Состав и механические свойства сплавов АМц и АМг

Деформируемые сплавы, упрочняемые тер­мической обработкой, – это сплавы, в состав которых входят медь, магний, цинк, марганец, кремний и др. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы перемен­ной растворимости и ряд химических соединений (CuAl₂; Al₂CuMg; Mg₂Si и др.), что позволяет упрочнять такие спла­вы термической обработкой – закалкой и старением.

Целью закалки является получение структуры однород­ного пересыщенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температуры, при которой избыточные фазы раство­ряются в алюминии. После выдержки охлаждением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора. Сплавы имеют низкую прочность и высокую пластичность.

Старение – распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение (без нагрева) при комнатной температуре называют естественным, с нагре­вом – искусственным. Существует «инкубационный» период, при котором в течение 1 – 2 ч после закалки нет заметного упрочнения и повышения твердости. Сплавы сохраняют пластичность, позволяющую подвергать их холодной обра­ботке давлением (правке, гибке, клепке и т. п.).

Медь – основной компонент в сплавах этой группы, поэтому процессы старения целесообразно рассмотреть на примере простой системы «алюминий – медь». Растворимость меди в алюминии переменная: от 0,2 (0°С) до 5 % (548°С), а ее содержание в сплавах – 2,5 – 4,5 %. Следовательно, структура таких сплавов – a-твердый раствор и кристаллы CuAl₂.

При естественном старении (ниже 100°С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной в не­сколько атомных слоев – зоны Гинье-Престона (ГП). Эти зоны рав­номерно распределены в каждом кристалле твердого раство­ра и в прилегающих областях вызывают значительное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упроч­нения сплава.

Процесс естественного старения состоит только в обра­зовании зон ГП, скорость возникновения которых постепенно уменьшается, и по истечении четырех – семи суток старение заканчи­вается. Распада твердого раствора и образования новых фаз не происходит. Сплав приобретает максимальную прочность, сохраняющуюся в дальнейшем постоянной.

После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хруп­кому разрушению.

Если сплав после естественного старения кратковременно быстро нагреть до 230 – 270°С и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на воз­врат».

При нагреве зоны ГП растворяются в твердом раст­воре, атомы меди и других компонентов равномерно распре­деляются в пределах кристаллов твердого раствора, искаже­ния решетки устраняются. После «инкубационного» периода процесс естественного старения по­вторяется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».

С повышением температуры (100 – 150°С) при искус­ственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются и в них увеличивается концентрация меди.

Нагрев до 150 – 200°С и выдержка в несколько часов приво­дят к образованию в местах зон ГП мелкодисперсных частиц CuAl₂, не отделившихся от решетки твердого раствора. По­вышение температуры до 200 – 250°С вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старе­ние связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз – «фазовое» старение.

При более высокой температуре старения в процессе коагуляции образовавшихся фаз прочность и твердость сна­чала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление корро­зии возрастают. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным.

После искусственного старения у боль­шинства сплавов вязкость, сопротивление хрупкому разру­шению и коррозии под напряжением снижаются при воз­растании прочности.

Некоторые сплавы с марганцем, хромом, никелем имеют температуру рекристаллизации выше температуры их горя­чей деформации или температуры закалки, поэтому после закалки и старения у них сохраняется нагартованная структура, что на 30 – 40 % превышает проч­ность. Это явление называется «структурным упрочнением», а для прессованных полуфабрикатов (прутки, профили, тру­бы) –«пресс-эффектом».

Полный отжиг для разупрочнения сплавов проводят при температуре 350 – 450°С с выдержкой в 1 – 2 ч. Скорость охлаждения – не более 30°С/ч. При этом происходят полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуля­ция упрочняющих избыточных фаз. После отжига сплавы имеют низкую прочность, высокую пластичность и сопротивление корро­зии под напряжением.

Дуралюмины – сплавы на основе системы «алю­миний – медь – магний», в которые для повышения коррозионной стойкости и улучшения механи­ческих свойств дополнительно вводят марганец. Структура сплавов в равновесном (отожжен­ном) состоянии: кристаллы твердого раствора и кристаллы CuAl₂, Al₂CuMg – основных упрочняющих фаз. Дуралюмины маркируют буквой «Д» с цифрой, указывающей номер сплава. После цифры часто ставится буква, характеризующая со­стояние сплава: М – мягкий (отожженный), Т – термически обработанный, Н – нагартованный. Дуралюмины хорошо де­формируются в горячем и холодном состоянии. Механические свойства сплава Д16 в отожженном состоянии: s_в = 200 МПа; d = 18 %, НВ50.

Для термического упрочнения сплавов проводят закалку при температуре 490 – 500°С и естественное старение, которое практически заканчивается за пять суток, и свойства стабили­зируются (табл. 3). После старения дуралюмины могут быть подвергнуты дополнительному упрочнению нагартовкой, но при этом значительно снижается их пластичность. Для изделий, которые в процессе эксплуатации могут подвергаться нагреву выше 100 – 150°С, применяют искусственное старение при 190°С в течение 6 – 8 ч. Прессованные полуфабрика­ты из сплавов Д1 и Д16 прочнее катаных вследствие «пресс-эффекта».

Пайка и сварка дуралюминов не создают швов равной прочности с основным металлом, поэтому клепаные соедине­ния более надежны. Для заклепок используются сплавы Д1 и Д18, последний получил название «заклепочный».

Дуралюмины обладают пониженной коррозионной стой­костью, и поэтому листовой и другие виды проката подверга­ют «плакированию», т. е. покрытию слоем чистого алюминия при горячей прокатке. Прессованные профили защищают от коррозии анодной поляризацией (анодированием) с после­дующим лакокрасочным покрытием.

Дуралюмины широко используются в авиастроении для деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности в моторо- и ракетостроении, авто- и вагонострое­нии и т. п.

Высокопрочные сплавы (см. табл. 3) маркируют буквой «В» (В95, В96). Цифры показывают номер сплава. Состав В95 соответствует системе «алюминий – цинк – маг­ний – медь» с добавками марганца и хрома, которые повы­шают коррозионную стойкость и усиливают эффект старения. Структура сплава состоит из a-твердого раствора и фаз: MgZn₂; Al₂CuMg; Al₂Zn₃Mg₃. После закалки (460 – 475°С) и искусственного старения при 120 – 140°С в течение 16 – 24 ч из пересыщенного твердого раствора выделяются тонкодис­персные частицы этих фаз. Сплав приобретает высокую проч­ность при сохранении высокой пластичности. Эти свойства сплав сохраняет при длительном нагреве до 100 – 120°С. Естественное старение для высокопрочных сплавов не про­водят.

Сплав В95 хорошо обрабатывается резанием и сваривается точечной сваркой.

К недостаткам этих сплавов относятся склонность к кор­розии под напряжением и появление трещин под действием знакопеременных нагрузок, а также чувствительность к кон­центраторам напряжения и анизотропия свойств. Сплав В95 применяют для средне- и тяжелонагруженных деталей кон­струкций, работающих в основном в условиях напряжений сжатия.

Таблица 3