Состав, структура, свойства цветных металлов и сплавов, полимерных материалов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Учреждение образования

«Белорусский государственный

технологический университет»

Лабораторный практикум по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов»

для студентов химических и технологических специальностей

Состав - структура - свойства цветных металлов и сплавов, полимерных материалов

Минск 2010

УДК 669.2/8.017:691.175

ББК 34.23я73

С66

Рассмотрен и рекомендован к изданию редакционно-издательским советом университета

Авторы:

А.К. Вершина, Н.А. Свидунович, Д.В. Куис, О.Ю. Пискунова

Рецензенты:

заведующий кафедрой технологии металлов БГАТУ доктор технических наук, профессор В.М. Капцевич;

заведующий кафедрой металлургии литейных сплавов БНТУ

доктор технических наук, профессор Б.М. Неменёнок

С 66 Состав - структура - свойства цветных металлов и сплавов, полимерных материалов: лабораторный практикум по курсу «Материаловедение и технология конструкционных материалов» для студентов химических и технологических специальностей / А. К. Вершина [и др.]. - Минск: БГТУ, 2010. - 62 с.

В лабораторном практикуме приводится классификация, маркировка, состав, структура, свойства и применение алюминия, меди и их сплавов, устанавливается связь между структурой, свойствами и диаграммами состояния данных материалов. Рассматриваются виды, классификация, структура, физико-механические свойства и применение пластических масс, проводится сравнение свойств металлических и полимерных материалов.

УДК 669.2/8.017:691.175

ББК 34.23я73

© УО «Белорусский государственный технологический университет», 2010

© Вершина А. К., Свидунович Н. А.,

Куис Д. В., Пискунова О. Ю., 2010

Оглавление

Лабораторная работа № 1. Исследование зависимостей «состав - структура - свойства» для сплавов на основе алюминия

Лабораторная работа № 2. Исследование зависимостей «состав - структура - свойства» для сплавов на основе меди

Лабораторная работа № 3. Исследование зависимостей «состав - структура - свойства» для полимерных материалов

Лабораторная работа № 1. Исследование зависимостей «состав - структура - свойства» для сплавов на основе алюминия

Цель работы: изучение микроструктуры и свойств алюминия и его сплавов, установление связи между структурой, свойствами и диаграммой состояния, области применения алюминия и его сплавов.

Приборы и материалы: коллекция протравленных и не травленых микрошлифов алюминия и его сплавов и металлографический микроcкоп МИ-1.

Задания: 1. Ознакомиться с микроструктурой и свойствами алюминия и его сплавов. 2. Изучить основные операции термической обработки алюминиевых сплавов. 3. Изучить влияние естественного старения на свойства и структуру алюминиевых сплавов. 4. Составить отчет о проделанной работе.

1. Свойства алюминия

Наиболее характерные свойства чистого алюминия - небольшая плотность ( = 2,7) и низкая температура плавления (660°С). По сравнению с железом, у которого = 7,8, а T_пл = 1535°С, алюминий имеет почти в три раза более низкую плотность, вследствие чего этот металл, а также его сплавы широко применяются там, где малая плотность и большая удельная прочность (_в/) играют важную роль. Благодаря более низкой температуре плавления (по сравнению с железом) технология обработки алюминия и его сплавов резко отличается от технологии обработки стали.

Алюминий обладает высокой пластичностью и малой прочностью. Прокатанный и отожженный алюминий высокой чистоты имеет:

_в = 58 МПа; _0,2 = 20 МПа; твердость НВ 25;

сужение ? = 85%; удлинение = 40%.

Алюминий кристаллизуется в гранецентрированной решетке. Параметр решетки при 20°С равен 0,404 нм, атомный радиус - 0,143 нм. Алюминий не имеет аллотропических модификаций, обладает высокой теплопроводностью, электропроводностью и очень высокой скрытой теплотой плавления.

Несмотря на большое сродство к кислороду, алюминий весьма слабо подвергается коррозии на воздухе и в некоторых других средах. Это объясняется образованием в начальный момент очень тонкой (толщиной приблизительно 10 нм), плотной окисной пленки Al₂O₃, изолирующей металл от окружающей среды и защищающей его от коррозии. Чем чище алюминий и чем он более свободен от различных примесей, тем выше его коррозионная устойчивость.

Применять алюминий как конструкционный материал из-за низкой прочности нецелесообразно, однако некоторые его свойства - высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность - позволяют эффективно использовать его для других целей.

Выделяют три направления применения технического алюминия:

1) высокая пластичность позволяет производить из него глубокую штамповку, прокатку до малой толщины (например, алюминиевая фольга);

2) высокая электропроводность (65% от меди) дает возможность применять алюминий для электротехнических целей (проводниковый металл). Провод из алюминия равной электропроводности легче, чем из меди;

3) высокая коррозионная стойкость позволяет широко использовать его в быту, для транспортировки и хранения продуктов питания.

2. Сплавы алюминия

А1 - Сu

Для алюминиевых сплавов медь - основной легирующий элемент, введение других легирующих элементов, кроме или вместо меди, не вносит принципиальных изменений.

Диаграмма состояния Al - Сu приведена на рис. 1.1.

Диаграмма состояния двойного сплава, компоненты которого образуют между собой твердые растворы с ограниченной растворимостью эвтектического типа, эвтектика содержит 33% Сu и состоит из

-твердого раствора Cu в Al и упрочняющей фазы CuAl₂.

Как видно из рис. 1.1, при комнатной температуре медь растворяется в алюминии в количестве около 0,2%, а максимальная растворимость при эвтектической температуре 548°С равна 5,7%. Любой сплав, содержащий до 5,7% Сu, можно перевести в однофазное

-состояние соответствующим нагревом. Это состояние фиксируется быстрым охлаждением - закалкой.

На изменении растворимости соединения CuAl₂ в -твердом алюминиевом растворе основана упрочняющая термическая обработка в А1 - Сu сплавах.

Рис. 1.1 Диаграмма состояния Al - Cu

Термическая обработка алюминиевых сплавов состоит из двух циклов - закалки и старения.

Теоретические вопросы, связанные с закалкой алюминиевых сплавов, относительно просты: в процессе закалки фиксируется пересыщенный твердый раствор. Важно, чтобы охлаждение было достаточно быстрым.

Необходимая скорость охлаждения при закалке определяется скоростью выпадения избыточных фаз из переохлажденного и пересыщенного твердого раствора. Для этой цели строят диаграммы изотермического превращения переохлажденного твердого раствора

(С-образные диаграммы для сплавов Al + 4% Сu; и Al + 4% Zn - рис. 1.2). Согласно диаграмме максимальная скорость превращения наблюдается вблизи температуры 300°С.

Рис. 1.2 Диаграмма изотермического распада переохлажденного твердого раствора в алюминиевых сплавах (указано начало распада):

1 - А1 + 4% Сu + 1,5% Mg; 2 - Al + 4% Zn + % Mg

Полученный после закалки твердый раствор является пересыщенным при содержании в нем меди более 0,2%. В таком пересыщенном и неустойчивом твердом растворе происходят изменения, в конечном итоге приводящие к выделению фазы CuAl₂ и сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди (0,2%). Этот процесс называется старением.

Названный процесс может происходить при комнатной температуре - естественное старение, если при повышении температуры - искусственное старение.

Микроструктура иллюстрирует и объясняет фазовые изменения, вызванные закалкой (рис. 1.3).

Рис. 1.3 Структура сплава А1 + 4% Сu:

а, б - структура отожженного сплава Al + 4% Сu - на фоне алюминиевого твердого раствора (почти чистого алюминия) видны включения CuAl₂ (а - ? 900; б - ? 120); в - микроструктура того же сплава после закалки - гомогенный твердый раствор, нагрев до температуры закалки привел к полному растворению включений CuAl₂, а быстрое охлаждение при закалке зафиксировало пересыщенный твердый раствор (? 100)

Старение существенно изменяет свойства сплава Al - Сu:

- в отожженном состоянии сплав Al + 4% Сu имеет предел прочности _в = 200 МПа;

- в свежезакаленном состоянии (т. е. при испытании сразу после закалки) предел прочности несколько повышается _в 250 МПа;

- после старения предел прочности возрастает значительно и достигает 400 МПа.

При естественном старении (20°С) прочность становится максимальной через 4-5 сут после закалки, причем скорость упрочнения в первые часы значительно меньше, чем в последующие, но затем интенсивность упрочнения убывает. Типичный ход кривой упрочнения при естественном старении показан на рис. 1.4.



Рис. 1.4 Изменение прочности при естественном старении алюминиевого сплава: 1 - закаленное состояние; 2 - отожженное

Начальный период, характеризующийся отсутствием или весьма слабым повышением прочности, называется инкубационным.

Инкубационный период имеет важное технологическое значение, так как в этот момент сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (расклепке заклепок, гибке, отбортовке и т. д.). Через 2-3 ч способность пластически деформироваться начинает резко уменьшаться и эти операции становятся неосуществимыми.

При искусственном старении его скорость сильно зависит от температуры (рис. 1.5):

- повышение температуры ускоряет процесс,

- получаемая максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения,

- в результате старения при температуре выше 150°С явно отмечается разупрочнение сплава при выдержке более той, которая вызывает максимальное упрочнение, и тем скорее, чем выше температура.

- при температурах, ниже комнатной, старение замедляется и при -50°С можно считать, что закаленное состояние практически устойчиво и старение не происходит.

Рис. 1.5 Кривые старения дюралюминия при различных температурах

Естественно состаренное состояние сплава является неустойчивым. Если недолго выдержать подвергнутый естественному старению алюминиевый сплав при 200-250°С, то он разупрочняется. Выделившиеся дисперсные частицы избыточной фазы растворятся и сплав получит свойства, характерные для свежезакаленного состояния, так как он вновь приобретет способность к естественному старению (рис. 1.6). Это явление (т. е. возвращение к свежезакаленному состоянию после кратковременного нагрева) называется возвратом.

При старении сплава А1 - Сu протекают следующие процессы.

Вторая фаза (т. е. выделения из твердого раствора) отчетливо обнаруживается после искусственного старения при температуре выше 200°С (рис. 1.7), когда сплав не имеет максимальной прочности.

Рис. 1.6. Кривые старения после возврата к свежезакаленному состоянию (кратковременный нагрев при 230°С)

Рис. 1.7. Структура сплава А1 + 4% Сu, закаленного и искусственно состаренного при 250?С, ? 900

Рентгеноструктурный анализ показывает, что, когда сплав при естественном старении достигает максимальной прочности, избыточная фаза в обычном смысле отсутствует и упрочнение не связано с распадом твердого раствора.

Современные представления о механизме старения, подтверждаемые особым методом рентгеноструктурного анализа и просвечивающей электронной микроскопией, таковы:

- в процессе естественного старения происходят подготовительные к выделению процессы, само же выделение может совершиться лишь при более высоких температурах, обеспечивающих достаточную скорость атомных перемещений (диффузии).

- в начальный период старения (первая стадия старения) в пересыщенном твердом растворе атомы меди, расположенные в свежезакаленном сплаве в случайных местах, собираются в определенных местах кристаллической решетки, в результате внутри кристалла образуются зоны повышенной концентрации растворенного компонента - Cu, их называют зоны Гинье - Престона (зоны Г. - П.);

- атомы меди на этой стадии старения из раствора не выделяются, поэтому среднее значение параметра решетки не изменяется;

- однако в местах повышенной концентрации второго компонента - Cu параметр иной, чем в обедненны, это создает большие напряжения в кристалле и дробит блоки мозаики, что и приводит к повышению твердости;

- содержание меди в зонах Г. - П. повышенное, но еще не отвечает формуле CuAl₂;

- зоны Г. - П. представляют собой тонкие пластинчатые, дискообразные образования толщиной в несколько атомных слоев и протяженностью в несколько десятков атомных слоев (рис. 1.8, а). Указываются такие размеры: толщина - 0,5-1 нм, диаметр 4-10 нм;

- дальнейшее развитие процесса старения заключается в увеличении зон (толщина их достигает 1-4 нм, диаметр 20-30 нм) и повышении содержания в них меди до стехиометрического соотношения фазы CuAl₂; принято первые маленькие зоны называть зонами Г. - П.-1, а вторые большие - зонами Г. - П.-2; процесс старения, связанный с образованием зон Г. - П., называют также зонным старением, отмечая тем самым отличие от следующей стадии старения - фазовое старение;

- после образования зон Г. - П.-2 повышение температуры или увеличение выдержки при повышенных температурах, например 100°С, приводит к преобразованию зон Г. - П.-2 в фазу, обозначаемую через ?'. Это уже выделения, т. е. новая фаза, которая имеет отличную от твердого раствора и от стабильной ?-фазы (CuAl₂) решетку, когерентно связанную с матричным твердым раствором (рис. 1.8, б);

- при дальнейшем повышении температуры ?'-фаза превращается в стабильную -фазу (СuАl₂) и происходит ее коагуляция (рис. 1.8, в).



а б в

Рис. 1.8. Типы выделений из пересыщенного твердого раствора:

а - зона Г. - П.; 1 - атомы растворителя Al; 2 - растворенные атомы Cu; б - кристаллы метастабильной фазы ?' (когерентное выделение); в - кристаллы стабильной фазы ? (некогерентное выделение)

3. Влияние состава алюминиевых сплавов на процессы, происходящие при термической обработке

На рис. 1.9 приведены кривые, которые показывают, как изменяется твердость сплавов А1 - Сu в зависимости от содержания меди. Эффект старения, т. е. разница в твердости между свежезакаленным и состаренным состояниями (кривая 4 на диаграмме), постепенно возрастает с увеличением содержания меди; сплав с 2% Сu и менее практически не стареет, так как пересыщение еще недостаточно, чтобы вызвать при старении существенное изменение свойств.

Максимальное упрочнение при старении отмечается при содержании 6% Сu, что соответствует (примерно) пределу растворимости меди в алюминии при высокой температуре (см. рис. 1.1).

Не только в системе А1 - Сu, но и при сплавлении с другими элементами (Mn, Li, Cu, Mg и др.) (рис. 1.10) алюминий образует раствор переменной растворимости, что делает и эти сплавы способными к упрочнению путем закалки и старения.

В двойных сплавах А1 - Сu, Al - Si, Al - Mg, А1 - Zn эффект от термической обработки менее значителен, чем в тройных и более сложных, поэтому преимущественное применение получили не двойные, а более сложнолегированные алюминиевые сплавы.

Рис. 1.9. Влияние содержания меди на твердость алюминиевомедного сплава в трех состояниях: 1 - отожженное; 2 - сразу после закалки; 3 - после старения на максимальную прочность; 4 - разница в твердости между свежезакаленным и состаренным состояниями	Рис. 1.10. Кривые растворимости (в твердом состоянии) некоторых элементов (Mn, Li, Cu, Mg) в алюминии

Среди подобных сплавов на основе тройных и четверных систем наибольшее применение получили сплавы следующих систем:

1. Сплавы системы А1 - Mg - Si, так называемые сплавы авиаль. В этих сплавах фазой, которая при нагреве под закалку растворяется, а при старении выделяется и вызывает упрочнение, является соединение Mg₂Si.

2. Сплавы системы А1 - Сu - Mg, так называемые дюралюмины. В них в зависимости от содержания меди и соотношения концентраций меди и магния могут образовываться или двойные соединения CuAl₂, или Al₃Mg₂ (при малом содержании одного из элементов - магния либо меди), или тройные соединения CuMgAI₂ (так называемая фаза S) и CuMg₅Al₅ (фаза Т). Данные соединения имеют переменную растворимость в алюминии.

Сплавы системы А1 - Сu - Li и А1 - Mg - Li

Щелочноземельный легкий металл литий (Li) лишь недавно стали применять для легирования алюминиевых сплавов. При изучении системы А1 - Li была отмечена большая растворимость соединения LiAl в алюминии и сильная ее зависимость от температуры, что предопределяет возможность использования упрочняющей термической обработки. Двойные сплавы А1 - Li оказались неэффективными (сравнительно небольшой эффект упрочнения при термической обработке, большая склонность к окислению при нагреве), а тройные А1 - Сu - Li и А1 - Mg - Li - очень ценными для практики.

Система А1 - Сu - Li - упрочнение тройных сплавов - может достигаться за счет одной из следующих фаз: T_в(Al₁₅Cu₈Li), T₁(Al₂CuLi) и T₂ (AI₆CuLi₃).

Сплавы системы А1 - Mg - Li являются самыми легкими алюминиевыми сплавами, так как оба легирующих элемента (магний и литий) уменьшают плотность алюминиевого сплава и старение создается за счет выделения тройных фаз, содержащих литий.

Сплавы системы А1 - Zn - Mg

Как и магний, цинк обладает большой растворимостью при высокой температуре (400°С) и незначительной - при низкой (ниже 200°С). То же, но в еще более резкой форме характерно для соединения, именуемого фазой T (Al₂Mg₃Zn₃), которая изоморфна фазе Т системы А1 - Сu - Mg.

Сплавы названной системы позволяют проводить глубокое легирование и получать большие пересыщения при закалке и наилучшие свойства после старения.

В табл. 1.1 указаны системы сплавов, фазы, растворимые при нагреве, т. е. вызывающие старение, и фазы (зоны), образование которых вызывает максимальный упрочняющий эффект старения.

Таблица 1.1

Фазы и зоны в алюминиевых сплавах

Система сплава	Фазы, вызывающие эффект термической обработки	Метастабильные зоны и фазы, возникающие в процессе старения
Al - Cu - Mg	? (CuAl2) S (AI2CuMg)	Г. - П.-1 Г. - П.-2, ?'
Al - Mg - Si	?(Mg2Si)	Г. - П.,
Al - Zn - Mg - Cu	? (MgZn2) T (Al2Mg3Zn3)	Зоны, ?'
Al - Cu - Li	? (CuAl2) T (Al7,5Cu4Li) T1 (Al2CuLi)	?', T1
Al - Li - Mg	S (Al2LiMg) (AlLi)	' (Al2Li)

Al - Si

Диаграмма состояния А1 - Si приведена на рис. 1.11.

Кремний не образует химических соединений с алюминием. Растворимость алюминия в кремнии очень мала, поэтому можно считать, что в системе А1 - Si присутствует чистый кремний.

Рис. 1.11 Диаграмма состояния Al - Si

Растворимость кремния в алюминии при эвтектической температуре достигает 1,65% и при комнатной температуре почти равна нулю (0,09% при 300°С). Эвтектика содержит 11,7% Si и состоит из чередующихся включений обеих фаз.

4. Классификация алюминиевых сплавов

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы - применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом.

Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре (рис. 1.12).

Изменение технологических свойств в сопоставлении с диаграммой состояния (рис. 1.13) показывает, что сплавы с содержанием компонента меньше предела растворимости при высокой температуре обладают наибольшей пластичностью и наименьшей прочностью, следовательно, хорошо подвергаются горячей обработке давлением.

Рис. 1.12. Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния: а - двойная система; б - тройная система; 1 - сплавы, не упрочняемые термической обработкой; 2 - сплавы, упрочняемые термической обработкой	Рис. 1.13. Технологические свойства сплавов системы двух компонентов с ограниченной растворимостью: 1 - пластичность; 2 - прочность: I - рассеянные поры; II - сконцентрированные поры

Наличие эвтектической структуры резко уменьшает пластичность, способность прессоваться, прокатываться, коваться и при некотором содержании эвтектики (обычно небольшом) такая обработка становится неосуществимой.

Наилучшую жидкотекучесть имеют металлы, кристаллизующиеся при постоянной температуре (чистые металлы, эвтектические сплавы). Во время перехода за предел растворимости при высокой температуре жидкотекучесть резко повышается.

Общий объем литейных пор плавно изменяется, но их размеры и распределение зависят от температурного интервала кристаллизации. При большом интервале литейные поры, как правило, мелки и распределены по всему сечению отливки. Плотность отливки будет мала, но по этой же причине небольшой будет и литейная усадка. Если температурный интервал кристаллизации равен нулю (чистые компоненты, эвтектика), образуется концентрированная усадочная раковина. Соответствующим изготовлением литников ее можно вывести в прибыль и таким образом получить отливку высокой плотности.

Концентрация компонентов в литейных сплавах должна превышать предельную растворимость при высокой температуре по двум причинам:

- во-первых, для создания прочности, достаточной для того, чтобы внутренние напряжения (естественные и неизбежные) у литой (неотожженной) детали не вызвали образования трещин;

- во-вторых, для повышения жидкотекучести.

Таким образом, на основе диаграммы состояния алюминиевые сплавы можно классифицировать на:

- литейные;

- деформируемые.

Вместе с тем литейные сплавы не должны содержать много эвтектики (более 15-20% по объему) из-за ухудшения механических и некоторых технологических свойств.

Все литейные сплавы могут упрочняться в результате термической обработки, но степень упрочнения тем меньше, чем больше литейный сплав легирован, т. е. чем больше в структуре эвтектики.

5. Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

Теоретически границей между этими сплавами должен быть предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре, но практически сплавы, содержащие легирующие элементы в количестве немного больше этого предела, не упрочняются при термической обработке из-за малого количества упрочняющей фазы.

Деление реальных сплавов на литейные и деформируемые по диаграмме равновесия все же несколько условно, так как в литом состоянии они не достигают равновесия и их структуры будут отличаться от равновесных.

Несколько худшие свойства данных сплавов, чем у дюралюминия, являются следствием более мелкозернистой структуры дюралюминия в листах, в трубах, профилях и тому подобных полуфабрикатах, чем в поковках. При термической обработке поведение этих сплавов почти как у дюралюминия, о чем отмечалось раньше.

Более грубая структура второй фазы у сплавов АК требует больших выдержек при температурах закалки. Лучшие свойства у них получаются обычно после искусственного старения.

5.1 Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термической обработкой

Названные сплавы характеризуются сравнительно невысокой прочностью (ненамного превышающей прочность алюминия), высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Их применяют в тех случаях, когда требуется высокая пластичность - для изделий, получаемых глубокой штамповкой.

К рассматриваемой группе сплавов относят сплавы систем А1 - Мn (сплавы АМц) и А1 - Mg (сплавы АМг). Они не упрочняются термической обработкой.

Хотя система А1 - Мn (см. рис. 1.10) показывает переменную растворимость соединения Al₆Mn в алюминии, однако в присутствии железа (неизбежное загрязнение) образуется тройное соединение А1₆(Mn, Fe), а оно нерастворимо в алюминии.

Марганец, в отличие от остальных элементов, не только не ухудшает коррозионной стойкости алюминиевого сплава, но несколько улучшает ее. Поэтому сплавы А1 - Mn превосходят чистый алюминий более высокой прочностью и коррозионной стойкостью.

Марганец вводят в дюралюминий (до 1%), как и в другие алюминиевые сплавы, главным образом, для повышения коррозионной стойкости.

Сплавы А1 - Mg при содержании до 1,4% Mg не упрочняются при термической обработке, что следует из кривой растворимости в системе А1 - Mg (см. рис. 1.10). При большем содержании (Mg > 3%)

упрочнение возможно, но эффект его невелик.

Магний является полезным легирующим элементом. Не считая повышения коррозионного сопротивления (если магния не более 3%), магний уменьшает плотность алюминиевого сплава (так как он легче алюминия), повышает прочность, не снижая его пластичность. Поэтому сплавы А1 - Mg получили распространение как несколько более прочные и легкие, чем чистый алюминий.

Эти сплавы в виде листов, а также прокатанного или прессованного материала поставляются в отожженном (мягком) состоянии (в марочном обозначении тогда добавляется буква М) после небольшой степени наклепа, т. е. полунагартованные (обозначаются буквой П), и после сильного наклепа, т. е. нагартованные (обозначаются буквой Н).

Пределы прочности и относительное удлинение для сплава АМц в различном состоянии:

Состояние..... М П Н

_в, МПа........ 130 160 220

, %................ 23 10 5

5.2 Дюралюминий и другие деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой

Дюралюминий Дюралюминий - первый промышленный сплав на основе алюминия. Название «дюралюминий» можно расшифровать как твердый алюминий (по французск. Dur - твердый).

В СССР дюралюминий начали производить с 1924 г. на Кольчугинском заводе (кроме основных компонентов, он содержал еще 0,5% Ni и назывался кольчугалюминием).

Природа сплавов типа дюралюминий, влияние элементов, термическая обработка подробно были исследованы многими учеными (А. А. Бочваром, С. М. Вороновым, Ю. Г. Музалевским, Д. А. Петровым, А. Гинье, Ж. Престоном, И. Н. Фридляндером, В. А. Ливановым и др.). - наиболее распространенный представитель группы алюминиевых сплавов, применяемых в деформированном виде и упрочняемый термической обработкой.

Он содержит 4% Сu и 0,5% Mg, а также марганец и железо.

Дюралюминий - сплав, по крайней мере, шести компонентов: Al, Cu, Mg, Mn, Si и Fe, основными добавками являются медь и магний. Поэтому указанный сплав можно причислить к сплавам системы А1 - Cu -Mg. Кремний и железо являются постоянными примесями, попадающими в сплав вследствие применения недостаточно чистого алюминия.

Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений (следовательно, вызывающих старение), таких, как CuAl₂, фаза S, Mg₂Si, и нерастворимых, таких, как железистые и марганцовистые соединения.

Структура дюралюминия в отожженном состоянии (рис. 1.14, а) состоит из твердого раствора и вторичных включений различных интерметаллических соединений.

После закалки с оптимальных температур (500°С) основное количество соединений CuAl₂ и Mg₂Si растворяется в алюминии, но соединения железа не растворяются. Поэтому в закаленном состоянии структура состоит из твердого раствора и нерастворимых включений соединений железа (на микроструктуре рис. 1.14, б включения черного цвета).

При нагреве выше 500-520°С происходит оплавление зерен по границам; при охлаждении участки жидкой фазы превращаются в эвтектику (рис. 1.14, в).

Механические свойства после окончательной термической обработки (после закалки и старения) сильно зависят от температуры закалки (рис. 1.15). В результате повышения температуры закалки происходит растворение интерметаллических соединений, после закалки получается пересыщенный твердый раствор, а после старения - более высокая прочность. Нагрев же выше определенной температуры вызывает перегрев (рост зерна, окисление и оплавление границ зерна), что приводит к катастрофическому падению прочности и пластичности. Поэтому ясно, что при термической обработке дюралюминия важно соблюдать температурный режим закалки.

При термической обработке дюралюминия колебания температур закалки не должны превышать ±3-4°С.

Кривые старения дюралюминия приведены на рис. 1.9. Дюралюминий принадлежит к алюминиевым сплавам, естественно стареющим; наиболее высокие механические свойства у нормального дюралюминия получаются после старения при комнатной температуре в течение 5-7 сут.

Термическая обработка названных сплавов заключается в закалке примерно с 500°С в воде с последующим естественным (зонным) старением, т. е. детали из этих сплавов могут быть «готовы» лишь через пять - семь дней после закалки.

Так как коррозионная стойкость дюралюминия незначительна, то изыскивали различные способы для защиты его от этого процесса. Наиболее распространенный - плакирование чистым алюминием. Плакированный дюралюминий обладает такой же коррозионной устойчивостью, как чистый алюминий.

Рис. 1.14. Микроструктура дюралюминия:

а - отожженное состояние, ? 200; б - закаленное состояние, ? 100;

в - перегретое при закалке состояние, ? 200

Рис. 1.15. Механические свойства дюралюминия в закаленном и состаренном состояниях в зависимости от температуры закалки

По техническим условиям толщина плакированного слоя составляет 4-8% от толщины листа (или диаметра проволоки либо прутка). Естественно, что наличие на дюралюминии менее прочного слоя из чистого алюминия ухудшает прочностные свойства полуфабриката в целом, т. е. плакированный дюралюминий несколько менее прочен, чем неплакированный.

В настоящее время производят дюралюминий нескольких марок. Состав наиболее распространенных приведен в табл. 1.2.

Таблица 1.2

Состав дюралюминия

Марка	Сu	Mn	Mg	Si	Fe
Д1 Д16	3,8-4,8 3,8-4,5	0,4-0,8 0,3-0,9	0,4-0,8 1,2-1,8	< 0,7 < 0,5	< 0,7 < 0,5

Сплавы Д1 - так называемый нормальный дюралюминий. Основной, упрочняющей фазой в этом сплаве является соединение CuAl₂.

Сплав Д16, так называемый супердюралюмин, содержит, по сравнению с нормальным дюралюминием, повышенное количество магния. В соответствии с этим основной упрочняющей фазой является фаза S (Al₂CuMg), что и обеспечивает более высокую прочность сплава Д16 по сравнению с Д1.

В табл. 1.3 приведены механические свойства указанных сплавов в разных состояниях.

Таблица 1.3

Механические свойства дюралюминия

Марка	Состояние, полуфабрикат	в, МПа	0,2, МПа	%
Д1	Отжиг Закалка + старение: прутки лист	210 490 410	110 320 240	18 14 20
Д16	Отжиг Закалка + старение: прутки лист	220 540 440	110 400 330	18 11 18

Режимы термической обработки сплавов:

- закалка с 495-505°С в воде для сплава Д1 и с 490-500°С в воде для сплава Д16;

- старение в обоих случаях при 20°С в течение 4 сут;

- cмягчающий отжиг проводят при 340-370°С.

Физические свойства этих сплавов в термически упрочненном состоянии практически одинаковы (различие в пределах точности измерения).

Заклепки из сплавов Д1, Д16 ставят не позднее, чем через 2 ч (Д1) или 20 мин (Д16) после закалки, когда сплав не начал еще заметно упрочняться в процессе старения; позднее ставить заклепки нельзя, так как в результате старения и снижения вследствие этого пластичности при расклепывании образуются трещины.

Разумеется, такая жесткая регламентация по времени создает технологические затруднения. Поэтому имеется сплав (Д18), специально предназначенный для заклепок, который можно расклепывать в состаренном состоянии. Этот сплав содержит пониженное количество упрочняющих элементов (меди, магния) и после закалки и старения имеет существенно более низкую прочность, но более высокую пластичность, чем, например, дюралюминий Д1.

Состав и механические свойства сплава Д18 следующие: 2,2-3% Сu; 0,2-0,5% Mg. После закалки с 495-505°С в воде и естественного старения _в = 300 МПа, = 24%, ? = 50%: сопротивление срезу ?_ср = 190 МПа.

Более высокую прочность можно получить у алюминиевых сплавов, содержащих в качестве основных присадок, кроме меди и магния, еще и цинк, т. е. у сплавов системы А1 - Mg - Cu - Zn.

В сплаве А1 + 10% Zn + 2% Mg (сплавы В95, B96) можно получить предел прочности до 600 МПа (табл. 1.4). Однако в условиях не очень активной коррозионной среды, даже такой, как дистиллированная вода, прочность резко падает. Недостаток этот устраняется добавкой ~ 2% Сu. Также влияет и малая присадка хрома или циркония.

Таким образом, применение получили сплавы не тройной Al - Zn - Mg, а четверной системы Al - Zn - Mg - Cu. Наиболее типичным представителем этой системы является сплав В95 (5-7% Zn; 1,8-2,8% Mg; 1,4-2% Сu; 0,1-0,25% Сr).

Основное упрочнение создается за счет растворения T-фазы (Al₂Mg₃Zn₃).

Таблица 1.4

Механические свойства (типичные) высокопрочных алюминиевых сплавов системы А1 - Zn - Mg - Сu

Сплав	Полуфабрикат	Режим старения после закалки при 465°С	Meханические свойства
			в, МПа	0,2, МПа	, %
В95	Листы Профили	120°С, 2 ч 140°С, 6 ч	500 600	450 550	12 8
B96	Профили	140°С, 6 ч	700	650	7

Высокое легирование снижает температуры начала плавления, поэтому используют более низкую температуру закалки по сравнению с такой для дюралюминия (460-470°С). Меньшая скорость распада пересыщенного твердого раствора сплава В95 (см. рис. 1.2) приводит к следующим изменениям в технологии термической обработки:

1) скорость охлаждения при закалке может быть уменьшена, что целесообразно, так как при этом уменьшаются внутренние напряжения, наличие которых увеличивает склонность к коррозионному растрескиванию (снижает прочность при испытании в коррозионно-активных средах). Это является главным недостатком наиболее высокопрочных алюминиевых сплавов. При закалке сплава В95 применяют не холодную, а подогретую до 80-100°С воду.

Весьма хорошие результаты дает закалка названных сплавов в жидком азоте Не следует это рассматривать как обработку холодом., при которой охлаждение происходит медленнее, чем в холодной воде (в связи с меньшей теплотой парообразования жидкого азота), но более равномерно, чем в горячей;

2) естественное старение не дает максимальной прочности, как искусственное, даже при очень большой выдержке. Эта прочность достигается в результате старения при 120-140°С в течение 16-24 ч.

Если стремиться к максимальной прочности, то следует еще больше легировать сплав цинком, магнием и медью, чем сплав В95.

Наиболее прочный алюминиевый сплав - В96. Он содержит 8-9% Zn, 2,3-3% Mg; 2-2,6% Сu; 0,1-0,2% Zr. Прочность этого сплава достигает 700 МПа.

5.3 Алюминиевые сплавы для поковок и штамповок

Ряд деталей из алюминиевых сплавов изготавливают ковкой (например, лопасти винта).

Кроме высоких механических свойств, от сплава требуется и хорошая пластичность в горячем состоянии. В таких случаях применяют или дюралюминий обычного состава При применении дюралюминия в кованом или штампованном виде он обозначается через АК1., или другие сплавы, по составу близкие к дюралюминию (АК6, АК8).

Состав этих сплавов и типичные для них механические свойства приведены в табл. 1.5, 1.6.

Таблица 1.5

Состав сплавов АК, %

Марка сплава	Сu	Mg	Mn	Si	Fe
АК1	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	< 0,7	< 0,7
АК6	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2	< 0,6
АК8	3,9-4,8	0,4-1,0	0,4-1,0	0,6-1,2	< 1,0
АК4*	1,9-2,5	1,4-1,8	0,15-0,35	0,5-1,2	1,1-1,6

* Содержит 1,0-1,5 Ni.

Таблица 1.6

Механические свойства сплавов АК

Марка сплава	Термическая обработка	уА, МПа	%
АК1	Закалка + естественное старение	380	10
АК6	Закалка + искусственное старение	360	7
АК8	то же	460	10

Несколько худшие свойства этих сплавов, чем у дюралюминия, являются следствием более мелкозернистой структуры дюралюминия в листах, в трубах, профилях и тому подобных полуфабрикатах, чем в поковках. При термической обработке поведение этих сплавов почти как у дюралюминия, о чем отмечалось раньше.

Более грубая структура второй фазы у сплавов АК требует больших выдержек при температурах закалки. Лучшие свойства у них получаются обычно после искусственного старения.

6. Силумины и другие алюминиевые сплавы для фасонного литья

Под группой алюминиевых сплавов, называемых силуминами, подразумевают сплавы с большим содержанием кремния. Силумины - наиболее распространенные литейные алюминиевые сплавы, широко применяемые только в литом виде (например, в авто- и авиастроении). Реже, кроме силуминов, в качестве литейных алюминиевых сплавов используют сплавы алюминия с медью, магнием и цинком.

Для получения плотной отливки применяют сплавы с узким интервалом кристаллизации (см. рис. 1.11) и, естественно, для этого подходят сплавы эвтектической концентрации.

Эвтектика в системе Al - Si имеет сравнительно низкое содержание кремния, (11,7% Si, тогда как эвтектика в системе А1 - Сu -33% Сu), и механические свойства эвтектических сплавов (особенно после модифицирования) оказываются достаточно высокими. Силумин нашел широкое применение ввиду такого сочетания высоких литейных и механических свойств.

Термическая обработка литых деталей из алюминиевых сплавов существенно улучшает механические свойства этих сплавов. Предел прочности и относительное удлинение литейных алюминиевых сплавов после термической обработки (закалка с последующим искусственным старением) увеличиваются в два раза.

Термическая обработка алюминиевых литых сплавов, по сравнению с деформированными, имеет ряд особенностей, что объясняется различием в химическом составе, а также тем, что у литых сплавов структура более грубая и крупнозернистая, чем у деформированных.

Температура нагрева под закалку у литых сплавов обычно несколько выше, чем у деформированных, и выдерживать отливки при такой температуре следует более продолжительно. Это обусловлено необходимостью растворения грубых интерметаллических соединений, часто расположенных по границам зерна, и выравнивания концентрации по всему объему зерна.

Литые сплавы почти не подвержены естественному старению, и максимальную прочность получают после искусственного старения в течение 10-20 ч при 150-180°С или при более высокой температуре, но тогда продолжительность старения меньше.

Двойные алюминиевокремнистые (и вообще высококремнистые) сплавы слабо упрочняются в результате закалки и старения, но механические свойства их можно существенно повысить с помощью особой обработки в жидком состоянии. Обычный силумин содержит 12-13% Si и по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура его состоит из игольчатой грубой эвтектики А1 + Si и включений первичного кремния (рис. 1.16, а).

Если перед самой отливкой внести в сплав незначительное количество натрия или некоторых других веществ (например, 2/3 NaF + + 1/3 NaCl), то структура резко изменится. Сплав становится доэвтектическим, структура его состоит из светлых первичных выделений алюминия и мелкозернистой эвтектики (см. рис. 1.16, б). Такой процесс называется модифицированием.

Введение модификатора (т. е. указанных выше веществ в количестве до 1% от массы жидкого сплава) затрудняет кристаллизацию кремния. В результате температура выделения кремния и кристаллизации эвтектики понижается (рис. 1.17). Кристаллизация эвтектики происходит при более низких температурах и, следовательно, продукты кристаллизации становятся более мелкозернистыми. Заэвтектический сплав с 12-13% Si, как показано на рис. 1.17, в результате смещения линии начала кристаллизации кремния и кристаллизации эвтектики к более низкой температуре становится доэвтектическим.

Рис. 1.16. Микроструктура литейных сплавов алюминия, ? 200: а - немодифицированный силумин; б - модифицированный силумин

Рис. 1.17. Влияние модифицирования на кристаллизацию в системе AI - Si: 1 - без модифицирования; 2 - после модифицирования

Двойные алюминиево-кремниевые сплавы, несмотря на их превосходные технологические (литейные) свойства, не могут удовлетворить требованиям во всех случаях, предъявляемым к литейным сплавам в отношении механических свойств. Алюминиево-кремниевые сплавы с 10-13% Si (сплав АЛ2) применяют для отливок сложной формы (не нужны высокие механические свойства). При более высоких требованиях к прочностным свойствам используют специальные силумины - доэвтектические силумины с 4-10% Si с добавкой меди, магния и марганца: сплавы АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9 (табл. 1.7, 1.8).

Механические свойства специальных силуминов в результате термической обработки следующие: _в = 200-250 МПа, = 1-6% (ниже механических свойств деформированных сплавов). Это является следствием более грубой структуры, не раздробленной пластической деформацией.

Среди литейных сплавов наиболее высокими механическими и антикоррозионными свойствами обладает сплав алюминия с магнием (АЛ8), содержащий 9,5-11,5 Mg. После закалки прочность его достигает 300 МПа при удлинении 12%. Однако он сплав обладает худшими литейными свойствами, чем другие алюминиевые сплавы.

Таблица 1.7

Химический состав (%) литейных алюминиевых сплавов

Марка сплава	Mg	Основные компоненты	Примеси (не более)
		Si	Mn	Сu	Fe	? примесей
АЛ2		10-13	-	-	0,8-1,5	2,2-2,8
АЛ4	0,17-0,30	8,0-10,5	0,25-0,50	-	0,6-1,2	1,1-1,7
АЛ9	0,2-0,4	6,0-8,0	-	-	0,3-1,0	1,0-1,9
АЛЗ	0,2-0,8	4,0-6,0	0,20-0,80	1,5-3,5	1,0-1,5	1,3-1,8
АЛ5	0,35-0,60	4,5-5,5	-	1,0-1,5	0,6-1,5	1,0-1,7
АЛ6		4,5-6,0	-	2,0-3,0	1,1-1,4	1,8-2,0
АЛ11	0,1-0,3	6,0-8,0	-		0,8-1,2	1,8-2,0
АЛ7	-	-	-	4-5	< 1,0	< 2,2
АЛ12	-	-	-	9-11	1,0-1,2	2,8-3,0
АЛ8	9,2-11,5	-	-	-	< 0,3	< 1,1

алюминий медь пластический полимерный

Таблица 1.8

Механические свойства алюминиевых литейных сплавов

Марка сплава	Вид литья	Термическая обработка	в, МПа	0,2, МПа	, %	Твердость НВ	Плотность, г/см3
АЛ2	В землю	-	180	80	7	50	2,66
	В кокиль	-	220	90	5	55	-
АЛ4	В землю	Закалка + старение	260	200	4	60	2,65
АЛ9	В землю	Закалка + старение	200	110	6	75	2,68
АЛ6	В землю	Закалка + старение	240	240	4	80	2,76
АЛ7	В землю	Закалка + старение	280	210	2	95	2,81
АЛ12	В землю	Закалка + старение	200	120	1	-	2,91
АЛ8	В землю	Закалка	300	170	12	75	2,58
	В кокиль	Закалка	330	180	15	80	-

Применение литых сплавов для нагруженных деталей целесообразно лишь в том случае, когда сложная форма литой детали дает преимущество в массе по сравнению с простой по форме кованой деталью или когда ковкой не удается получить заданную форму детали; в других случаях более целесообразно использование кованых, механически более прочных сплавов.

Имеющаяся номенклатура сплавов позволяет выбрать для каждого конкретного назначения оптимальную марку.

7. Жаропрочные алюминиевые сплавы

Есть детали, изготавливаемые отливкой или штамповкой из алюминиевых сплавов, которые работают при температурах порядка 200-300°С и даже 350°С (например, поршень, головка цилиндра и т. п.)

Применяемые для этих целей алюминиевые сплавы легируют такими элементами, как медь, магний, никель, железо, титан.

Для получения необходимых свойств эти сплавы подвергают закалке (перевод избыточных фаз в твердый раствор) и затем искусственному старению (стабилизации структурного состояния).

Чем сложнее состав сплава и состав выделяющихся фаз, тем медленнее происходит разупрочнение сплава при высоких температурах. Поэтому жаропрочные сплавы обычно имеют сложный химический состав и содержат специально вводимые присадки железа и никеля, что отличает их от остальных алюминиевых сплавов.

Термическая обработка жаропрочных кованых сплавов (АК2, АК4) заключается в закалке с 510-520°С с последующим искусственным старением в течение 15-20 ч при 100-180°С. Во избежание деформации при работе сплава в условиях повышенных температур, обусловленных дополнительным выделением фаз, следует проводить так называемую стабилизацию, т. е. отпуск при более высокой температуре, чем указано, при этом вследствие перестаривания (коагуляции выделившихся фаз) прочность будет ниже, чем указана в табл. 1.9.

Таблица 1.9

Механические свойства алюминиевых жаропрочных сплавов при повышенных температурах

Марка сплава	в, МПа, при температуре, °С	? при температуре, °С
	20	150	260	315	20	150	260	310
АЛ2	280	260	100	60	0	1	10	30
АК2	440	340	80	50	17	10	32	50
АК4	430	360	310	150	18	20	15	20

Для поршневых сплавов важно иметь максимальную теплопроводность, минимальные коэффициент трения и плотность. Сплавы АК2 и АК4 имеют плотность 2,80 г/см³, коэффициент линейного расширения при 20-400°С равен 22. Теплопроводность сплавов АК2 и АК4 - 1,55 и 1,68 Дж/(см-с-°С) соответственно.

Литейным алюминиевым жаропрочным сплавом является сплав АЛ1 следующего состава: 3,75-4,50% Сu; 1,25-1,75% Mg; 1,75-1,25 Ni; < 0,8% Fe; < 0,7% Si; < 0,3% Zn. Жаропрочность его обусловлена образованием при кристаллизации жесткого каркаса из соединений Mg₂Si и Al_xCu_y(Fe, Ni)_z.

Задания и методические указания

1. Ознакомиться с микроструктурой и свойствами алюминия и его сплавов.

2. Изучить основные операции термической обработки алюминиевых сплавов.

3. Изучить влияние естественного старения на свойства и структуру алюминиевых сплавов.

4. Исследовать микроструктуру алюминия и его сплавов в металлографическом микроcкопе МИ-1, записать файлы изображения исследованных структур.

5. Составить отчет о проделанной работе (при составлении необходимо описать основные операции термической обработки алюминиевых сплавов, механизм естественного старения; начертить часть диаграмм состояния Al - Cu, Al - Si; зарисовать все просмотренные структуры с указанием названия структурных составляющих и марки сплавов).

Контрольные вопросы

1. Наиболее характерные свойства чистого алюминия.

2. Назовите отличительные механические свойства чистого алюминия. Какова их величина?

3. В какой решетке кристаллизуется алюминий?

4. Какова коррозионная стойкость алюминия, что ее обеспечивает?

5. Области применения чистого алюминия.

6. Назовите основной легирующий элемент, вводимый для

7. упрочнения алюминиевых сплавов.

8. Приведите диаграмму состояния Аl - Сu, назовите ее тип и фазовый состав.

9. Назовите пределы растворимости меди в Аl по диаграмме состояния Аl - Сu.

10. На чем основана упрочняющая термическая обработка в А1 - Сu сплавах?

11. Перечислите операции термической обработки алюминиевых сплавов. Какая операция особенно важна и почему?

12. Как определяют необходимую скорость охлаждения при закалке сплава А1 - Сu?

13. При какой температуре наблюдается максимальная скорость превращения при закалке алюминиевых сплавов?

14. Какой концентрации меди должен быть твердый раствор А1 - Сu сплава, чтобы он был пересыщенным и обеспечивал упрочнение при старении?

15. Какие виды старения происходят в А1 - Сu сплавах?

16. Опишите структуру А1 - Сu сплава в отожженном состоянии.

17. Опишите структуру А1 - Сu сплава в свежезакаленном состоянии.

18. Опишите структуру А1 - Сu сплава в естественно состаренном состоянии.

19. Как изменяется предел прочности в А1 - Сu сплавах после операций термической обработки?

20. Что такое инкубационный период в А1 - Сu сплавах и как он используется?

21. Как изменяется прочность дюралюминия при искусственном старении в зависимости от температуры?

22. Опишите процесс возврата А1 - Сu сплава к свежезакаленному состоянию.

23. Опишите процессы, которые протекают в А1 - Сu сплавах при старении.

24. Опишите процессы, которые протекают в А1 - Сu сплавах на первой зонной стадии старения.

25. Что такое зоны Гинье - Престона (зоны Г. - П.), как они влияют на прочность сплава?

26. Опишите процессы, которые протекают в А1 - Сu сплавах на фазовой стадии старения.

27. Опишите процессы, которые протекают в А1 - Сu сплавах на третьей стадии старения.

28. Расскажите о процессе старения, включающем стадии:

свежезакаленный сплав зоны Г. - П. (Г. - П.-1 - Г. - П.-2) ?' .

29. Диаграмма состояния А1 - Si.

30. Растворимость алюминия в кремнии, содержание Si в эвтектике.

31. Влияние модифицирования на кристаллизацию в системе Al - Si.

32. Микроструктура литейных сплавов алюминия - силуминов.

33. Классификация технических алюминиевых сплавов.

34. Чем определяется граница между деформированными и литыми алюминиевыми сплавами?

35. Как влияет термическая обработка на литейные алюминиевые сплавы?

36. Как изменяются технологические свойства сплавов системы двух компонентов с ограниченной растворимостью?

Лабораторная работа № 2. Исследование зависимостей «состав - структура - свойства» для сплавов на основе меди

Цель работы: изучение микроструктуры и свойств меди и ее сплавов, установление связи между структурой, свойствами и диаграммой состояния, области применения меди и ее сплавов, установление связи между структурой и диаграммой состояния.

Приборы и материалы: коллекция протравленных и не травленых микрошлифов меди и ее сплавов и металлографический микроcкоп МИ-1.

Задания: 1. Ознакомиться с микроструктурой и свойствами меди и ее сплавов. 2. Изучить особенности диаграмм состояния меди и ее сплавов. 3. Изучить операции термической обработки меди и ее сплавов, влияние легировния на свойства и структуру сплавов меди. 4. Составить отчет о проделанной работе.