Цветные металлы и сплавы Мальцева Т.В. 2019. Учебное пособие мальцева татьяна викторовна
 Скачать 7.2 Mb.
|
|
13 Глава1.Алюминийиегосплавы Высокая коррозионная стойкость во многих органических кислотах позволяет широко применять алюминий для изготовления разнообразной посуды и емкостей, упаковочной фольги. Если необходима повышенная прочность алюминия, то используют нагартованные полуфабрикаты (s в = 150 МПа, d = 6 Для повышения прочности деформируемых алюминиевых сплавов, кроме легирования, широко используют нагартовку (наклеп, закалку и старение, а также термомеханическую обработку. Деформируемый алюминий обозначают буквой Д. Отожженное состояние деформированного полуфабриката обозначают буквой М мягкие, нагартованное (упрочняемое холодной пластической деформацией) — Н, после закалки и старения — Т, после закалки и искусственного старения на максимальную прочность — Т, после закалки и перестаривания — Т2. В табл. 1.3 для сопоставления приведены типичные механические свойства представителей разных групп рассмотренных ниже сплавов, а в табл. 1.4 — состав некоторых термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Таблица Типичные механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов Сплав Вид полуфабриката Состояние в, МПа σ 0,2 , МПа, % АДО Лист М 30 32 АМц Лист М 50 25 АМг2 Лист М 100 23 АМг6 Лист М 170 19 АМг6 Лист Н 350 11 Д1 Прессованный профиль Т 480 320 14 Д16 Прессованный профиль Т 520 380 13 АД31 Прессованный профиль Т1 240 190 12 АВ Прессованный профиль Т1 380 300 12 АК6 Поковка Т 400 290 12 АК8 Поковка Т 480 380 9 АК4‑1 Поковка Т 420 320 8 В95 Прессованный профиль Т1 600 560 8 14 Глава1.Алюминийиегосплавы Таблица Состав термически упрочняемых алюминиевых сплавов Марка сплава Содержание, % Буквен‑ ная Циф‑ ровая Cu Mg Mn Fe Si Другие элементы Д1 1110 3,8–4,8 0,4–0,8 0,4–0,8 < 0,7 < Д 1160 3,8–4,9 1,2–1,8 0,3–0,9 < 0,5 < АД 1310 < 0,1 0,4–0,9 < 0,1 < 0,5 0,3–0,7 – АВ 1340 0,1–0,5 0,45–0,90 0,15–0,35 < 0,5 0,5–1,2 – АК6 1360 1,8–2,6 0,4–0,8 0,4–0,8 < 0,7 0,7–1,2 – АК8 1380 3,9–4,8 0,4–0,8 0,4–1,0 < 0,7 0,6–1,2 – АК4‑1 1141 1,9–2,7 1,2–1,8 < 0,2 0,8–1,4 < 0,35 Ni В 1950 1,4–2,0 1,8–2,8 0,2–0,6 < 0,5 < 0,5 Zn 5,0–7,0 1.1. Основы термической обработки алюминиевых сплавов Для алюминиевых сплавов широкое распространение получили три основных вида термической обработки отжиг, закалка, термомеханическая обработка и старение. Отжиг Отжиг слитков или деформированных полуфабрикатов применяют в тех случаях, когда возникшее по тем или иным причинам неравновесное состояние сплава обусловливает появление нежелательных свойств, чаще всего пониженной пластичности. В алюминиевых сплавах наблюдаются три разновидности пониженной пластичности) неравновесное состояние, свойственное литым сплавам, образование неравновесной эвтектики по границам дендритных ячеек) неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией, особенно холодной) неравновесное состояние, вызванное предыдущей упрочняющей обработкой — закалкой и старением 15 1.1.Основытермическойобработкиалюминиевыхсплавов Основная особенность этого состояния заключается в том, что оно может быть только в термически упрочняемых сплавах. Отжиги могут быть следующих видов. Гомогенизационный. Температура гомогенизации для промышленных алюминиевых сплавов находится в пределах от 450 до 560 С, а выдержка — от 4 до 36 ч. Переходные металлы (Mn, Cr, Zr) незначительно растворяются в алюминии. Поэтому при гомогенизации происходит растворение эвтектики, содержащей Zn, Li, Si, и выделяются интерметаллиды, содержащие Mn, Cr, Zr. Последние являются продуктами распада пересыщенного твердого раствора, образующегося при кристаллизации. Рекристаллизационный. Применяется в качестве промежуточной операции между операциями холодной пластической деформации или между холодной и горячей деформациями. В ряде случаев рекристал‑ лизационный отжиг применяют в качестве окончательной термообработки деформированных полуфабрикатов, когда необходимо иметь сочетание низкой или умеренной прочности с высокими характеристиками пластичности. На практике температура рекристаллизационного отжига на 50–150 С превышает температуру окончательной рекристаллизации и для промышленных алюминиевых сплавов колеблется в пределах от 300 до 500 С, выдержка при температуре рекристаллизацион‑ ного отжига составляет 0,5–2,0 ч. Для сплавов, не упрочняемых термообработкой, скорость охлаждения после рекристаллизационного отжига, как правило, не играет роли и может выбираться произвольно (обычно на воздухе. Для термически упрочняемых сплавов скорость охлаждения должна быть определенной, не выше 30 Сч, до 200–250 С, а далее — произвольно. Применительно к некоторым термически неупрочняемым алюминиевым сплавам положение о независимости свойств от скорости охлаждения при отжиге нуждается в уточнении. Ряд алюминиевых сплавов, не упрочняемых термообработкой, претерпевает фазовые превращения в твердом состоянии, поэтому структура таких сплавов после охлаждения от температуры отжига с разными скоростями будет различной, но эти различия практически не сказываются на механических свойствах. Другие свойства, в частности коррозионная стойкость некоторых сплавов, более чувствительны к изменению структуры, которое наблюдается в зависимости от скорости охлаждения при отжи‑ 16 Глава1.Алюминийиегосплавы ге. Например, сплав АМг6 после охлаждения на воздухе гораздо менее склонен к коррозии под напряжением, чем после охлаждения вводе. Гетерогенизационный. Дорекристаллизационный отжиг — неполный отжиг, применяют для окончательной термообработки с целью получения полуфабрикатов (обычно листов) с промежуточными свойствами. Неполный отжиг проводят при температуре ниже температуры окончания рекристаллизации, в результате чего сплав приобретает полигонизованную или частично рекристаллизованную структуру. Гетерогенизационный отжиг термически упрочняемых полуфабрикатов проводится с целью их разупрочнения. Закалка Закалка применяется для термически упрочняемых сплавов с целью получения в структуре пересыщенного твердого раствора. Например, в сплаве Al—4 % Cu равновесная растворимость меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0,2 %, после закалки — пересыщение более чем в 20 раз. Температура нагрева под закалку выбирается в пределах 450–560 С. Время выдержки для деформированных сплавов десятки минут, для литейных — часы или десятки часов. Критическая скорость охлаждения и прокаливаемость при закалке в холодной воде некоторых алюминиевых сплавов приведены в табл. Скорость охлаждения в холодной воде тонкостенных изделий 600– 800 °С/с значительно превышает критическую скорость закалки литого алюминиевого сплава. Таблица Критическая скорость охлаждения и прокаливаемость при закалке в холодной воде Сплав Система кр, °С/с Максимальная толщина плиты, прокаливающейся насквозь, мм В93 Al–Zn–Mg–Cu 3–5 250–300 АК4‑1 Al–Cu–Mg 10–20 Д В с добавлением Mn и Cr 100–120 Малую критическую скорость закалки имеют низколегированные сплавы систем Al–Mg–Si (АД, Al–Zn–Mg (1915, 1935), Al–Mg–Li (1420). 17 1.1.Основытермическойобработкиалюминиевыхсплавов Для таких сплавов возможно совмещение процесса закалки с охлаждением изделий после их горячей деформации, поскольку температура горячей деформации для ряда алюминиевых сплавов близка к температуре закалки. Охлаждение вводе не может рассматриваться как окончательный вариант закалки во всех случаях. Очень высокая скорость охлаждения при закалке вводе приводит к образованию больших внутренних напряжений, которые вызывают коробление изделий. Это особенно проявляется в крупногабаритных изделиях сложной конфигурации, правка которых после закалки весьма трудоемка и дорогостояща. Термомеханическая обработка Основная идея термомеханической обработки (ТМО) заключается в сочетании пластической деформации и термической обработки. Для алюминиевых сплавов применяются три вида ТМО: 1. Высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО) и ее разновидности и предварительная термомеханическая обработка (ПТМО). Основная цель — повышение прочности и коррозионной стойкости при сохранении высокой пластичности. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Основная цель — повышение прочности (при заметном снижении пластичности. Межоперационная термомеханическая обработка (МТМО). Основная цель — повышение равномерности свойств по объему, уменьшение анизотропии свойств и особенно повышение характеристик пластичности в поперечном и высотном направлениях. Высокотемпературная термомеханическая обработка Различие отдельных способов ВТМО в основном заключается в условиях проведения высокотемпературной деформации. Степень и скорость деформации необходимо выбрать таким образом, чтобы подавить первичную рекристаллизацию. Например, при штамповке средняя степень деформации сплавов АК6, В, АМц, Вне должна превышать 30 %, наилучшие механические свойства достигаются при степенях деформации 10–15 На рис. 1.5 приведены схемы различных видов ВТМО алюминиевых сплавов. Простая ВТМО (см. риса деформацию производят 18 Глава1.Алюминийиегосплавы при температуре нормального нагрева под закалку. Применяют в тех случаях, когда сплавы обладают достаточной пластичностью вобла сти температур нагрева под закалку (АК6, АВ). а б в г 1 2 I II 1 2 4 3 1 2 4 3 2 Рис. 1.5. Виды ВТМО алюминиевых сплавов в зависимости от условий совмещения операций закалки и горячей деформации I — область гомогенного состояния II — область оптимальной технологической пластичности 1 — нагрев и выдержка под закалку 2 — обработка давлением 3 — подстуживание до температуры деформирования 4 — быстрое охлаждение Усложненная ВТМО (рис. 1.5, б, в деформацию проводят с предварительным подстуживанием до температуры достаточно высокой пластичности (например, сплав В93). Возможны два варианта этого вида. Сплав обладает широкой областью гомогенности твердого раствора и при подстуживании до температуры деформации остается в состоянии устойчивого твердого раствора (например, сплав В. В этом случае подстуживание можно производить с произвольной скоростью (рис. 1.5, б. Если интервал температур оптимальной технологичности находится вне области твердого раствора, применение усложненной ВТМО также возможно, но подстуживание необходимо проводить с повышенной скоростью (рис. 1.5, в). Для некоторых сплавов возможна и схема, показанная на рис. 1.5, г. Заготовки нагревают до оптимальной температуры деформации (ниже температуры нагрева под закалку, но деформирование проводят при таких скоростях, при которых материал изделия за счет работы деформации нагревается до нормальной температуры нагрева под за 19 1.1.Основытермическойобработкиалюминиевыхсплавов калку. Этот способ дает хорошие результаты для сплавов системы Температура рекристаллизации ряда термически упрочняемых алюминиевых сплавов, подвергнутых горячей обработке давлением по определенным режимам, превышает температуру нагрева под закалку. В этом случае горячедеформированный полуфабрикат после окончательной обработки имеет нерекристаллизованную (полигони‑ зированную) структуру, что обусловливает, как правило, его повышенную по сравнению с аналогичным рекристаллизованным полуфабрикатом прочность. Повышение прочности за счет сохранения после термической обработки нерекристаллизованной структуры наиболее ярко проявляется у прессованных полуфабрикатов, применительно к которым это явление получило название пресс‑эффекта (структурное упрочнение). Чистый алюминий имеет низкую температуру рекристаллизации менее 100 С. Все легирующие компоненты повышают температуру рекристаллизации алюминиевых сплавов, однако основные легирующие компоненты — медь, магний, цинк, кремний — повышают ее относительно слабо. Резкое повышение температуры рекристаллизации алюминиевых сплавов обеспечивается малыми добавками переходных металлов (марганца, хрома, железа, циркония, титана, ванадия, которые вводятся в большинство алюминиевых сплавов или присутствуют в них в качестве неизбежных примесей. Наиболее значительное повышение температуры рекристаллизации как после горячей, таки после холодной деформации наблюдается в сплавах с добавками циркония. Температурный уровень рекристаллизации алюминиевых сплавов, не содержащих в своем составе переходных металлов, при самых благоприятных прочих условиях (схема напряженного состояния, температура деформации и т. д) намного ниже температур нагрева под закалку (460–530 СИ только за счет добавок переходных металлов (главным образом, марганца, хрома и циркония) температура рекристаллизации ряда полуфабрикатов становится выше температуры нагрева под закалку. Следовательно, одним из условий структурного упрочнения является присутствие в сплавах переходных металлов. Вид обработки, температура, скорость и степень деформации влияют на температуру рекристаллизации деформированных изделий, поскольку этот фактор определяет уровень упругой энергии последе формации. Упругая энергия будет тем меньше, чем выше температура 20 Глава1.Алюминийиегосплавы деформации и чем меньше ее скорость. Прессование при прочих равных условиях обеспечивается наименьшим запасом упругой энергии, для которого характерна схема всестороннего сжатия и меньшая скорость деформирования. Следовательно, при постоянном составе сплава наиболее высокую температуру рекристаллизации имеют горячепрессованные полуфабрикаты. Благодаря очень высокой температуре рекристаллизации, обусловленной присутствием в алюминиевых сплавах переходных металлов, после горячей деформации рекристаллизация не происходит при любых скоростях охлаждения. Текстура деформации в этом случае сохраняется и после нагрева под закалку и последующей закалки. Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО) НТМО заключается в холодной деформации. Схемы НТМО между закалкой и старением) закалка — холодная пластическая деформация — искусственное старение) закалка — естественное старение — холодная деформация — искусственное старение) закалка — искусственное старение — холодная деформация — искусственное старение. Указанные схемы НТМО проще всего осуществить при производстве листов. Например, для сплава Д после обычной термообработки — закалки и естественного старения — имеются следующие типичные механические свойства s в = 450 МПа, s 0,2 = 350 МПа, d = 18 %. После НТМО по режимам закалки, деформации 20 %, старения при 130 Сч механические свойства листов будут s в = 510 МПа, s 0,2 = 410 МПа, d = 12 %. Старение Старение представляет собой выдержку закаленного на пересыщенный твердый раствор сплава при некоторых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят структурные изменения, являющиеся подготовкой к распаду. Цель старения — дополнительное повышение прочности закаленных сплавов 21 1.1.Основытермическойобработкиалюминиевыхсплавов Сильная пересыщенность твердого раствора в закаленном сплаве обусловливает его термодинамическую нестабильность. Распад твердого раствора, приближающий фазовое состояние к равновесному, а следовательно, к уменьшению свободной энергии сплава, является самопроизвольно идущим процессом. Во многих закаленных алюминиевых сплавах подготовительные стадии распада, а иногда и начало собственно распада проходят без специального нагрева, при вылеживании при комнатной температуре в естественных условиях. Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях (при температуре окружающей среды, которая приводит копре деленным изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается, называют естественным старением. Нагрев закаленных алюминиевых сплавов до относительно невысоких температур (обычно в интервале 100–200 Си выдержку при этих температурах (в пределах от нескольких часов до нескольких десятков часов) называют искусственным старением. Процесс распада пересыщенных твердых растворов, на примере наиболее изученных Al–Cu сплавов, по мере повышения температуры нагрева или увеличения продолжительности выдержки при постоянной температуре развивается следующим образом. В твердом растворе образуются субмикроскопические области — зоны с повышенным содержанием меди. Если, например, в твердом растворе содержится 4 % Cu, а в химическом соединении q (Al 2 Cu), которое в конечном счете должно выделиться из твердого раствора, 52 % Cu, то концентрация меди в зонах является промежуточной и возрастает по мере развития процесса. Эти зоны получили название зон Ги‑ нье — Престона (ГП). Зоны ГП в сплавах Al–Cu имеют пластинчатую форму и образуются на кристаллографических плоскостях (100). Зоны ГП — это часть твердого раствора, их кристаллическая структура такая же, как и твердого раствора, но постоянная решетки несколько меньше из‑за повышенной концентрации меди, атомный радиус которой меньше, чем алюминия. Для зон ГП характерны небольшие размеры (толщина 0,5–1,0 нм, диаметр 4–10 нм. В твердом растворе образуются выделения промежуточной фазы, состав которых соответствует фазе Выделения фазы q с тетрагональной, отличной от матрицы, решеткой полностью когерентны с алюминиевым твердым раствором. Для 22 Глава1.Алюминийиегосплавы этой фазы характерно упорядоченное взаимное расположение атомов меди и алюминия, при котором часть плоскостей занята только атомами меди, а часть — только атомами алюминия. Максимальная толщина выделений q составляет 10 нм, а диаметр — до 150 нм. q лишь условно может называться фазой, поскольку частицы q не имеют дискретной границы раздела с матрицей. Из твердого раствора выделяются частицы промежуточной фазы. Эта стадия является началом собственно распада твердого раствора. Фаза qў по составу соответствует стабильной фазе q (Al 2 Cu), имеет свою кристаллическую решетку, отличную и от решетки алюминия, и от решетки фазы. Выделения фазы сопряжены, когерентны с решеткой алюминия по плоскостям (100). Таким образом, фазане полностью отделена от матрицы поверхностью раздела. Выделения фазы образуются из фазы, однако при повышении температуры не все частицы q превращаются в частицы qў, часть их растворяется, вместе стем не исключена возможность образования частиц qў непосредственно из твердого раствора. Образование стабильной фазы (Al 2 Cu), когерентность решеток матрицы и выделяющейся фазы полностью нарушаются. Коагуляция фазы (Деление процесса распада на пять приведенных выше стадий условно, в сплаве могут быть одновременно зоны ГП и q, q и qў, qў и q‑частиц. Рассмотренные выше стадии охватывают процесс распада пересыщенного твердого раствора полностью, дополучения равновесного состояния. При естественном старении обычно образуются зоны ГП, при искусственном старении — фаза. Четвертая и пятая стадии наблюдаются лишь при отжиге, те. при нагреве до температур 300–400 °С. Схема распада пересыщенного твердого раствора в сплавах Al–Cu в основном справедлива и для термически упрочняемых сплавов других систем, двойных и более сложных. Отличие заключается лишь в том, что в каждом сплаве — свои (одна или несколько) упрочняющие фазы. Упрочняющими фазами в алюминиевых сплавах являются интерметаллиды, которые характеризуются переменной растворимостью в алюминии и при нагреве под закалку растворяются в алюминии, а при старении и других нагревах закаленного сплава выделяются из пересыщенного твердого раствора (или, по крайней мере, происходят процессы подготовки к их выделению |