Лабораторная работа 2 Изучение влияния термической обработки на структуру и свойства дуралюмина

Цель работы: Изучение влияния термической обработки на структуру и свойства дуралюмина.

Общие сведения

Все дуралюмины, применяющиеся в настоящее время в промышленности, можно разделить на четыре группы: 1) классический дуралюмин Д1; 2) дуралюмин повышенной прочности Д16, отличающийся от Д1 повышенным содержанием магния; 3) дуралюмины повышенной жаропрочности (Д19, ВАД1, ВД17), которые отличаются от Д1 повышенным отношением Mg/Cu; 4) дуралюмины повышенной пластичности (Д18, В65), которые отличается от Д1 пониженным содержанием некоторых компонентов.

Дуралюмины – это многокомпонентные сплавы со сложным фазовым составом на базе системы алюминий – медь – магний.

Медь и магний являются в дуралюминах главным легирующими элементами, растворяющиеся в алюминии с образованием твердого раствора замещения меди и магния в алюминии и упрочняющих фаз [(CuAl₂),

S(CuMg Al₂)].

Кроме меди и магния в дуралюминах всегда содержится марганец, примеси железа и кремния. Марганец может присутствовать в сплавах в виде фаз T(Al₁₂Mn₂Cu), (Al-Mn-Fe-Si), Al₆(Mn, Fe). Две последние фазы, кристаллизующиеся в виде грубых пластин, отрицательно влияют на механические свойства – снижают пластичность. Дисперсные включения марганцевой фазы Т повышают температуру первичной рекристаллизации, затрудняют рост зерен при вторичной рекристаллизации, улучшают коррозионную стойкость.

Для получения лучших механических свойств соотношение примесей железа и кремния в дуралюминах близкое 1:1 предпочтительнее, чем превышение железа или кремния, а их содержание не должно превышать десятых долей процента. Кристаллы фаз (Al-Fe-Si) и (Al-Mn-Fe-Si) не содержат основных легирующих элементов меди и магния и не уменьшают прочностных свойств.

Термическая обработка дуралюмина

Термическую обработку дуралюминов рассмотрим на примере дуралюмина марки Д16.

Химический состав по ГОСТ4884-74 : Cu = 3,8 – 4,9%; Mg = 1,2 – 1,8%; Mn = 0,3 – 0,9%; Si ≤ 0,5%; Fe ≤ 0,5%.

В литом неравновесном состоянии структура сплава состоит из -твердого раствора меди, магния, марганца в алюминии и структурных составляющих (+S)+(++S)+_II+S_II, которые располагаются по границам зерен твердого раствора (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Структура дуралюмина в литом состоянии

Механические свойства литого дуралюмина невысокие: _В= 160–90 МПа,  = 1 – 2%.

Повысить механические свойств можно упрочняющей термической обработкой: изделие из дуралюмина подвергают закалке и естественному или искусственному старению.

Целью закалки дуралюмина является получение при комнатной температуре структуры однородного пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в алюминии.

Температуру закалки выбирают выше линии предельной растворимости меди в алюминии. На диаграмме состояния Al – Cu (рис. 2.2) очень близкой к температуре плавления эвтектик, но ниже ее.

Рис. 2.2. Выбор температуры закалки дуралюмина

По диаграмме состояния Al – Cu

Как показано в диаграмме, медь с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65% при эвтектической температуре 548С. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1% при 20С, согласно линии FC.

Сплав, соответствующий Д16(3,8–4,9%Cu), выражается линией I–I, температура закалки определяется т. t₃, лежащей несколько выше линии предельной растворимости меди в алюминии, при которой сплав приобретает строение однородного твердого раствора.

По мере повышения содержания магния в дуралюминах и увеличения отношения Mg/Cu их фазовый состав изменяется от + до +S. При высоких температурах близких к солидусу сплав Д16 остается в двухфазной области +S, у самой границы с однофазной. Это означает, что растворимость фаз  и S с повышением температуры увеличивается, и нагрев дуралюминов до 500 С приводит к почти полному растворению интерметаллических фаз.

Для Д16 температура закалки выбирается 492–500 С, т. к. в сплаве Д16 может находиться тройная эвтектика (++S) с температурой плавления 503С.

Недогрев до этой температуры связан с сохранением нерастворившихся частиц (CuAl₂), S(CuMg Al₂).

Нагрев выше допустимых пределов может привести к оплавлению легкоплавких структурных составляющих (эвтектик) по границам зерен, что сопровождается окислением металла по границам зерен, и образованием при последующей кристаллизации жидкой фазы усадочной пористости. Пережог ведет к снижению усталостной прочности, коррозионной стойкости, пластичности и прочности. Пережог является неисправимым браком. Контролируют его по микроструктуре.

При закалке важно обеспечить высокую скорость охлаждения, следует охлаждать в холодной воде при минимальном времени переноса изделий из печи в воду. Даже незначительный распад твердого раствора с выделением промежуточных интерметаллических фаз по границам зерен ведет к повышению межкристаллитной коррозии. После закалки дуралюмин имеет структуру пересыщенного твердого раствора легирующих элементов в алюминии и является пластичным, но малопрочным материалом.

_В = 240 – 260МПа,  =20 – 22 %; состояние пластичности сохраняется 20-40мин.

Дуралюмины упрочняются при старении. Старение связано с распадом пересыщенного твердого раствора, т. к. такой раствор является метастабильным и при длительном пребывании в области нормальных температур или при сравнительно невысоком нагреве изменяет свое состояние, приближаясь к равновесному.

Старение при нормальных температурах (естественное старение) ведет к максимальному упрочнению сплава через 5–7 суток. На начальных стадиях распада пересыщенного твердого раствора образуются объемы, обогащенные медью и магнием, получившие название зон Гинье-Престона (ГП-зоны). Диаметр зон ГП составляет 10–50нм, а толщина – несколько атомных слоев. Эти зоны когерентно связаны с кристаллической решеткой твердого раствора. Они вызывают искажение решетки твердого раствора, что и приводит к увеличению его прочности.

Максимальная прочность достигается для Д16 через 4 суток. Естественное старение дуралюминов обеспечивает сочетание высоких значений временного сопротивления разрыву и относительного удлинения.

Большое значение имеет начальный или инкубационный период старения (20–60мин), тогда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость, что позволяет легко осуществлять различные технологические операции, связанные с холодной обработкой давлением. Но по истечении этого периода пластичность падает и холодная обработка давлением затрудняется.

Механические свойства Д16 после закалки и естественного старения составляют: прессованные прутки и профили – _В = 530МПа, _0,2 = 400МПа,  = 11%; листы, плиты – _В = 440МПа, _0,2 = 330МПа,  =18%.

При искусственном старении, вследствие более высокой температуры, превращения происходят быстрее, не останавливаясь на образовании ГП-зон. ГП-зоны с течением времени переходят в неустойчивые метастабильную ′ и S′-фазы, близкие по составу к металлическому соединению CuAl₂ и CuMgAl₂. Эти метастабильные фазы когерентно связаны с кристаллической решеткой обедненного основного -твердого раствора. Эта стадия наступает при температурах 80–150 С. Ее продолжительность до суток.

Эта стадия, также как и естественное старение, способствует образованию наиболее эффективной дислокационной структуры, обеспечивающей заметное торможение дислокаций и значительное упрочнение.

Образование стабильных обособившихся частиц химических соединений (CuAl₂) и S(CuMgAl₂), которые по размерам на несколько порядков крупнее включений метастабильных фаз, протекает на второй стадии искусственного старения. Эти соединения когерентно не связаны с твердым раствором, кристаллическая решетка последнего претерпевает значительно меньшее искажение, и поэтому происходит разупрочнение сплава.

Таким образом, при искусственном старении прочность дуралюмина сначала возрастает, а затем начинает падать (рис. 2.3).

Рис. 2.3. Кривые старения дуралюмина

При низких температурах (-50 С) процесс старения протекает очень медленно.

Повышение температуры старения ускоряет старение, но снижает максимум на кривых старения. Смещение максимума влево с увеличением температуры старения объясняется ускорением процессов диффузии при нагревании, с более ранним по времени образованием стабильных - и S-фаз, разупрочняющих материал.

Прочность дуралюминов при 150–200 С определяется в основном скоростью распада пересыщенного твердого -раствора, полученного при закалке. В сплаве Д1 протекают следующие процессы: из  выделяется CuAl₂, из -твердого раствора выделяется CuAl₂ и Al₂CuMg. Чем сложнее по составу выделяющееся из твердого раствора соединение, тем медленнее образуются зародыши этого соединения, и тем медленнее они растут. Поэтому в Д16 твердый раствор будет распадаться медленнее, т. е. -твердый раствор в Д16 будет более устойчивым. Структура после старения дуралюмина представляет собой α-твердый раствор легирующих элементов в алюминии и частиц фаз (CuAl₂), S(CuMg Al₂). Механические свойства листов из Д16 при повышенных температурах (выдержка испытания 0,5 ч) составляет соответственно:

при 20С: _в = 435МПа,  = 19%;

при 150С: _в = 375МПа,  =19%;

при 175С: _в = 355МПа,  =18%;

при 200С: _в=330МПа, =25%.

Сплав Д16 по сравнению с другими алюминиевыми сплавами имеет высокие показатели конструкционной прочности _В = 440МПа, _0,2 = 400МПа,  = 6 %.

Они могут быть повышены снижением допустимого количества примесей железа и кремния.