Структура и способы упрочнения алюминия. Легирование, термическая обработка и нагартовка

01.06.2020

Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева с порядковым числом 13 и атомной массой 26,97. Плотность чистого металла 2700 кг/м3, температура плавления 931 К, кипения 2725 К. Он обладает высокой пластичностью и малой прочностью. В отожженном состоянии листы алюминия имеют следующие механические свойства: временное сопротивление разрыву ов=100 МПа, условный предел текучести о0,2=30 МПа, относительное удлинение b=35 %, относительное сужение W=80%. Прочность листового алюминия может быть увеличена до 170—180 МПа за счет нагартовки.

В строительстве применяются легированный алюминий и упрочненные термообработкой и нагартовкой сплавы алюминия. В настоящее время насчитывается около 300 композиций сплавов алюминия с другими элементами. В книге отобраны и предлагаются к применению только те отечественные марки сплавов, которые зарекомендовали себя в строительстве в качестве технологичного и прочного материала, удовлетворяющего эксплуатационным требованиям к строительным конструкциям и деталям.

Алюминий имеет поликристаллическое строение. Решетка идеального кристалла (монокристалла) алюминия (рис. 3, б) — гранецентрированная, кубическая с параметрами: а=4,04*10в-10 м и атомным радиусом 1,41*10в-10 м. Реальные зерна, или кристаллы, отличаются от монокристаллов наличием вакансий (или «атомных дырок») и дислокациями (рис. 3, в). Они состоят из блоков, повернутых на некоторый угол относительно друг друга (рис. 3, г).

В соответствии с теорией дислокации (рис. 3, а) наибольшая прочность предполагается в чистом металле при отсутствии дислокаций. Практически такой металл пока получить невозможно. При некотором количестве дислокаций прочность падает до минимума. Повышается прочность в результате увеличения полезной плотности дислокаций, которая наблюдается при легировании, термообработке и других способах внедрения чужеродных элементов, искажающих кристаллическую решетку основного металла.

Всеми этими способами достигается блокирование дислокаций, что ведет к повышению упругой области работы сплава. Деформация металла в пределах упругости не вызывает никаких изменений в упрочненном таким образом алюминии. Приложение усилий, вызывающих пластические деформации, сопровождается сдвигами в кристаллических решетках. Происходит еще большее увеличение плотности дислокаций с уменьшением пластичности и повышением прочности уже упрочненного металла. Этот процесс называется холодным деформированием или нагартовкой (наклепом).

Упрочнение алюминия путем легирования. Для силовых элементов и деталей конструкций применяются сплавы алюминия с различными химическими компонентами, состав которых определяет способ получения полуфабрикатов. Все алюминиевые сплавы делятся на деформируемые и литейные. В строительстве получили распространение главным образом деформируемые сплавы алюминия (см. табл. 1): упрочняемые термической обработкой и неупрочняемые. К группе неупрочняемых относятся технический алюминий и двухкомпонентные сплавы на основе алюминий — марганец и алюминий — магний (магналии). Типичная диаграмма состояния таких сплавов показана на рис. 4.

К упрочняемым относятся многокомпонентные сплавы на основе алюминий — магний — кремний, алюминий — медь — магний, алюминий — цинк — магний. Таким образом, основными добавками являются марганец, магний, медь, кремний, цинк. Марганец немного повышает механические свойства чистого алюминия, в сложных сплавах улучшает антикоррозионные свойства, с этой целью в основном и вводится в них. Магний увеличивает прочность алюминия, уменьшает его массу. Однако при большом содержании добавки снижается величина модуля упругости. Кроме того, такие сплавы трудно поддаются горячему деформированию. Медь — основная легирующая добавка наиболее старой и известной группы сплавов — дуралюминов. Добавка меди значительно повышает прочность алюминия, но снижает пластичность и ухудшает антикоррозионные свойства. Наилучший эффект упрочнения медь дает вместе с магнием. Кремний придает алюминию жидкотекучесть, легкоплавкость, но ухудшает пластичность. Цинк сильно упрочняет алюминий, особенно с магнием. Однако при некоторых композициях сплавы с цинком склонны к коррозии под напряжением. Кроме основных компонентов в сплавы алюминия добавляются в небольшом количестве хром, ванадий, титан, цирконий и др. Железо является нежелательной примесью, но из-за трудности очистки от него алюминия неизбежной.

Для изображения тройных систем сплавов используют косоугольную систему координат с углом п/3 рад в виде равностороннего треугольника (рис. 5, а), на который наносят сетку концентрации составляющих компонентов. Вершины треугольника соответствуют чистым элементам. Ординаты температур располагаются перпендикулярно плоскости треугольника, поэтому полная диаграмма состояния тройного сплава изображается пространственной фигурой. Путем развертки или рассечением плоскостью такой пространственной фигуры можно получить диаграмму для каких-то определенных состояний трех компонентов. На рис. 5, б дан пример диаграммы состояния сплава Al—Mg—Zn.

Все тройные и многокомпонентные алюминиевые сплавы в настоящее время имеют уже более или менее определенный химический состав (табл. 1). Соотношение составляющих компонентов в них подбирается в первую очередь для получения эффективного состава упрочняющих фаз, который после специальной термической обработки дал бы максимальное повышение прочности сплава при сохранении хороших технологических свойств (способности к прессованию, прокатке, резке, сварке и т. п.) и стойкости против коррозии. Специальной термической обработкой для упрочнения этих сплавов является закалка изделий с последующим старением (отпуском).


В зависимости от композиций и составляющих компонентов сплавы в соответствии с ГОСТ 4784—74 имеют в настоящее время две маркировки: старую и рекомендуемую новую, цифровую, которая уже частично введена для некоторых марок. Цифровая система отражает химический состав сплавов: цифра первая 1 обозначает основу сплава — алюминий, цифра вторая — композицию компонентов, а именно: 0 — технический чистый алюминий, 1—Al—Cu—Mg, 3—Al—Mg—Si, 4—Al—Mn, 5—Al—Mg, 9—Al—Mg—Zn. Двумя последними цифрами обозначается порядковый номер сплава в своей группе (композиции).

Термическая обработка алюминиевых сплавов. Основными видами термической обработки алюминиевых сплавов (табл. 2) являются отжиг, закалка, старение (отпуск).

Отжиг происходит без фазовых превращений. В зависимости от исходного состояния металла и требуемых свойств он может быть в виде гомогенизации, рекристаллизации и отжига (возврата) для снятия остаточных напряжений. Отжигу подвергаются сплавы для того, чтобы структура металла из неустойчивого состояния, вызванного различными условиями кристаллизации или деформированием, была приведена в устойчивое однородное состояние, характеризующееся мелкозернистостью. Отжиг-возврат (отдых) почти восстанавливает физические и механические свойства сплава, которые он имел до деформации или старения (рис. 6, а). При этом понижается прочность и повышаются пластичность и ударная вязкость, что используется при технологических операциях изготовления алюминиевых конструкций из некоторых термообрабатываемых сплавов.

Закалка (быстрое охлаждение) — это процесс, относящийся к сплавам, способным к фазовым превращениям в твердом состоянии. В результате повышается прочность. Процессы, происходящие при закалке, основаны на том, что в сплаве, нагретом выше предельной линии растворимости, но ниже температуры солидуса, фиксируется a-твердый раствор (см. рис. 4). При нормальной температуре он неустойчив и при старении выделяет компоненты. Эти компоненты и образуют с алюминием химические соединения, являющиеся упрочнителями.

Старение (отпуск) — важная технологическая операция, в процессе которой происходят изменения в кристаллической решетке, приводящие ее в более устойчивое состояние. Во время старения выделяются так называемые зоны Гинье — Престона, представляющие собой тонкие пластинчатые образования. Толщина их достигает 10в-9/4*10в-9 м, а длина 10в-8/4*10в-8 м. Схема образования зон Гинье — Престона представлена на рис. 6, б.

По составу это зоны повышенной концентрации растворенного компонента. Они располагаются внутри кристалла. При низких и нормальных температурах старение происходит только до первой стадии. Интенсивность его повышается при температурах 423—473 К. В связи с этим различают естественное и искусственное старение. Естественное старение — это отпуск при нормальной температуре, а искусственное старение — выдерживание полуфабрикатов в специальных электрических печах при температуре 423—473 К. В процессе естественного старения прочность набирается в течение 5—7 суток. При искусственном старении срок отпуска сокращается в 2—3 раза в зависимости от состава сплава и требований к нему.

Под закалку изделия из сплавов нагреваются до температур, указанных в табл. 2. Время выдержки (от 15 до 200 мин) при нагреве зависит от максимальной толщины обрабатываемого профиля. Практически термическая обработка, т. е. нагрев изделий, например профилей, происходит в электрических вертикальных печах с круглым или прямоугольным сечением камеры. Под печами располагаются баки со средой, в которой изделия закаливаются. При закалке полуфабрикат погружается в воду с нормальной температурой, в кипящую воду или масло, нагретое до температуры 313—373 К. Возможна изотермическая закалка в жидкой среде (селитре, масле и т. п.), нагретой до 373—523 К, с выдержкой в несколько часов. В зависимости от режима и способа термической обработки материал профилей и листов может получить отжиг, закалку и естественное старение, закалку и искусственное старение, неполную закалку (при прессовании на прессе) и искусственное старение.

Упрочнение алюминия и его сплавов путем холодного деформирования — нагартовки. Такое упрочнение осуществляется прокаткой через валки. При холодном деформировании в результате разрушения межкристаллитных прослоек и запрессовывания нагартовкой усадочных пор и пузырей обеспечивается более плотный контакт внутри кристаллитов. При рентгенографии наклепанного металла выявляются ориентировка зерен, текстура (рис. 7, б).

Степень деформации металла при холодном деформировании характеризуется коэффициентом вытяжки р и коэффициентом обжатия, или степенью нагартовки W:u = l1/l0 = F0/F1 W = (F0—F1)/F0*100, где l0, F0 — длина и площадь исходной заготовки; l1, F1 — то же, изделия после обработки.

В зависимости от степени нагартовки повышается прочность сплава и одновременно уменьшается относительное удлинение, т. е. ухудшаются пластические свойства. Тем не менее этот способ упрочнения широко применяется для повышения механической прочности, особенно не упрочненных термической обработкой сплавов на основе алюминий — магний (рис. 8, а). Наиболее эффективно упрочнение таких сплавов после обжатия на 20 %. При повышении степени нагартовки прочность изменяется менее интенсивно. При упрочнении на 20 % предел текучести, например сплавов АМг5 и АМгб, увеличивается в 2 раза, но при этом удлинение уменьшается также в 2 раза, предел прочности изменяется примерно на 1/3.

При больших степенях деформации (40—50 %) между пределами текучести и прочности существует небольшая разница. Это ведет к плохой штампуемости, гибке и к ухудшению других технологических свойств металла. Поэтому промышленностью выпускаются листы, нагартованные на 10—15%, толщиной только до 16 мм. Большая толщина листов, упрочненных холодным деформированием, ограничена трудностью создания больших усилий на валках, особенно при деформировании высокопрочных сплавов. В зависимости от степени нагартовки алюминиевые ленты и листы применяются четвертьнагартованными, полунагартованными, тричетвертьнагартованными и нагартованными.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий:
Информационный некоммерческий ресурс fccland.ru © 2020
При цитировании и использовании любых материалов ссылка на сайт обязательна