19. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой. Их состав, свойства, механизмы упрочнения. Явление возврата. Применение.

ОТВЕТ. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 9.1.) в сплавах образуются следующие фазы:

α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl₂, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θII, причем частицы θII располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 9.2. а).

Рис.9.1. Диаграмма состояния Al-Cu.

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θ_II-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 9.2 б, 9.2 а).

а) б) в)

Рис.9.2. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θ_II), б – после закалки (α-твердый раствор), в - после закалки и старения.

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Процесс старения идет в 3 стадии:

• На первой стадии старения атомы меди образуют скопления в кристаллической решетке α–твердого раствора - зоны Гинье-Престона (зоны ГП) (рис. 48 б), что вызывает искажения кристаллической решетки и, следовательно, повышение прочности сплава.

• На второй стадии старения по мере выдержки сплава при повышенных температурах образуется метастабильная θ'-фаза, близкая по составу к CuAl2, имеющая свою кристаллическую решетку, которая сохраняет когерентные связи с решеткой α-твердого раствора. Это усиливает искажения кристаллической решетки, твердость и прочность сплава повышается.

• На третьей стадии старения при дальнейшей выдержке происходит срыв когерентности и выделение частиц стабильной θ–фазы (CuAl₂) (рис. 9.2. г). Искажения кристаллической решетки частично снимаются, и прочность сплава понижается.

20. Выбрать сталь и назначить термическую обработку для нагруженной шестерни заднего моста и для ненагруженной шестерни масляного насоса. Обоснуйте свой выбор.

21. Испытание на удар. Ударная вязкость и порог хладноломкости. Влияние основных факторов на эти характеристики.

ОТВЕТ. Испытание на удар, Ударная вязкость и порог хладноломкости

Определение ударной вязкости производится на маятниковом копре рис. 2.3.

Рис. 2.3. Схема испытания на удар, а) маятниковый копёр, б) образец, в) положение образца при ударе.

Под ударной вязкостью понимается работа, затраченная на разрушение образца от динамического изгиба, отнесённая к площади поперечного сечения образца в месте надреза.

Рис. 2.4. Схема хрупкого и вязкого разрушения металла в зависимости от температуры испытания. t_и и t_н – верхняя и нижняя границы критического температурного интервала хрупкости; S – сопротивление отрыву; σ_т – предел текучести.

Понижение температуры практически не изменяет сопротивление отрыву S (разрушающего напряжения), но повышает сопротивление пластической деформации σ_т (предел текучести). Поэтому металлы, вязкие при сравнительно высоких температурах, могут при низких температурах разрушаться хрупко. В указанных условиях сопротивление отрыву достигается при напряжениях, меньших, чем предел текучести. Точка tn. пересечения кривых S и σ_т, соответствующая температуре перехода металла от вязкого разрушения к хрупкому, получила название критической температуры хрупкости или порога хладноломкости (tn.). Чем выше скорость деформации, тем больше склонность металла к хрупкому разрушению. Все концентраторы напряжений способствуют хрупкому разрушению.