Мельниченко Е.В., Селянская Н.П., Фадеева Т.А. - Термическая обработка дуралюмина.

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ

ИНСТИТУТ ХИМИЧЕСКОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

Кафедра «Материаловедение»

ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА

Методические указания к выполнению лабораторной работы

Составители: Е.В.Мельниченко, Н.П.Селянская, Т.А.Фадеева

Допущено редакционно-издательским советом

Москва – 1984 год

ЦЕЛЬ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

Изучить влияние температуры и продолжительности искусственного старения на твёрдость дуралюмина.

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О ТЕОРИИ

Дуралюмины относят к деформируемым сплавам на основе алюминия, упрочнённых путём термической обработки. В их состав входят медь, магний, марганец. Железо и кремний являются постоянными нежелательными примесями, присутствие которых обусловлено технологией получения алюминия.

Химический состав наиболее распространённых марок дуралюмина (ГОСТ 4784) приведён в таблице:

Термическая обработка дуралюмина заключается в закалке и последующем старении. Условием для протекания процесса старения является получение после закалки пересыщенного твёрдого раствора меди в алюминии. Сплавы, в которых возможно получение пересыщенного твёрдого раствора, имеют диаграмму состояния с ограниченной растворимостью компонентов в твёрдом состоянии, причём с понижением температуры растворимость снижается (рис.1).

Процесс термической обработки дуралюмина может быть рассмотрен приближенно на примере сплав алюминий-медь, составляющего основу дуралюмина.

На рис.1 показано, что растворимость меди в алюминии при комнатной температуре составляет 0,2%, а максимальная растворимость при температуре 548ºС равна 5,7%.

Если, например, сплав с 3,5% меди нагреть до однофазного состояния (Выше кривой растворимости СД), то он будет представлять собой однофазный твёрдый раствор замещения меди в алюминии. При нагревании сплава избыточная фаза θ на основе химического соединения CuAl₂ полностью растворяется в α-твёрдом растворе.

Рис.1. Диаграмма

После медленного охлаждения (при отжиге) сплав будет находиться в равновесном состоянии и состоять из двух фаз: α-твёрдого раствора с концентрацией меди 0,2% и θ_II (рис.2). Отожженный дуралюмин имеет относительно невысокие механические свойства: 20 кгс/мм² (200 МПа), δ≈20%.

Если охлаждение сплава из α-области произвести быстро, то есть произвести закалку, то диффузионные процессы будут подавлены и выделение избыточной фазы θ_II не успеет произойти. После охлаждения при комнатной температуре сплав будет однофазным (рис.3), причём концентрация меди в алюминии будет такой же, какой она была при высокой температуре – 3,5% меди. Данный α-твёрдый раствор будет находиться в пересыщенном, неравновесном состоянии.

В свежезакалённом сплаве атомы меди располагаются в кристаллической решётке алюминия в случайных местах, статически неупорядоченно. После закалки дуралюмин имеет невысокую твёрдость и прочность (σ_В=25кгс/мм² (250 МПа)) и значительную пластичность δ≈25%.

Упрочнения алюминиевых сплавов достигают последующим старением. Старение – явление самопроизвольного упрочнения закалённого сплава в результате изотермического распада твёрдого раствора. Если этот процесс происходит при комнатной температуре, то его называют естественным старением, если при повышенной температуре от 100 до 300ºС – искусственным старением.

Процесс старения, или распада пересыщенного твёрдого раствора, является сложным процессом и протекает с различной скоростью у различных сплавов. Скорость старения в значительной степени зависит от температуры. Повышение температуры вызывает ускорение процесса (рис.4). При естественном старении (20ºС) прочность и твёрдость становятся максимальными через 5-7 суток после закалки, предел прочности возрастает до σ_В≈45 кгс/мм² (450 МПа), δ≈18%. При искусственном старении прочность и твёрдость возрастают тем быстрее, чем выше температура старения.

Рис.4. Кривые старения дуралюмина при различных температурах.

Основные структурные изменения при старении сводятся к разным этапам распада пересыщенного раствора. Распад пересыщенного раствора является диффузионным процессом: степень распада, тип выделений, их дисперсность, форма и другие структурные характеристики зависят от температуры и продолжительности старения и от природы сплава. Кроме того, на структуру состаренного сплава влияют примеси, пластическая деформация после закалки (перед старением), а также продолжительность вылеживания закалённого сплава при комнатной температуре перед искусственным старением.

Современная теория, объясняющая процесс, протекающий при старении, разделяет его на несколько стадий.

Первая стадия происходит при естественном старении (при 20ºС) или при низкотемпературном старении (ниже -150ºС). При этом в пересыщенном твёрдом растворе атомы меди, располагавшиеся в случайных местах, перемещаются внутри кристаллической решётки и концентрируются в отдельных атомных плоскостях, образуя зоны, обогащённые медью, так называемые зоны Гинье-Престона (Зоны ГП-1). В зонах ГП-1 та же гранецентрированная кристаллическая решётка, что и матричного раствора, но деформированная из-за различия в атомных диаметрах металла-основы (алюминия) и легирующего элемента (меди). Скопление легирующего элемента вызывает местное изменение межплоскостных расстояний, что создаёт большие напряжения и приводит к повышению прочности и твёрдости дуралюмина. Концентрация меди в зонах ГП-1 меньше, чем в фазе θ (CuAl₂). Форма зон ГП-I тонкопластичная, дискообразная толщиной 5-10 А и диаметром 30-60 А.

Если сплав после естественного старения кратковременно (несколько минут) нагреть до температуры 200ºС-250ºС и затем быстро охладить, то упрочнение полностью снимается, свойства дуралюмина будут соответствовать исходному свежезакалённому состоянию. Это явление получило название возврата. Разупрочнение при возврате вызвано тем, что зоны ГП-1 при этих температурах оказываются неустойчивыми и «рассасываются» (растворяются) в твёрдом α-растворе. При последующем вылеживании при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП-1 и упрочнение сплава.

При низкотемпературном старении возможно образование зон ГП-2, которые имеют несколько больший размер, чем зоны ГП-1. На этом этапе старение называют зонным.

Вторая стадия старения. Повышение температуры старения или увеличение времени выдержки приводит к образованию метастабильной фазы θ’, которая имеет тетрагональную решётку. Выделения θ’ – фазы имеют частично когерентную поверхность раздела с алюминиевой матрицей (рис.5). При этом напряжённое структурное состояние сохраняется, может повыситься прочность и твёрдость.

Третья стадия старения. При дальнейшем повышении температуры старения до 200ºС-250ºС или увеличении времени выдержки θ’ – фаза переходит в стабильную θ – фазу (CuAl₂), не связанную с алюминиевой матрицей. Из раствора выделяются мелкодисперсные частицы второй фазы – θ (CuAl₂), то есть межфазная граница становится некогерентной (см. рис.5). Происходит фазовое старение. Повышение температуры старения ведёт к коагуляции частиц θ. Процесс коагуляции фазы θ сопровождается разупрочнением сплава (см. рис.4).

Рис.5. Схема строения матрицы с полностью когерентным (а), частично когерентным (б) и некогерентным (в) выделениями

Величина упрочнения при старении зависит от типа выделений, их строения, свойств, формы, характера и плотности распределения, степени несоответствия решёток матрицы и выделяющихся фаз. В разных сплавах и при разных температурах старения одного сплава максимум упрочнения соответствует разным структурным состояниям. Чаще всего максимального упрочнения достигают при образовании зон ГП или выделении промежуточной метастабильной фазы θ’, что соответствует 1 и 2-ой стадиям старения.

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Нагреть образцы дуралюмина в электропечи до температуры 500ºС. После одночасовой выдержки закалить образцы в воде.

2. замерить твёрдость образцов после закалки на приборе Роквелла, используя стальной шарик (НРВ).

3. Подвергнуть образцы искусственному старению при температурах 150, 200, 250, 300ºС. Длительность выдержки при данных температурах указывается преподавателем. После старения образцы охлаждают на воздухе.

4. После старения измерить твёрдость всех образцов по Роквеллу стальным шариком.

5. Результаты измерения твёрдости после старения занести в таблицу по следующей форме:

1. По данным опыта построить графики изменения твёрдости сплава в зависимости от времени выдержки при искусственном старении для каждой из исследованных температур старения (150ºС, 200ºС, 250ºС, 300ºС).

СОСТАВЛЕНИЕ ОТЧЁТА

Студент составляет отчёт о выполненной работе, который содержит:

- левую часть диаграммы алюминий-медь с указанием на ней сплава Al -3,5% Cu;

- сводную таблицу результатов испытаний;

- график изменения твёрдости в зависимости от температуры и времени выдержки при искусственном старении.

Студент должен объяснить:

- превращения, происходящие в заданном сплаве при нагревании;

- превращения, происходящие в заданном сплаве при естественном и искусственном старении;

- влияние термической обработки (отжига, закалки, старения) на структуру и механические свойства дуралюмина.

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ

Нагрев под закалку и старение дуралюмина проводят в муфельных печах при температуре до 500ºС. К муфельным печам допускают одновременно не более двух студентов. Загрузку и выгрузку образцов необходимо производить только под наблюдением лаборантов с помощью специальных щипцов в рукавицах или перчатках, которые являются средством защиты от теплового излучения. Категорически запрещается в зоне термообработки трогать образцы руками или прикасаться к металлу незащищёнными частями тела, что может привести к ожогу. Запрещается класть на печи какие-либо предметы, так как может произойти их возгорание.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ

1. К какой группе по технологии обработки относят дуралюмины?

2. Какие основные легирующие добавки содержит дуралюмин?

3. какие примеси являются нежелательными в дуралюминах?

4. Каким способом упрочняют изделия из дуралюмина?

5. Какую структуру и свойства имеет дуралюмин после отжига?

6. Какую структуру и свойства имеет дуралюмин после закалки?

7. Какие структурные изменения происходят при естественном старении дуралюмина?

8. Какие структурные изменения происходят при искусственном старении дуралюмина?

9. Какие структурные изменения при старении дуралюмина приводят к максимальному упрочнению?

10. Какие факторы влияют на величину упрочнения при старении?

11. Какие структурные изменения при старении приводят к разупрочнению дуралюмина?

ЛИТЕРАТУРА

1. Гуляев А.П. Металловедение. М.: Металлургия, 1977, с.568-575.

2. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1980, с.340-344.

Редактор Л.Я.Мельникова

8