Лекция 13-14 Цветные металлы

Старение – это термическая обработка сплава, прошедшего закалку без полиморфного превращения. Старение проводят путем нагрева пересыщенного твердого раствора до температуры ниже линии ограниченной растворимости на диаграмме состояния. Основным процессом, происходящим при старении, является распад пересыщенного твердого раствора.

Изменения структуры при старении сводятся к образованию выделений новой фазы, которая играет роль упрочнителя сплава. Образующиеся выделения имеют разную форму, размеры и взаимное расположение в зависимости от состава сплава и условий старения (температуры и продолжительности выдержки). Размеры выделений обычно порядка 10–100 нм, что меньше разрешения светового микроскопа. Поэтому наблюдать структурные изменения при старении можно только с помощью электронного микроскопа.

Распад пересыщенного твердого раствора при старении может происходить в одну или несколько стадий в зависимости от температуры и времени старения:

1.Образование зон Гинье–Престона.

2.Выделение метастабильных и стабильных фаз.

3.Коалесценция выделений.

Зонами Гинье–Престона (ГП) в честь первооткрывателей называются микроскопические области, обогащенные атомами растворенного компонента. Размеры зон ГП столь малы (1–10 нм), что их обнаруживают дифракционными методами или по изменению физических свойств материала. Решетка у зон ГП такая же, как у окружающего их пересыщенного твердого раствора. При различии размеров атомов растворителя и растворенного компонента образование зон ГП приводит к возникновению упругих напряжений вокруг них. Зоны ГП равномерно распределены по объему зерен твердого раствора.

В дуралюминах зоны ГП образуются при комнатной или близкой к ней (ниже 100 оС) температуре. Старение при этих температурах называется естественным. При естественном старении происходит упрочнение сплава в связи с возникновением полей упругих напряжений около зон ГП.

При более высоких температурах из пересыщенного твердого раствора выделяется метастабильная фаза, которая может отличаться от стабильной составом или строением кристаллической решетки (или и тем, и другим). Решетка метастабильной фазы лучше сопрягается с решеткой пересыщенного твердого раствора, чем решетка стабильной фазы. Благодаря этому вероятность образования кристаллов метастабильной фазы выше, и они возникают раньше кристаллов стабильной фазы.

Кристаллы метастабильных фаз выделяются при старении внутри зерен, главным образом на дислокациях, на границах зерен, на субграницах. Выделение частиц метастабильных фаз упрочняет сплав из-за возникновения упругих напряжений, обеспечивающих сопряжение решеток метастабильной фазы и твердого раствора. По мере увеличения количества и размеров выделений метастабильной фазы пересыщение твердого раствора уменьшается, и параметры его кристаллической решетки изменяются. В результате сопряжение решеток стабильной и метастабильной фазы больше поддерживаться не может: возникающие упругие напряжения разрывают связь между решетками. Уничтожение сопряженности решеток делает термодинамически невыгодным дальнейшее существование кристаллов метастабильной фазы. Они либо растворяются (при этом в других местах образуются выделения стабильной фазы), либо превращаются в кристаллы стабильной фазы. Снятие напряжений, обеспечивавших сопряжение решеток, уменьшает прочность сплава.

Старение алюминиевых сплавов при повышенных температурах (> 100 оС) называют искусственным.

При искусственном старении в сплаве Al–4,5 % Cu, близком по составу к Д16, образуются: а) сначала метастабильная θ″-фаза состава Al2Cu с тетрагональной решеткой, которая полностью сопрягается с ГЦК решеткой α-фазы по плоскостям {100}; б) затем метастабильная θ′-фаза того же состава Al2Cu с тетрагональной решеткой, сопряжение которой с решеткой α-фазы полное по плоскости (001) и частичное по (010) и (100); в) стабильная θ-фаза (Al2Cu), тетрагональная решетка которой не сопрягается с решеткой α-фазы.

Средний размер образовавшихся выделений стабильной фазы в ходе старения увеличивается. Укрупняются не все выделения: крупные выделения становятся еще больше, а маленькие выделения растворяются. Этот процесс увеличения среднего размера частиц второй фазы путем укрупнения больших выделений за счет мелких называется коалесценцией.

Причина развития коалесценции – уменьшение суммарной энергии границ между выделениями и твердым раствором вследствие уменьшения площади этих границ. Атомный механизм коалесценции – растворно-осадительный: мелкие частицы растворяются в окружающем их твердом растворе, а «освободившиеся» атомы, входившие в их состав, диффузионным путем по решетке твердого раствора переносятся к крупным частицам.

Укрупнение частиц (при неизменном суммарном объеме выделений) сопровождается увеличением среднего расстояния между частицами. Это уменьшает прочность и твердость сплава.

Рисунок 7 схематично представляет результат наложения упрочняющих и разупрочняющих процессов в ходе естественного (при температуре

Т1) и искусственного (при Т2 и Т3 > Т2) старения в виде зависимости твердости Н от продолжительностью старения τ.

Дуралюмины обычно подвергают закалке с температуры 500 oС и естественному старению. Максимальная прочность достигается через 4–5 суток. Широкое применение дуралюмины находят в авиастроении, автомобилестроении, строительстве.

Высокопрочными стареющими сплавами являются сплавы, которые кроме меди и магния содержат цинк. Сплавы В95, В96 имеют предел прочности около 650 МПа. Основной потребитель – авиастроение (обшивка, стрингеры, лонжероны).

Ковочные алюминиевые сплавы АК, АК8 применяются для изготовления поковок. Поковки изготавливаются при температуре 380…450oС, подвергаются закалке от температуры 500…560 oС и старению при 150…165 oС в течение 6…15 часов.

В состав алюминиевых сплавов дополнительно вводят никель, железо, титан, которые повышают температуру рекристаллизации и жаропрочность до 300 oС. Изготавливают поршни, лопатки и диски осевых компрессоров, турбореактивных двигателей.

5.3 Литейные алюминиевые сплавы. К литейным сплавам относятся сплавы систем Al – Si, Al – Cu и Al – Mg.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al – Si (силумины), имеющие близкий к эвтектическому состав (рисунок 8).