Способом упрочнения алюминиевых сплавов является

Термообработка алюминиевых сплавов

Термическая обработка алюминиевых сплавов предназначена для корректировки характеристик материала с помощью воздействия высоких температур. Различными способами обработки можно добиться широкого разнообразия структуры и свойств.

Сплавы, которые содержат примеси в размере 15-18%, имеют вид твердого раствора. В качестве дополнительных компонентов применяются медь, магний, цинк, кремний и другие вещества, различное сочетание которых и их процентное соотношение прямо пропорционально влияют на свойства материала.

В обычном состоянии алюминиевые сплавы не отличаются высокой прочностью, при этом довольно пластичны. Наиболее неустойчивые сплавы включают в состав большое количество легирующих компонентов, которые влияют на равновесную структуру.

Для упрочнения алюминиевых сплавов применяется методы термообработки. Путем равномерного нагрева, который регламентируется техническими условиями, получают соответствующую структуру, необходимую для начальной стадии распада твердого раствора.

С помощью термообработки можно получить множество типов структуры материала, которые соответствуют требованиям производства. Термическая обработка позволяет создать структуру, не имеющую аналогов.

На сегодняшний день разработано множество методов термообработки алюминиевых изделий, среди которых наибольшую популярность обрели три: отжиг, закалка, старение.

Особенности термообработки алюминиевых сплавов

Алюминий и его сплавы требуют особого подхода к термообработке для достижения определенной прочности и структуры материала. Очень часто применяют несколько методов термообработки. Обычно, после закалки следует старение. Но некоторые типы материалов могут подвергаться старению без закалки.

Такая возможность появляется после отливки, когда компоненты, при повышенной скорости охлаждения, могут придать металлу необходимую структуру и прочность. Это происходит во время литья при температуре около 180 градусов. При такой температуре повышается уровень прочности и твердости, а также снижается степень тягучести.

Каждый из методов термообработки имеет некоторые особенности, которые стоит учитывать при обработке алюминиевых изделий.

Отжиг необходим для придания однородной структуры алюминиевому сплаву. С помощью этого метода состав становиться более однородным, активизируется процесс диффузии и выравнивается размер базовых частиц. Также можно добиться снижения напряжения кристаллической решетки. Температура обработки подбирается индивидуально, исходя из особенностей сплава, необходимых конечных характеристик и структуры материала.

Состав и свойства алюминиевых сплавов, упрочняемых термической обработкой

Важным этапом отжига является охлаждение, которые можно проводить несколькими способами. Обычно проводят охлаждения в печи или на открытом воздухе. Также применяется поэтапное комбинированное охлаждение, сначала в печи, а потом на воздухе.

От скорости снижения температуры напрямую зависят характеристики готового материала. Быстрое охлаждение способствует образованию перенасыщенности твердого раствора, а медленное – значительного уровня распада твердого раствора.

Закалка требуется для упрочнения материала путем перенасыщения твердого раствора. Этот метод основан на нагреве изделий температурам и быстром охлаждении. Это способствует полноценному растворению составных элементов в алюминии. Используется для обработки деформируемых алюминиевых сплавов.

Для использования этого способа нужно правильно рассчитать температуру обработки. Чем выше степень, тем меньше времени требуется на закалку. При этом стоит подобрать температуру так, чтобы она превышала значение, необходимое для растворимости компонентов, но была меньше границы расплава металла.

Методом старения достигается увеличение прочности алюминиевого сплава. Причем необязательно подвергать изделия искусственному старению, так как возможен процесс естественного старения.

В зависимости от типа старения изменяется скорость структурных изменений. Поэтому искусственное старение более предпочтительно, так как оно позволяет повысить производительность работ. Подбор температуры и времени обработки зависит от свойств материала и характеристик легирующих компонентов.

Правильное сочетание уровня нагрева и времени выдержки позволяет повысить прочность и пластичность. Такой процесс называется стабилизацией.

Методы отжига алюминиевых листов

Отжиг алюминиевых сплавов не является обязательным к применению. Но в некоторых случаях без этого способа термообработки невозможно достичь желаемых характеристик материала.

Причиной применения отжига может стать особое состояние сплава, которое может выражаться в понижении пластичности материала.

Применение отжига рекомендуется при наблюдении трех типов состояний:

1. Свойственное литым изделиям неравновесное состояние связано с разницей температурных режимов. Скорость охлаждения литых изделий значительно превышает рекомендуемую, при которой достигается эффект равновесной кристаллизации.
2. Пластическая деформация. Такое состояние может быть вызвано технологическими требованиями к характеристикам и форме готового изделия.
3. Неоднородная структура материала, вызванная иными методами термообработки, в том числе закалкой и старением. В таком случае происходит выделение одного из легирующих компонентов в интерметаллидную фазу, сопровождающуюся перенасыщением компонентов.

Вышеуказанные проблемы могут устранятся методом отжига. Нормализация структуры и состояния алюминиевого сплава сопровождается повышением пластичности. В зависимости от типа неравновесного состояния подбираются различные методы отжига.

На сегодняшний день выделяют три режима отжига:

1. Гомогенизация. Предназначен для обработки литых слитков. В процессе термической обработки слитков при высоких температурах достигается равномерная структура. Это позволяет упростить процесс проката с уменьшением количества производственных расходов. В некоторых случаях может применяться для повышения качества деформированных изделий. Температура отжига соблюдается в пределах 500 градусов с последующей выдержкой. Охлаждение можно проводить несколькими способами.
2. Рекристаллизация. Применяется для восстановления деформированных деталей. При этом требуется предварительная обработка прессом. Температура отжига варьируется в диапазоне от 350 до 500 градусов. Время выдержки не превышает 2-х часов. Скорость и способ охлаждения не имеет особых рамок.
3. Гетерогенизация. Дополнительная отжиг после других методов термообработки. Этот метод необходим для разупрочнения алюминиевых сплавов. Данный метод обработки позволяет понизить степень прочность с одновременным повышением уровня пластичности. Отжиг производится примерно при 400 градусах Цельсия. Выдержка обычно составляет 1-2 часа. Этот тип отжига значительно улучшает эксплуатационные характеристики металла и повышают степень сопротивления коррозии.

Закалка алюминиевых отливов

Закалка подходит не для всех типов алюминиевых сплавов. Для успешного структурного изменения, сплав должен содержать такие компоненты как медь, магний, цинк, кремний или литий. Именно эти вещества способны полноценно растворится в составе алюминия, создав структуру, имеющую отличные от алюминия свойства.

Данный тип термообработки проводиться при интенсивном нагреве, позволяющем составным элементам раствориться в сплаве, с дальнейшим интенсивным охлаждением до обычного состояния.

Термические превращения в сплавах 6060, 6063, АД31

При выборе температурного режима следует ориентироваться на количество меди. Также, нужно учитывать свойства литых изделий.

В промышленных условиях температура нагрева под закалку колеблется в диапазоне от 450 до 560 градусов. Выдержка изделий при такой температуре обеспечивает расплавление компонентов в составе. Время выдержи зависит от типа изделия, для деформированных обычно не превышает более часа, а для литых – от нескольких часов до двух суток.

Скорость охлаждения при закалке необходимо подбирать так, чтобы состав алюминиевого сплава не подвергался распаду. На промышленном производстве охлаждение проводят с помощью воды. Однако такой способ не всегда оптимально подходит, так как при охлаждении толстых изделий происходит неравномерное снижение температуры в центре и по краям изделия. Поэтому для крупногабаритных и сложных изделий применяются другие методы охлаждения, которые подбираются индивидуально.

Старение алюминиевых сплавов

Старение проводится для улучшения прочностных характеристик изделия. Этот вид термической обработки заключается в выдержке в условиях обычного температурного режима.

Повышение прочности достигается путем распада твердого раствора, что необходимо после закалки, так как закалка приводит к пресыщенности металла.

Существует два способа старения алюминиевых сплавов: естественное и искусственное.

Естественное старение происходит без предварительного нагрева при обычных температурах. Это может происходить в условиях обычного склада или промышленного помещения, где температура воздуха не превышает 30 градусов.

Естественное старение возможно из-за особого свойства алюминия, которое называется «свежезакаленное состояние». Свойства изделий значительно отличаются сразу после закалки и после некоторого времени пребывания на складе.

Искусственное старение проводится путем нагрева изделий до температуры 200 градусов. Это активирует процесс диффузии, что способствует улучшенному растворению составных элементов. Выдержка составляет от нескольких часов до нескольких суток.

Следует отметить, что искусственно состаренные сплавы можно вернуть к изначальному состоянию. Для этого нужно нагреть изделие до 250 градусов с выдержкой до одной минуты. Выдержка должна проводится в селитряной ванне в строго определенное время, с точностью до нескольких секунд.

Причем подобный возврат можно выполнять несколько раз, без потери прочности материала, но с небольшим изменением свойств. Возврат состаренного металла обычно проводят с целью восстановления пластичности, необходимой для изменения формы изделия.

Любой из типов термообработки широко используется в промышленности. Благодаря чему у производителей есть возможность получения материалов, полностью соответствующих требованиям производства. Причем такая обработка сплавов позволяет значительно улучшить свойства алюминия и получить материал, не имеющий аналогов.

Главное условие при термообработке – соблюдение требований и рекомендаций к температурному режиму обработки и времени выдержки. Малейшие отклонения могут привести к необратимым изменениям свойств материала.

Источник

Упрочнение алюминия: 3 механизма

Чистый алюминий – мягкий и пластичный

Чистый алюминий, с содержанием алюминия 99,8 %, в отожженном состоянии имеет предел текучести менее 20 МПа (2 кГ/мм 2 ) и относительное удлинение более 40 %. Чтобы сделать такой алюминий пригодным для применения в качестве конструкционного материала к нему применяют различные методы упрочнения.

Пластическая деформация алюминия

Все металлы – и алюминий тоже – имеют кристаллическую атомную решетку. Пластическая деформация металлов происходит благодаря существованию в их атомной решетке линейных дефектов – дислокаций. Пластическая деформация происходит путем движения этих дислокаций, так, например, как показано на рисунке 1.

Рисунок 1 – Пластическая деформация путем движения дислокации
через атомную решетку пластичного металла

Три механизма упрочнение алюминия

Сущность упрочнения металла заключается в том, что в его решетку тем или другим образом вводятся препятствия для движения дислокаций.

Для алюминия эффективными являются три основных механизма упрочнения. Это:

• деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка);
• упрочнение за счет образования твердого раствора легирующего элемента в алюминии (закалка)
• упрочнение в результате выделения в алюминии вторичных фаз (старение).

В свою очередь, алюминиевые сплавы могут классифицироваться по преобладающему механизму их упрочнения.

Деформационное упрочнение алюминия

Дислокации двигаются по наиболее плотно упакованным плоскостям атомной решетки. Эти плоскости называются плоскостями скольжения. Так как кристаллическая решетка алюминия является гранецентрированной кубической, то у него имеется четыре эквивалентных плоскости скольжения с тремя направлениями скольжения каждая. Это дает в сумме 12 систем скольжения. В зависимости от преобладающего напряженного состояния обычно активными являются несколько систем скольжения. Поэтому при деформации алюминия постоянно происходит взаимодействие дислокаций различных плоскостей скольжения. В результате этого формируются плотные клубки дислокаций, которые представляют собой препятствия для дальнейшего движения дислокаций. Около этих препятствий возникают поля интенсивных локальных напряжений. Этот механизм работает для всех металлических сплавов, которые подвергаются пластической деформации.

Деформационное упрочнение путем холодной прокатки, волочения или растяжения является эффективным способом повышения прочности алюминиевых сплавов, которые не поддаются термическому упрочнению. Кривые деформационного упрочнения – холодной прокатки – отожженных листов из таких алюминиевых сплавов, 1100, 3003, 5050 и 5052 показаны на рисунке 2. Хорошо видно, что увеличение прочности сплавов сопровождается снижением пластичности, которая измеряется в процентах относительного удлинения при испытаниях образцов на растяжение.

Рисунок 2 – Кривые деформационного упрочнения алюминия (1100),
алюминиево-марганцевого сплава 3003 и
алюминиево-магниевых сплавов 5050 и 5052.

Упрочнение путем образования твердого раствора

Легирующие элементы в твердом растворе взаимодействуют с дислокациями в основном путем полей локальных напряжений, которые обеспечивают дополнительные силы трения при движении дислокаций. Этот упрочняющий механизм повышает эффективность деформационного упрочнения (наклепа, нагартовки). Алюминиевые сплавы серий 3ххх и 5ххх являются типичными примерами сплавов, которые получают упрочнение в результате образования твердого раствора соответственно марганца и магния в атомной решетке алюминия.

На рисунке 3 показано влияние содержания магния в твердом растворе алюминия на предел текучести и относительное удлинение для наиболее популярных алюминиево-магниевых промышленных сплавов.

Рисунок 3 – Корреляция между пределом текучести, относительным удлинением и содержанием магния в алюминиевых сплавах серии 5ххх

Упрочнение за счет выделения вторичной фазы

Выделившиеся частицы вторичных фаз в алюминии является очень эффективными препятствиями для движения дислокаций. Эффективность частиц как препятствий для движения дислокаций зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними.

Малые когерентные выделения не являются существенным препятствием для дислокаций – они их просто перерезают. С увеличением размеров частиц вторичной фазы, а также потерей их когерентности с атомной решеткой алюминиевой матрицы, степень сопротивления частиц движению дислокаций возрастает. Возрастание твердости до определенного максимума при искусственном старении алюминиевых сплавов объясняется именно прогрессирующим выделением вторичной фазы. С другой стороны, снижение твердости при перестаривании алюминиевого сплава происходит из-за увеличения расстояния между частицами вторичной фазы.

Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Этот перенасыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии создается путем нагрева алюминиевого сплава до полного растворения легирующих элементов и быстрого его охлаждения, например, до комнатной температуры.

Рисунок 4 – Кривые естественного и искусственного старения
прессованных профилей из сплава 6082

В интервале температуры от комнатной до 60 °С происходит образование «кластеров», которые остаются когерентными с атомной решеткой алюминия. Этот процесс называется «естественным старением». Он приводит к состояниям алюминиевых сплавов Т1 и Т4.

В интервале температуры от 60 до 220 °С происходит образование промежуточных когерентных и полукогерентных вторичных фаз. Это процесс называется «искусственным старением». Он дает состояния алюминиевых сплавов Т5 и Т6.

Кривые старения на рисунке 4 показывают влияние температуры старения на прочностные свойства и удлинение прессованного сплава 6082. Отметим более высокую пластичность и более низкую прочность после старения при комнатной температуре.

Источник