Термическая обработка дуралюминов.

Дуралюминами называют сплавы на основе системы Al – Cu - Mg с добавками марганца. Большинство промышленных дуралюминов содержат около 4 % Cu, до 2, 5 % Mg, менее 1 % Mn. Кроме того, в сплавах присутствуют небольшие количества постоянных примесей: Fe и Si. Структура дуралюминов в отожженном состоянии представлена твердым раствором – альфа легирующих элементов в Al с включениями интерметаллидных фаз: CuAl₂ (тета - фаза), CuMgAl₂ (S - фаза), Cu₂AlFe (N - фаза), Mg₂Si и других (рисунок 11.2 а).

а – после отжига; б – после закалки

Рисунок 11.2 –Микроструктура сплава Д16

а б

Рисунок 11.2 - Микроструктура сплавов типа Д в отожженном (а) и искусственно состаренном состоянии (б)

Упрочнение дуралюминов достигают закалкой и последующим старением.

Для выбора температуры закалки, а также для объяснения превращений, протекающих в сплавах при термообработке, можно использовать диаграмму состояния Al - Cu (рисунок 11.3), поскольку в дуралюминах медь является главным легирующим элементом.

Из диаграммы видно, что растворимость меди в алюминии зависит от температуры и меняется от 0, 5 % при 20 °С до 5, 7 % при температуре эвтектики (548°С). Следовательно возможен перевод двухфазных (состоящих из альфа - фазы и вторичных кристаллов CuА1₂) сплавов с концентрацией Cu до 5, 7 % нагревом в однофазное состояние (альфа - твердый раствор) с последующей фиксации его быстрым охлаждением.

При нагреве дуралюминов до температур закалки (500±5°С) Mg₂Si – тета - и S-фазы растворяются в алюминии. После охлаждения в холоднойводе структура закаленного сплава состоит из твердого раствора альфа с включениями малорастворимой при нагревании N-фазы (рисунок 11.3).

Свежезакаленные дуралюмины имеют невысокую твердость и прочность, но повышенную пластичность, лишь несколько сниженную по сравнению с отожженным состоянием.

Пересыщенный по отношению к равновесному (отожженному) состоянию сплав является метастабильным и при длительном пребывании в области нормальных температур (естественном старении) или при сравнительно непродолжительном нагреве (искусственном старении) изменяет свое состояние, приближаясь к равновесному.

Рисунок 11.3 - Диаграмма состояния алюминий-медь

Превращения при старении приводят к значительным изменениям свойств сплава: возрастают прочность и твердость при заметном снижении пластичности.

В процессе старения, на его начальной стадии, атомы легирующих элементов (в сплавах системы А1 - Сu – атомы меди), расположенные в свежеезакаленном сплаве случайно, собираются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, называемые зоны Гинье - Престона (зоны Г – П).

В результате естественного старения образуются зоны толщиной от 0, 5 до 1 мм и протяженностью от 3 до 6 нм (их называют зоны Г – П - 1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагреву до температуры 250 - 270 °С, то зоны Г - П растворятся и сплав возвратится в свежезакаленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Г - П укрупняются, достигая от 1 до 4 нм по толщине и от 20 до 30 нм по протяженности (зоны Г – П - 2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении СuА1₂.

Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к преобразованию зон Г - П - 2 в частицы промежуточной тета-фазы, имеющий такой же химический состав, как тета-фаза, но с отличной от нее кристаллической решеткой, когерентно связанной с α -твердым раствором. При дальнейшем повышении температуры тета-фаза обосабливается от твердого раствора и превращается в стабильную коагулирующую тета - фазу.

Таким образом, различают два вида старения: зонное, связанное с образованием только зон Г - П, и фазовое, при котором возникают метастабильные и стабильные фазы.

Скорость искусственного старения сильно зависит от температуры (рисунок 11.2 б): повышение температуры ускоряет процесс. В сплавах системы Al - Cu с 3-5 % меди получаемая при этом максимальная прочность тем ниже, чем выше температура старения. Наибольшее упрочнение получают при естественном старении в результате образования зон Г-П-1.

Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах естественное старение не протекает вообще. В более сложных по химическому составу сплавах наибольшая прочность наблюдается при искусственном старении в результате образования метастабильных фаз.