Термическая обработка дуралюмина марки Д-16
Дуралюмин Д16 – это сложнолегированный сплав на основе алюминия. Химический состав Д16: СИ – 4,3%; Si – 0,38%; Mg – 1,8%; Mn – 0,48%; Fe – 0,6%. Основным легирующим элементам, дающим наибольшее упрочнение является медь. Поэтому для выяснения процессов, происходящих в дуралюмине при нагреве и охлаждении можно использовать диаграмму состояния Al-Cu (смотри рисунок 1).
Линия аб – линия ограниченной растворимости, показывает, как меняется растворимость меди в решетке алюминия при изменении температуры. При комнатной температуре (20ºС) растворимость Cu в алюминии составляет 0,5%.
Рисунок 1– Диаграмма состояния Al-Cu
С повышением температуры растворимость меди возрастает и достигает максимального значения 5,7% при эвтектической температуре 548ºС.
Сплавы, содержащие до 0,5 Cu (сплав 1) имеет однородную структуру раствора. При нагреве (до температуры ниже температуры начала плавления) и охлаждении никаких структурных изменений в них не происходит. Эти сплавы не упрочняются термической обработкой. Единственным способом их упрочнения является холодная деформация.
Сплавы, содержащие от 0,5 до 5,7% Cu (сплав II), в равновесном (отожженном) состоянии, имеет двухфазную структуру, состоящую из α – раствора с концентрацией Cu 0,5% и частичек соединения CuAl2.
При нагреве сплава II концентрация Cu в твердом растворе возрастает (по линии аб) за счет растворения кристаллов соединения CuAl2. Нагревом до температуры T°кр или выше нее сплав II переходит в однофазное состояние со структурой α, с концентрацией Cu, соответствующей концентрации ее в сплаве. При медленном охлаждении (с печью или на воздухе) будет происходить обратный процесс выделения из α – твердого раствора частичек CuAl2. Если же охлаждение сплава происходит быстро (закалка в воде), то выделение частичек CuAl2 произойти не успеет, а вся медь будет зафиксирована в твердом растворе α. Полученный таким образом твердый раствор, содержащий при комнатной температуре столько же меди, сколько было переведено в него при нагреве, является пересыщенным, а следовательно метастабильным, неустойчивым. Неустойчивый пересыщенный твердый раствор будет стремиться перейти в устойчивое равновесное состояние. Поэтому после закалки самопроизвольно протекает процесс распада пересыщенного твердого раствора (или подготовительные к распаду процессы), сопровождающиеся упрочнением сплава. этот процесс упрочнения называется старением.
Таким образом термическая обработка сплава II состоит из 2-х операций: закалки и последующего старения.
Дуралюмин Д16 – многокомпонентный сплав в котором кроме Al и Cu присутствуют Mg, Si, Fe, Mn, поэтому использование двойной диаграммы состояния Al-Cu является условным, позволяющим выяснить лишь принципиальную сторону явления. Присутствующие в сплаве легирующие элементы взаимодействуют с алюминием, входя как твердый раствор так и образуя химические соединения CuAl2, MnAl6, FeAl3, а также взаимодействуют между собой, образуя соединения Mg2MnAl6FeAl3 (S фаза), Cu2FeAl и др.
Нагрев Д16 приводит к растворению указанных соединений (кроме железистых) и обогащению твердого раствора α легирующими элементами. Чем выше температура нагрева, тем выше концентрация легирующих элементов в твердом растворе. Однако нагрев выше 500-520°С приводит к интенсивному росту зерен α – твердого раствора. Кроме того ускоряется процесс окисления сплава по границам зерен. Поэтому при термической обработке дуралюмина температура закалки строго контролируется и составляет для Д16 – 500С±3%.
Нагрев дуралюмина под закалку обычно производится в селитровых ваннах (состав селитровой ванны: 55% NaNO3 и 45% KNO3). Селитровая ванна обеспечивает быстроту равномерность нагрева деталей, отсутствие окисления, дает возможность более точно регулировать температуру закалки. Закалка дуралюмина производится в холодной воде, после закалки структура сплава состоит из однородного пересыщенного твердого раствора с наличием нерастворимых соединений (в основном железистых). В результате закалки σв Д16 повышается до 30 кг/мм 2 (в отожженном состоянии σв 20 кг/мм 2 ).
Как уже был указано выше, пересыщенный твердый раствор, полученный после закалки является неустойчивой метастабильной фазой и самопроизвольно стремится перейти в термически устойчивое состояние с меньшим запасом свободной энергии. При этом происходит процесс упрочнения (смотри рисунок 2).
Процесс упрочнения, протекающий при комнатной температуре в течении 5-7 суток, называется естественным старением. Упрочнение протекающее при повышенной температуре называется искусственным старением. 
Рисунок 2–Кривые старения Д16
Сущность процесса старения дуралюмина составляет, как уже было указано выше, распад пересыщенного твердого раствора или подготовительные к распаду процессы.
При естественном старении распада пересыщенного твердого раствора не происходит, а происходит лишь подготовка к распаду. Сущность этих подготовительных процессов заключается в том, что в результате диффузии атомов Cu в решетке α – раствора образуются частички, обогащенные атомами Cu (до 50-55%), называемые зонами Гинье-Престона. Эти зоны, образовавшиеся при комнатной температуре, имеют форму «дисков» толщиной в несколько атомных слоев и диаметром порядка 50A. Образование зон Гинье-Престона приводит к искажению решетка α – раствора, возникновению больших внутренних напряжений, что и является причиной упрочнения. Процесс естественного старения заканчивается образованием зон Гинье-Престана.
Процесс искусственного старения также начинается с образования зон Гинье-Престона. С повышением температуры старения возникают зоны большего размера, каждой температуре старения соответствует свой устойчивый размер этих зон. Так, если для комнатной температуры устойчивыми зонами являются зоны с диаметром 50А, то при 100ºС устойчивыми зонами будут зоны с диметром 200А, при 150ºС – 600А, при 200ºС – 800А. Однако, процесс искусственного старения не останавливается на образовании зон Гинье-Престона, а идет дальше. На базе зон Гинье-Престона возникает неустойчивая фаза так называемая Ǿ — фаза с тетрагональной кристаллической решеткой, по составу близкая к химическому соединению CuAl2. С течением времени Ǿ — фаза превращается в Ø – фазу (соединение CuAl2), имеющую кубическую решетку.
Наиболее высокая степень упрочнения закаленного сплава при старении наблюдается при образовании в его структуре неоднородного твердого раствора зон Гинье-Престона, то есть зон с повышенной концентрацией меди. Несколько меньшее упрочнение достигается при структуре состоящей из твердого раствора и Ǿ — фазы. Еще меньшее упрочнение сплава будет при структуре, состоящей из твердого раствора и дисперсных частиц CuAl2, а при коагуляции этих частиц эффект упрочнения будет снижаться. При температурах старения порядка 250ºС коагуляция частиц CuAl2 сплава происходит почти одновременно с их образованием, что приводит к разупрочнению сплава.
| | | следующая лекция ==> | |
| Легированные инструментальные стали (ГОСТ 5950-73) | | | Теоретические сведения о механических свойствах неметаллов |
Дата добавления: 2015-11-04 ; просмотров: 8219 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Источник
Способы упрочнения сплава д16
1. Нарисовать диаграмму состояния Al-Cu. Отметить на ней сплав Д16 (1160). Нанести на диаграмму температурный интервал нагрева под закалку сплавов.
2. Провести закалку 12 образцов сплава Д16 (1160).
3. Провести старение образцов сплава при температурах 100, 200, 250 o C и продолжительностях выдержки: 5,10,20,30 минут.
4. Нарисовать схемы трех типов изменений микроструктуры при старении с когерентной, полукогерентной и некогерентной границами раздела
5. Построить графики зависисмости твердости образцов от времени старения для каждой из температур старения.
6. Объяснить полученные результаты работы.
Оборудование, приборы и материалы: лабораторные печи для закалки и старения, закалочный бак с водой, прибор для измерения твердости по Роквеллу, шлифовальная бумага, оттоженные образцы сплава Д16 (1160), справочные таблицы с информацией о химическом составе и механических свойствах сплава Д16 (1160).
1. Перед проведением работы включить печи и довести температуру нагрева в печи под закалку до 500 o C, а в печах для старения до 100, 200, 250 o C.
2. В печь под закалку заложить на поддоне 12 образцов сплава Д16 (1160). После 40. 50-минутной выдержки провести закалку всех образцов воде, обеспечив ускоренное перенесение образцов в закалочный бак и энергичное перемешивание воды.
3. Измерить твердость по шкале HRB оттоженного образца и 12 закаленных образцов. Перед измерением твердости зачистить торцевые поверхности образцов на наждачной бумаге. Объединить закаленные образцы по 4 штуки с приблизительно одинаковой твердостью.
4. Провести искуственное старение при температурах 100, 200, 250 o С. Заложить в соответствующую печь по 4 образца. Провести отбор образцов после 5-, 10-, 20- и 30-минутной выддержки. После остывания образцы зачистить на наждачной бумаге, измерить их твердость по шкале HRB.
5. Полученные значения твердости по шкале HRB перевести в твердость по Бриннелю (HB) с помощью таблицы. Результат измерения твердости занести в журнал лабораторных работ.
6. Построить графики зависимости твердости HB сплава Д16 (1160) от времени выдержки для каждой температуры старения.
7. Объяснить: изменение твердости образцов сплава после закалки по сравнению с оттоженным состоянием; влияние температуры и продолжительности старения на величину твердости.
Для алюминиевых сплавов широкое распространение получили три основных вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.
Отжиг приводит сплавы к равновесному состоянию и применяется для придания сплавам определенного комплекса свойств. В зависимости от назначения различают:
После отжига, который проводится при температурах 200..560 o C (в зависимости от назначения), вследствие достижения равновесного состояния структура сплавов представляет собой твердый раствор с низким содержанием легирующих элементов (сотые доли процентов) и крупные включения интерметаллидных фаз. При таком структурном состоянии сплавы отличаются низкой твердостью, прочностью и высокой пластичностью, поскольку крупные включения интерметаллидов не могут эффективно тормозить движение дислокаций.
Влияние режима обработки на механические свойства дюралюмина Д16 (1160)
| Состояние сплава | σВ, МПа | δ, % | Твердость, HB |
| Отжиг | 210 | 18 | 45 |
| Закалка | 300 | 18 | 75 |
| Закалка + Естественное старение (Т6) | 420 | 15 | 100 |
| Закалка + Искусственное старение | 440 | 6 | — |
| Закалка + нагартовка 5-7% + искусственное старение | 490 | 5,5 | — |
Алюминиевые сплавы, имеющие переменную растворимость компонентов в твердом состоянии, можно упрочнить термической обработкой, состоящей из закалки и старения.
Цель закалки — получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние — пересыщенный твердый раствор с максимально возможным содержанием легирующих элементов. Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, повышение (по сравнению с равновесным состоянием после отжига) твердости и прочности при сохранении пластичности, а с другой — возможность дальнейшего упрочнения при старении.
Высокая пластичность сплавов после закалки позволяет подвергать полуфабрикаты формоизменнию с целью изготовления деталей, пока легирующие элементы находятся в твердом растворе.
При старении структура сплавов приближается к равновесной в результате распада пересыщенного твердого раствора и образования мелкодисперсных частиц. При этом повышаются твердость, прочность, снижается пластичность, возрастает сопротивление коррозии.
Из термически упрочняемых сплавов наиболее широкое применение получили дюралюмины (система легирования Al-Cu-Mg) и высокопрочные сплавы (Al-Zn-Cu-Mg). Средний химический состав и типичные механические свойства этих сплавов приведены в таблицах.
Химический состав деформируемых термически упрояняемых алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784-97)
| Марка сплава | Среднее содержание основных легирующих элементов, % | |||
| Cu | Mg | Mn | Другие элементы | |
| Д1 (1110) | 4,3 | 0,60 | 0,60 | — |
| Д16 (1160) | 4,3 | 1,50 | 0,60 | — |
| Д18 (1180) | 2,6 | 0,35 | 0,20 | — |
| Д19 (1190) | 4,0 | 2,00 | 0,75 | 0,0002-0,005 Be |
| В65 | 4,2 | 0,25 | 0,40 | — |
| В95 (1950) | 1,7 | 2,30 | 0,40 | 6 Zn; 0,17 Cr; 0,05 T |
| Марка сплава | σВ, МПа | ▞,2, МПа | δ, % |
| Д1 (1110) | 400/480 | 240/320 | 20,14 |
| Д16 (1160) | 440/530 | 330/400 | 18/11 |
| Д18 (1180) | 300 | 170 | 25 |
| Д19 (1190) | — | 310 | 16 |
| В65 | 420 | — | 25 |
| В95 (1950) | 540/600 | 470/560 | 10/8 |
В числителе — свойства листов, в знаменателе — прутков и прессованных профилей. Сплавы Д18 и В65 используют для изготовления заклепок.
Расмотрим особенности упрочнения сплавов на примере дюралюминов. Термическая обработка дюралюминов основана на переменной растворимости меди и магния в алюминии. В равновесном состоянии сплавы содержат твердый раствор и включения вторичных фаз Θ (CuAl2) и S (CuAl2Mg). Количество S-фаз возрастает с увеличением содержания Mg в сплаве.
Для наглядности примем, что основной фазой в дюралюминах является Θ, и фазовые превращения будем рассматривать по двойной диаграмме Al-Cu.
Термически упрочняемыми в системе (Al-Cu) являются сплавы с содержанием меди более 0,1%, максимальная растворимость меди в алюминии при 20 о С. Растворимость меди в твердом растворе α повышается до 5,65% при температуре 548 o C (температура эвтектического превращения).
Сплавы, содержащие не более 5,65% меди, относятся к деформируемым. После отжига эти сплавы состоят из твердого раствора на основе алюминия α, содержащего 0,1% Cu, и крупных включений Θ-фазы (фаза переменного состава с 53. 55 % Cu).
Прочность сплава после отжига минимальная.
Закалка деформируемых сплавов заключается в нагреве и выдержке при температуре, когда вторичная Θ-фаза полностью растворится в твердом растворе α, и последующем быстром охлаждении до комнатой температуры (20..25 o C). В результате закалки структура, равновесная при температуре нагрева, фиксируется при температуре 20. 25 o C, так как при быстром охлаждении не происходит распад твердого раствора (выделение Θ-фазы). После закалки получается пересыщенный твердый раствор с существенно более высоким содержанием меди по сравнению с равновесной структурой (0,1% Cu). Содержание меди в пересыщенном твердом растворе соответствует ее содержанию в сплаве.
Сплавы, содержащие более 5,65% Cu, относятся к литейным. Температура нагрева под закалку этих сплавов на 5. 15 o C ниже температуры эвтектического превращения. При закалке получается пересыщенный твердый раствор с меньшей концентрацией меди, чем содержится в сплаве. При нагреве под закалку и после закалки в сплавах присутствует нерастворившаяся эвтектика (α + Θ). Сохранение нерастворившейся доли Θ-фазы объясняет причину уменьшения содержания меди в пересыщенном твердом растворе.
Охлаждение при закалке производится со скоростью больше критической — минимальной скорости охлаждения, при которой не происходит распад пересыщенного твердого раствора. В промышленности большинство алюминиевых сплавов при закалке охлаждают в воде с температурой до 40 o C. Скорость охлаждения тонкостенных изделий в холодной воде (600. 800 o C/c) значительно превосходит критические скорости охлаждения сплавов (10. 120 o C/c). Такие условия охлаждения обеспечивают значительную прокаливаемость. Изделия из алюминиевых сплавов прокаливаются насквозь в сечениях 120..150 мм.
Пересыщенный твердый раствор закаленного сплава отличается повышенным уровнем свободной энергии. Распад твердого раствора, происходящий при старении, приближает фазовое состояние к равновесному.
Основными параметрами старения являются температура и продолжительность выддержки. Старение может развиваться без нагрева (при 20. 25 o C) — естественное старение — либо при повышенных температурах (обычно 100. 200 o C) — искусственное старение. Старение приводит к структурным изменениям, вызывающим упрочнение.
Главной особенностью старения является то, что распад твердого раствора проходит несколько стадий. При повышении температуры и увеличении продолжительности выдержки последовательно возникают следующие образования: зоны Гинье-Престона (зоны ГП), кристаллы метастабильной фазы, кристаллы стабильной фазы. Эти образования расположены в порядке возрастания энергии зарождения.
Зоны ГП в сплавах Al с Cu представляют собой небольшие участки (в форме дисков диаметром 20 нм, толщиной 1 нм) твердого раствора, обогащенные медью. Их кристаллическая структура такая же, как у твердого раствора, но с меньшим периодом решетки, так как атомный радиус меди меньше (
10%), чем атомный радиус алюминия. Вокруг каждой зоны ГП возникают упругие искажения кристаллической решетки. Упрочнение при зонном старении (образовании зон ГП) обусловленно торможением дислокаций при их прохождении через упруго искаженную матрицу и при перерезании самих зон.
Типы выделений из пересыщенного твердого раствора: а — зона ГП (1 — атомы растворителя, 2 — растворенные атомы); б — кристаллы метастабильной фазы (когерентное выделение); в — кристаллы метастабильной фазы (полукогерентное выделение); г — кристаллы стбаильной фазы (некогерентное выделение)
Метастабильная фаза Θ’ по составу приближается к стабильной (CuAl2), имеет отличную от α кристаллическую решетку. Фаза Θ’ сопряжена когерентной или полукогерентной границей с решеткой твердого раствора. Нарушение когерентности устраняет упругие искажения матрицы. Торможение дислокаций при фазовом старении (выделение фазы Θ’ или Θ) связано с тем, что дислокации не перерезают, а обходят частицы оставляя вокруг них дислокационные петли, что также повышает прочность сплава.
Стабильная Θ-фаза соответствует составу CuAl 2 , имеет собственный тип решетки, отличный от решеток Θ-фазы и матрицы приводит к полному нарушению конгерентности. Граница раздела фаз становится некогерентной. Полностью утрачивается искажение матрицы, что приводит к разупрочнению. Однако высокодисперсные выделения Θ-фазы обеспечивают более высокую прочность сплава по сравнению с отожженным состоянием, когда частицы Θ-фазы получаются крупными.
Изменение свойств сплава при старении зависит от типа выделений, их размеров и количества. Количество частиц в основном определяется степенью пересыщенности твердого раствора, которая связана с составом сплава и условиями закалки. Тип образований, их размер зависят от температуры и продолжительности старения.
Упрочнение сплавов наблюдается на первых стадиях распада пересыщенного твердого раствора: при образовании зон ГП, выделении когерентных частиц Θ’-фазы. Послледующие стадии, связанные с нарушением когерентности Θ’-фазы, образованием Θ-фазы и коагуляцией (укрупнением) стабильной фазы, приводят к снижению прочности.
При естественном старении преодолевается только энергия активации образования зон ГП, т.е. распад твердого раствора начинается и заканчивается на этой стадии. Снижение прочности при таком старении не наблюдается.
При искусственном старении в зависимости от температуры и продолжительности выдержки выделяется тот или иной тип образований, что приводит к разной степени упрочнения. Повышение температуры ускоряет процесс. Однако степень упрочнения снижается с повышением температуры старения.
При постоянной температуре после достижения максимальной прочности наблюдается разупрочнение. На стадии разупрочнения получается более устойчивая структура к нагревам при эксплуатации. Разупрочнение при старении называется перестраиванием. Перестраивание используется для термической стабилизации структуры и свойств сплавов, предназначенных для работы при повышенных температурах (125. 200 o C).
В промышленности режим старения назначается исходя из обеспечения либо максимальной прочности, либо коррозионной стойкости. В последнем случае применяются режимы с перестраиванием. Это так называемые смягчающие режимы. Смягчающее старение по сравнению со старением на максимальную прочность приводит к частичному или полному нарушению когерентности выделений упрочняющих частиц, более равномерному их распределению, обусловливает некоторое снижение прочности, но существенное повышения вязкости разрушения, устойчивости против коррозии под напряжением и расслаивающейся коррозии.
Источник
