Термическая обработка дюралюминия

11.1 Цель работы: ознакомиться со структурой, свойствами, маркировкой и назначением алюминиевых сплавов. Ознакомиться с теорией и практикой термической обработки дюралюминов.

11.2 Задание

11.2.1 По литературным источникам [1,2] изучить сплавы на основе алюминия, диаграмму состояния Al – Cu, маркировку алюминиевых сплавов, их структуру, свойства и назначение. Изучить способы упрочнения алюминиевых сплавов.

11.2.2 Образцы из дюралюминия Д16 подвергнуть термической обработке: закалке и искусственному старению (табл.11.1).

11.2.3 Исследуя режимы старения образцов дюралюминия Д16 выбрать оптимальные режимы.

11.2.4 Ответить на индивидуальный вопрос.

11.2.5 Составить отчет.

11.3 Общие положения

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на две группы – упрочняемые термической обработкой и не упрочняемые. К первой группе относятся сплавы, легированные медью, магнием, цинком и др. Наиболее распространенным представителем этой группы является дюралюминий. Он содержит около 4% Cu и 0,5% Mg. Диаграмма состояния сплава Al – Cu представлена на рис.11.1.

 

548 0C

N

Q

М

Q

М

Рис. 11.1. Диаграмма состояния сплава Al – Cu

 

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку и последующее старение.

Закалка алюминиевых сплавов заключается в нагреве сплава до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до комнатной температуры для получения пересыщенного твердого раствора [2]. Например, температура закалки сплавов системы Al – Cu (рис.11.1) определяется линией, проходящей выше линии предельной растворимости для сплавов, содержащих менее 5,6% Cu (линияMQ) и ниже линии MN (548⁰ С) для сплавов с большим содержанием меди. При нагреве под закалку сплавов, содержащих до 5,6% Cu избыточная фаза CuAl₂ полностью растворится и при последующем быстром охлаждении фиксируется только пересыщенный a-твердый раствор, содержащий столько меди, сколько ее находится в сплаве. Эта структура неравновесна и легирующие элементы стремятся к выделению из твердого раствора. Стремление закаленной структуры перейти в более равновесное состояние реализуется в процессе старения сплава, которое может развиваться как при комнатной температуре (естественное старение), так и при нагреве (искусственное старение).

В результате закалки и последующего старения сплав сильно упрочняется. Пластичность при этом сохраняется довольно высокая. В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава. Распад пересыщенного твердого раствора, в решетке которого атомы меди располагаются статически равномерно, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном старении (20⁰ С) или низкотемпературном искусственном старении (ниже 100-150⁰ С) распад твердого раствора с выделением избыточной фазы не наблюдается; при этих температурах атомы меди перемещаются внутри кристаллической решетки a-твердого раствора на очень малые расстояния и собираются по некоторым плоскостям в двумерные пластинчатые образования или диски – так называемые зоны Гинье-Престона. Если в закаленном состоянии атомы меди более или менее равномерно распределены в кубической решетке алюминия, то концентрация меди в зонах Гинье-Престона существенно выше. Количество же образующихся зон огромно (в 1 см² их число достигает 5 × 10¹⁷). Зоны Гинье-Престона не имеют собственной решетки, а поэтому нет четкой границы между зоной и твердым раствором (матрицей) (они непосредственно переходят друг в друга, между ними существует когерентная связь). Но поскольку размеры атомов меди составляют 2,55 А, что значительно меньше чем алюминия (2,85 А), то участки зон Гинье-Престона оказываются сжатыми, а прилегающие к ним области растянутыми, что приводит к значительным искажениям кристаллической решетки твердого раствора. Образование огромного количества малых по размеру зон Гинье-Престона обусловлено повышение прочности раствора при естественном старении (рис.11.2), т.к. повышают сопротивление пластичной деформации.

Рис. 11.2. Зависимость прочности дюралюминов от температуры старения и времени выдержки при старении

 

Наибольшее искажение кристаллической решетки наблюдается не в двойных, а в более сложных сплавах, поэтому для получения большего упрочнения при термической обработке алюминиевые сплавы легируют магнием и цинком. При повышении температуры подвижность атомов возрастает, зоны еще больше обогащаются медью и при концентрации, близкой к содержанию, когда на один атом меди приходится два атома алюминия, образуется метастабильная (неравномерная) фаза ( -фаза), имеющую собственную решетку (тетрагональная), но не утратившая когерентной связи с матрицей. Искажения и напряжения решетки твердого раствора при этом сохраняются, прочность сплава повышается. Дальнейшее повышение температуры ведет к переходу метастабильной фазы в стабильную q (CuAl₂), имеющую кубическую решетку. Она полностью отделена от кристаллической решетки матрицы, что приводит к возвращению твердого раствора в равновесное состояние и снижению прочности. В зависимости от температуры можно получить различную стадию распада пересыщенного твердого раствора, а, следовательно, и разные свойства (рис. 11.2). Помимо температуры на упрочнение сплава влияет и время выдержки, ибо с увеличением времени старения возрастает диаметр зон Гринье-Престона, который может возрасти до 500-800 А. Укрупнение зон Гринье-Престона и уменьшение их количества сопровождается разупрочнением сплава. Этим объясняется получение разной прочности при изменении режима искусственного старения (рис. 11.2). С повышением температуры старения процесс упрочнения ускоряется, однако максимум прочности снижается.

Естественно состаренные сплавы обладают повышенным электросопротивлением и более высокой пластичностью по сравнению с искусственно состаренными.

Так, например, у сплава в естественно состаренном состоянии при s_В=400 МПа, s_Т=160–180 МПа и у сплава после искусственного старения при s_В=400 МПа предел текучести s_Т возрастает до 230-300- МПа, а удлинение снижается до 8-10%.

11.4 Порядок выполнения работы

Термической обработке подвергаются дюралюмины марки Д16 (3,8-4,9% Cu; 1,2-1,8% Mg; 0,3-0,9% Mn; 0,5-0,7% Fe и Si).

Группа студентов получает для исследования 5 образцов, на которых измеряют твердость сплава в исходном состоянии на приборе Роквелла шкала "В". Затем производится термическая обработка – закалка и искусственное старение. С помощью диаграммы Al - Cu (рис.11.1) студенты выбирают температуру нагрева данного сплава под закалку всех 5 образцов и закаливают их по установленному режиму. Закаленные образцы подвергают искусственному старению по режимам, указанным в таблице 11.1.

Таблица 11.1.

Результаты исследования дюралюмина Д16

№ обр.	Марка сплава	Твердость отожженных образцов, HRB	Закалка	Старение
			нагр. t0 C	время мин.	охл. среда	НRB	нагр. t0 C	время мин.	НRВ
	Д16				вода
	Д16				вода
	Д16				вода
	Д16				вода
	Д16				вода

 

Результаты измерений твердости заносятся в таблицу 11.1.

По данным таблицы 11.1 строятся графики изменения твердости образцов от температуры старения и от времени выдержки при старении.

Анализируя полученные результаты в результате исследования образцов дюралюмина Д16 определяются оптимальные режимы искусственного старения дюралюмина Д16 и делается вывод.

11.5 Отчет о работе

11.5.1 Название, цель работы, задание.

11.5.2 Диаграмма состояния сплава Al – Cu.

11.5.3 Порядок выполнения работы с указанием результатов исследования (табл. 11.1) и графиков зависимости твердости образцов дюралюмина Д16 от температуры и времени выдержки при старении. Указать оптимальные режимы искусственного старения дюралюмина Д16.

11.5.4 Ответ на индивидуальный контрольный вопрос.

 

11.6 Контрольные вопросы

1. Классификация алюминиевых сплавов.

2. Состав и маркировка дюралюминиевых сплавов.

3. В каком состоянии дюралюмин имеет максимальную твердость и максимальную пластичность и почему?

4. Виды термической обработки дюралюминов.

5. Что такое зоны Гинье-Престона и как они образуются?

6. От чего зависит механические свойства дюралюминов.

7. Виды старения дюралюминия.

8. Назначение алюминиевых сплавов.

9. Способы защиты дюралюминия от коррозии.

10. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочненные термообработкой.

11. Деформируемые алюминиевые сплавы не упрочненные термообработкой.

12. Преимущества и недостатки искусственного старения дюралюминов.

Лабораторная работа №12.