит разрушение зон
Гинье — Престона и восстанав
ливается нормальное расположение атомов в решетке твердого
раствора, свойственное закаленному состоянию.
При увеличении продолжительности нагрева отмечается не
которое упрочнение сплава, что связано с частичным распадом
твердого раствора.
Опыты показывают, что после кратковременного нагрева при
оптимальной температуре возврата и последующей закалки
70
60
О 1221* Ь6 96
Старение и
Рис. 33. Изменение механических
свойств дюралюминия Д1 в зави
симости от времени старения при
низкой температуре [41]
71
происходит нормальный процесс старения. Этот процесс можно
повторить многократно [49]; после каждой новой обработки на
возврат имеют место необратимые процессы распада, сказы
вающиеся в меньшем возврате и некотором снижении упрочнения
после естественного старения. Кроме этого, вследствие гетероге-
низации твердого раствора ухудшается коррозионная стойкость
сплавов.
В практике для восстановления пластических свойств дюралю
миния при некоторых технологических операциях пользуются
обработкой «на возврат» ков
ке, холодной штамповке, клеп
ке и др.) Детали из твердого
и прочного дюралюминия вме
сто перезакалки переводят в
6ь,кГ/пмг
50
Упрочнитель
30
4,0 4,5 5,0 5,5 6,0
Си, 7с
0,25 0J50,751,01,25
Мд,% ^
Рис. 34. Влияние меди и магния на
прочность дюралюминия в естест
венно состаренном состоянии [41]
Рис. 35. Изменение прочности дюр
алюминия в зависимости от соот
ношения меди и магния (при по
стоянном содержании Си + Mg>
равном 5% [49]
«мягкое» состояние состояние твердого раствора путем крат
ковременного нагрева при пониженных температурах (для Д1 и
Д16 при 250° С в течение 30—40 сек
Рассмотрим некоторые данные, касающиеся прочности дюр
алюминия. На прочность закаленных и состаренных сплавов су
щественное влияние оказывает их состав. С изменением
содержания основных легирующих добавок меди и магния
а также примесей железа и кремния) резко изменяется эффект
старения сплавов. Влияние меди и магния на прочность дюр
алюминия в естественно состаренном состоянии показано на
рис. 34.
Увеличение содержания меди и особенно магния приводит к
резкому упрочнению сплава. Изменение соотношения между
медью и магнием отражается на прочности и пластичности спла-
72
bob , а также на разупрочнении их при повышенных температу
рах. Изменение прочности дюралюминия в зависимости от соот
ношения меди и магния показано на
рис. 35. ДНВ, кГ/мм*
Наиболее пластичным и менее жа 28
ропрочным является заклепочный дю
ралюминий В65 (отношение Cu Mg =
= 19), где основной упрочняющей
фазой является СиАЬ.
Наиболее жаропрочным и менее
пластичным является дюралюминий
марок Д16, Д19 и ВД17 (отношение
Cu Mg = 2,7 -т- 1,3) с основной уп
рочняющей фазой S Al2CuMg)
Дюралюминий марок Д18, Д1 от
ношение Cu Mg = 7,4 -т- 6) занимает
промежуточное положение.
Загрязнение сплава железом умень
шает эффект старения. Влияние же
леза на естественное старение на при
мере двойного алюминиевого сплава с
4% Си показано на рис. 36.
Такое действие железа является следствием образования
почти нерастворимого в алюминии тройного соединения AlFeCu
в присутствии марган
- Общее
содержание
Си 6 спл аде
О 0,5 1,0 1,5 fe,%
Рис. 36. Влияние железа
на эффект естественного
старения сплавов алюми
ния с 4% Си [49]
ца четверного соедине
ния AlFeCuMn Чем
больше железа в спла
ве, тем меньше образу
ется растворимого сое
динения СиАЬ, от кото
рого зависит упрочне
ние при термической
обработке.
Распределение меди
в растворимых и не
растворимых соедине
ниях в зависимости ог
содержания железа по
казано на рис. 37 При
садка магния уже в не
больших количествах
придает сплаву способность стареть при комнатной температу
ре, несмотря на наличие в сплаве примеси железа. Чем больше
в сплаве магния, тем в меньшей степени проявляется вредное
влияние железа. При 4% Си и 1,5% Mg образуется только соеди
нение AbCuMg (S-фаза В этом случае вся медь участвует в
упрочнении при термической обработке, а железо не ухудшает
Си
6 нерастворимом
соединении
Си% Fe AI j)
Си
в растворимом
соединении
О 0,15 0,30 O tfW 0,75 0,901,05 ( СиА1г )
Содержание те лез а %
Рис. 37 Распределение меди в растворимых и
нерастворимых соединениях в зависимости от
содержания железа (в алюминиевомедном
сплаве с 4,5% Си) [50]
73
способности к старению, так как в основном находится в тройном
соединении a (AlFeSi), а в присутствии марганца в виде чет
верного соединения AlFeMnS». При содержании кремния как
примеси в небольших количествах (до 0,3—0,4%), последний,
по-видимому, находится в связанном состоянии в форме соеди
нения a(AlFeSi)
Прочность дюралюминия, как и других алюминиевых спла
вов, можно несколько повысить за счет незначительной нагар-
товки при степенях деформации 3—5%) Такая нагартовка
создается для листовых материалов путем правки их с некото
рой вытяжкой на специальных многовалковых правильных ма
шинах, для профилей и прутков путем вытяжки.
Максимальное упрочнение наблюдается после нагартовки
материала, прошедшего полностью естественное старение.
В заключение отметим, что дюралюминий по сравнению с
ранее рассмотренными сплавами АМг и АМц обладает меньшей
коррозионной стойкостью.
Для повышения сопротивления коррозии дюралюминиевые
листы покрывают (плакируют) тонким слоем чистого алюминия.
Обычно этот слой составляет 30—40 мкм на сторону
Сплавы типа дюралюминий в виде различных изделий и по
луфабрикатов (поковки, плиты, полосы, ленты, трубы, прутки,
профили и т д.) являются важнейшими конструкционными
материалами в современном машиностроении и жилищном
строительстве.
Сплавы алюминия
с магнием и кремнием (авиали)
Сплавы алюминия с магнием и кремнием, известные в техни
ке под названием «авиали», имеют достаточно широкое про
мышленное применение. Состав сплавов и основные физико
механические свойства приведены в табл. 9 и 10.
Учитывая, что основная часть меди, вводимой в сплавы в
небольших количествах, находится в твердом растворе, а мар
ганец в связанном состоянии в виде соединения МпА16 (возмож
но в виде соединения AlMg
2Mn эти сплавы можно условно
отнести к тройной системе Al Mg Si (см. рис. 15, 16)
Промышленные сплавы типа авиалей по своему составу
лежат вблизи квазибинарного разреза Al Mg2Si и характери
зуются некоторым избытком кремния против теоретически необ
ходимого для образования соединения Mg2Si. Последнее обу
словлено тем, что при избытке кремния достигается более
благоприятное сочетание прочности и пластичности сплавов.
Согласно диаграмме состояния (см. рис. 15), при охлаждении
происходит распад твердого раствора с образованием фазы
Mg2Si и сплав принимает гетерогенное строение. Наряду с об
разованием силицида магния возможно также в небольших
74
количествах выделение фаз СиА12 и МпА1б. Типичная структура
литого сплава авиаль дана на рис. 40 атласа.
Основным упрочнителем в этих сплавах является фаза Mg2Si
о
(с кубической решеткой и периодом а = 6,39 А) с высокой
прочностью и твердостью. Наличие переменной растворимости
этой фазы в алюминии (см. рис. 15) обеспечивает возможность
упрочнения сплавов термической обработкой (закалкой и
старением)
Однако в отличие от алюминиевомедных сплавов и сплавов
типа дюралюминий в этих сплавах естественное старение проте
кает медленно. Распад заметно наблюдается только при нагреве
сплава до температур 140— 160° С, при которых обычно и про
водят искусственное старение сплавов авиаль после их закалки
с температуры 515—525° С.
Структура искусственно состаренного сплава показана на
рис. 41 атласа.
Микроструктура отожженного сплава отличается от преды
дущей более крупными выделениями фазы Mg2Si вследствие
коагуляции частиц при нагреве до 350—400° С (температуре
отжига сплавов)
Первоначально сплавы типа авиаль содержали в своем со
ставе только магний и кремний. В дальнейшем для дополнитель
ного их упрочнения было предложено [41] вводить в небольших
количествах медь (0,2—0,6%) и марганец (0,15—0,45%) Из
этих добавок наиболее сильное влияние на прочностные пока
затели оказывает марганец. Особенно резко его влияние прояв
ляется на прессованных материалах.
Такое упрочняющее действие марганца на свойства прессо
ванных изделий объясняется своеобразным поведением марган
ца, который затрудняет процессы рекристаллизации при нагреве
и тем самым способствует сохранению текстуры деформа
ции. Это явление в практике известно под названием пресс-
эффекта.
При наличии пресс-эффекта наряду с общим упрочнением
сплава наблюдается (вследствие текстуры резкое проявление
анизотропии в свойствах между продольным и поперечным на
правлениями.
Более низкие температуры закалки благоприятствуют сохра
нению текстуры деформации. Поэтому максимум упрочнения
прессованных полуфабрикатов из сплава авиаль, содержащего
марганец (или хром) имеет место при закалке с температуры
490—510° С.
Все факторы, способствующие перестройке деформированной
структуры, будут уменьшать или полностью подавлять пресс-
эффект Медь в количествах до 0,6% вызывает незначительное
упрочнение и способствует заметному повышению пластичности
сплава рис. 38
75
Введение меди в сплав облегчает процессы рекристаллизации
при термической обработке, что приводит к снижению пресс-
эффекта и изотропности свойств.
Комбинированные добавки меди с марганцем дают заметное
упрочнение, но эффект этого упрочнения меньше по сравнению
с введением одного марганца см рис. 38 Последнее объяс
няется действием меди на рекри
сталлизацию сплавов как фактора,
снижающего пресс-эффект
Сплав авиаль отличается высо
кой коррозионной стойкостью.
Однако коррозионная стойкость
сплавов Al Si Mg в значитель
ной степени зависит от уровня кон
центрации кремния и от соотноше
ния между содержанием магния и
кремния Наиболее высокой корро
зионной стойкостью обладают спла
вы, лежащие на квазибинарном раз
резе Al Mg2Si.
При появлении в структуре из
быточного кремния коррозионная
стойкость резко снижается. Корро
зионная стойкость также снижается
при добавлении меди. Учитывая это,
за последние годы созданы специ
альные коррозионностойкие сплавы
системы Al Mg Si под марка
ми АД31, АД33, АД35.
Эти сплавы обладают высокой
коррозионной стойкостью против об
щей и межкристаллитной коррозии. Некоторые данные, характе
ризующие их коррозионную стойкость, приведены в табл. 13.
Сплавы АД31 АДЗЗ и АД35 упрочняются термической обра
боткой. Закалка с температуры 520 ± 5° С, охлаждение в воде с
комнатной температурой (АД31, АДЗЗ), искусственное старение
при 160° С в течение 12 ч (АД31 и 16 ч (АДЗЗ Упрочнение
сплавов при естественном старении в основном заканчивается в.
первые двое суток. Наиболее высокие прочностные характеристи
ки сплавы АД31, АДЗЗ и АД35 приобретают после искусственно
го старения см. табл. 10) Сплав АД31 хорошо полируется и
является прекрасным декоративным материалом.
Из сплавов АВ и его аналогов АД31, АДЗЗ и АД35 изготов
ляют листы, трубы, прутки, профили и другие полуфабрикаты,
которые применяют для лопастей вертолетов, рам и кузовов,
сварных баков, подвесных нагруженных потолков, перегородок
зданий и переборок судов, корпусов электромоторов, трубопро
водов, корпусов судов и др.
О 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6% Си,tin
0 0,2 0,4 0,6% Си
0 0,1 0,2 0,3% Пп
Рис. 38. Влияние меди и марган
ца на механические свойства
сплава АВ [41]
76
Коррозионная стойкость прессованных полуфабрикатов
из сплавов АД31 АДЗЗ, АД35 и А15
Таблица 13
Механические свойства
Потери
Сплав
Состояние материала
до коррозии
после
коррозии
механических
свойств в
результате
коррозии
°Ь
к Г мм2
5
%
°Ь
кГ/мм2
%
Да.
»/
/0
%
АД31
Естественно состаренный
Искусственно состаренный
16 3
23 6
16 5
12 5
16 3
23 6
16 5
12 5
0
0
0
0
АДЗЗ
Естественно состаренный
Искусственно состаренный
26 2
30 4
25 8
17 3
26 2
30 1
25 5
16 8
0
0 9
1 1
2 3
АВ
Естественно состаренный
Искусственно состаренный
22 7
32 3
28 9
14 4
25 16
29 7
27 3
5 7
0
8
5 5
60 5
АД35
Естественно состаренный
Искусственно состаренный
32,2
40 7
18 9
13,3
94,1
40 4
17 9
И 3
0
0 7
4 5
15,3
Сплавы алюминия с магнием, кремнием и медью
Сплавы данной группы АК6, АК6-1 и их аналог АК8 явля
ются до некоторой степени улучшенными сплавами типа авиаль
и отличаются от них более высоким содержанием меди и мар
ганца 1
Введение меди позволяет повысить предел прочности и осо
бенно предел текучести сплавов при сохранении достаточно
хорошей их пластичности см. табл. 10 Повышение содержа
ния марганца объясняется его благоприятным влиянием на
измельчение зерна при рекристаллизации, некоторым упрочняю
щим воздействием при закалке и расширением верхнего предела
температуры закалки [40].
Характерной особенностью сплавов данного типа являются их
повышенные литейные качества по-видимому, из-за присутствия
кремния) и хорошая способность к пластической деформации.
Из данных сплавов можно сравнительно легко получить круп
ные слитки и затем изготовлять поковки и штамповки сложных
форм и больших габаритов. Последнее в основном и предопреде
лило широкое применение сплавов для крупных поковок и штам
повок весом до 1 1,5 т
Для подавления крупнозернистости и зональности в строении
слитков и для обеспечения большей равномерности свойств в
1 Сплав АК8 часто называют супердюралюминием, рассматривая его как
улучшенный сплав системы Al—Mg—Си. Однако, как будет далее показано,
по своей структуре, упрочняющим фазам и свойствам данный сплав имеет боль
ше общих черт со сплавом АК6 и авиалями, чем с дюралюминием. Поэтому
более правильно сплав АК6 относить к системе Al—Mg—Si—Си.
77
крупных поковках было предложено [51] вводить в сплав АК6
до 0,1% Ti (сплав АК6-1)
Основными упрочнителями сплавов в отличие от дюралюми
ния и авиалей являются фазы Mg2Si и СиА12. Фаза S обычно
присутствует в ничтожных количествах и существенного влияния
на упрочнение сплавов не оказывает
Установлено, что при соотношении Mg Si ^ 1,73 магний
практически целиком связывается в соединение Mg2Si и фаза S
не образуется.
На рис. 42 атласа показана микроструктура литого сплава
АК8, где хорошо видны упрочняющие фазы.
Изделия из сплавов АК6 и АК8 применяются в термически
обработанном состоянии (после закалки и отпуска Наибольший
эффект упрочнения наблюдается при искусственном старении
при температуре 150— 160° С в течение 12— 15 ч. Микроструктура
искусственно состаренного сплава показана на рис. 43 атласа.
В заключение отметим, что сплавы АК6 и АК8 склонны к
межкристаллитной коррозии, поэтому рекомендуются для изго
товления деталей и изделий, обладающих достаточной толщиной
стенки. Защита изделий от коррозии достигается нанесением
оксидной пленки путем анодной поляризации.
Жаропрочные деформируемые алюминиевые сплавы
Ряд деталей и элементов конструкций, изготовленных из
алюминиевых сплавов, подвергается в работе длительному или.
кратковременному воздействию повышенных температур (поряд
ка 200—300° С и даже 350° С) В этом случае от материала
требуется не только высокая механическая прочность при ком
натной и повышенных температурах, но и достаточная длитель
ная прочность жаропрочность)
Помимо указанных выше основных требований, к материа
лам, работающим при высоких температурах, в зависимости от
условий работы предъявляется ряд других специфических тре
бований стойкость против окисления, высокая теплопровод
ность, малые изменения линейных размеров, высокая коррозион
ная и эрозионная стойкость и т д.
Основные принципы легирования жаропрочных сплавов
впервые наиболее полно были сформулированы А. А. Бочваром
[52]. Позднее они получили дальнейшее развитие в работах
[53—58 и др.]. Основываясь на этих принципах, в настоящее вре
мя создан ряд марок промышленных алюминиевых жаропроч
ных сплавов (АК2, АК4, АК4-1, Д20, Д21), состав которых и
их основные физико-механические свойства приведены в
табл. 9, 10 и 12.
Жаропрочные сплавы обычно имеют сложный химический
состав и содержат в отличие от других алюминиевых сплавов в
78
качестве специальных присадок железо, никель (АК2, АК4>
АК4-1) марганец, титан (Д20, Д21)
Высокая жаропрочность всех этих сплавов в основном опре
деляется повышенной прочностью и твердостью различных со
ставляющих (железоникелевой, марганцовистой, титановой и
др.), образующихся в сплавах, и их слабым разупрочнением при
повышении температуры. Кроме этого, некоторые из указанных
составляющих железоникелевая, марганцовистая) практически
не растворяются в алюминии и они придают структуре сплавов
высокую прочность и сопротивляемость ползучести при повышен
ных температурах.
Первый из сплавов этой группы сплав АК2 если исклю
чить железо и никель) по составу близок к обычному дюр
алюминию, поэтому основную роль в упрочнении при старении
будет играть фаза СиА12, а при повышенном содержании магния
и кремния также фазы S и Mg2Si. Никель и железо в этом
сплаве находятся в форме нерастворимого соединения FeNiAfo
и как всякая твердая составляющая способствуют дополнитель
ному повышению прочности Микроструктура сплава показана
на рис. 44 и 45 атласа.
Родственный сплаву АК2 жаропрочный сплав АК4 содержит
меньше меди и никеля и повышенные количества магния, железа
и кремния.
Основными упрочняющими фазами в этом сплаве являются
фазы S и Mg2Si и железоникелевая составляющая. Понижение
содержания никеля и сохранение соотношения между ним и же
лезом 1 1 позволяют полнее использовать упрочняющее дей
ствие основных легирующих элементов, меди и магния. Как было
показано в работе [59], при этом соотношении железо и никель
полностью связываются в соединении FeNiAlg и исключается
образование фаз AlNiCu и Al7Cu2Fe, которые переводят часть
меди в нерастворимое состояние и уменьшают количество S-фа-
зы, играющей важную роль в процессах упрочнения сплавов при
повышенных температурах.
По жаропрочности сплав АК4 стоит выше сплава АК2 и
характеризуется меньшим «ростом» увеличением объема в
процессе работы деталей при повышенных температурах по
сравнению с АК2.
Сплав АК4-1 является аналогом сплава АК4 и отличается от
него строго регламентированным содержанием кремния и при
сутствием в небольших количествах титана. Уменьшение содер
жания кремния сужает интервал кристаллизации сплава,
снижает образование грубых скоплений фазы FeNiAlg и способ
ствует образованию более равномерной структуры [60]. Кроме
этого, в сплавах не образуется силицида магния, снижающего
пластичность сплава и уменьшающего эффект упрочнения при
термической обработке, вследствие частичного связывания маг
ния и уменьшения в сплаве фазы S
79
Титан способствует получению мелкозернистой и равномер
ной структуры в слитках и повышает однородность механических
свойств в изделиях поковках, штамповках и т. д.) Исследова
ния [60] показали, что существенное влияние на структуру и
свойства сплава оказывают примеси марганца. Снижение мар
ганца до 0,05% обеспечивает при горячем деформировании до
статочно полное прохождение процессов рекристаллизации и
способствует уменьшению анизотропии в свойствах. Микрострук
тура сплава показана на рис. 46 и 47 атласа.
6btKr/MM>
55
JOO 150 200 250 300
Температура ‘С
Рис. 39. Механические свойства поко
вок из сплавов АК4-1, АК8, Д20 и Д21
при повышенных температурах после
выдержки в течение 30 мин 157)
Рис. 40. Механические свойства поко
вок из сплавов АК4-1 АК8, Д20 и
Д21 при повышенных температурах
после выдержки 100 ч [57]
Сплав АК4-1 по механическим и технологическим свойствам
является одним из лучших жаропрочных деформируемых мате
риалов на алюминиевой основе.
Все описанные выше жаропрочные сплавы применяются в
термообработанном состоянии. Режимы термообработки даны в
табл. 11
За последние годы были разработаны новые жаропрочные
сплавы Д20 6—7% Си, 0,4—0,8% Мп, 0,1—0,2% Ti, остальное
А1 и Д21 6—7% Си, 0,4—0,8% Мп, 0,1—0,2% Ti, 0,25—0,45%
Mg, остальное Al с повышенным содержанием меди и марган
ца и небольшими добавками титана [61].
За счет увеличения содержания меди, марганца и введения
присадок титана прочность этих сплавов при комнатной темпе
ратуре удается приблизить к прочности высоколегированного
дюралюминия марок Д6, Д16, ВД17, а при повышенных темпе
ратурах (250—300°С значительно превзойти его прочность
(см.табл.12
80