ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Цельработы

Изучить микроструктуру алюминиевых сплавов в равновесном состоянии; изучить влияние термической обработки на структуру и свойства алюминиевых сплавов.

Приборы, материалыиинструмент

Металлографический микроскоп МИМ-7 (4–5 шт); объективы к микроскопу х9, х21, х40; комплект образцов.

Краткиетеоретическиесведения

Алюминий – самый распространенный металл в природе (решетка – ГЦК, α = 4,0413 Å), обладающий сочетанием целого ряда ценных свойств; температурой плавления 661 °С, малой плотностью – 2,72 г/см3, высокой тепло- и электропроводностью, высокой пластичностью, δ до 50 %, высокой коррозионной стойкостью благодаря наличию на поверхности металла тонкой очень прочной окисной пленки Al2O3, высокими полируемостью и свариваемостью.

Перечисленные свойства определяют применение алюминия во многих областях техники. В электротехнической промышленности алюминий заменяет медь при производстве массивных проводников, в пищевой и химической промышленности алюминий используют как материал для оборудования, хранения и транспортировки пищевых продуктов, воды, азотной, уксусной кислот и т. д., а также для изготовления предметов домашнего обихода. В металлургии алюминий используют для раскисления сталей и как легирующую добавку к сплавам, применяемым в машиностроении и других отраслях. Алюминий непрочен и поэтому как конструкционный материал в неупрочненном состоянии не применяется. Прочность алюминия повышается наклепом. Кроме того, прочность алюминия можно значительно повысить легированием, благодаря чему становится возможным применение упрочняющей термической обработки.

В машиностроении и особенно в авиастроении широко используются сплавы на основе алюминия. Они обладают малым удельным весом – 2,5–2,8 г/см3 (у cталей, чугунов, медных сплавов γ = 7,2–8,5); высокими значениями удельной прочности, коррозионной стойкостью (не во всех случаях), теплопроводностью.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения

Классификацияалюминиевыхсплавов

Алюминиевые сплавы обладают высокой технологичностью. По способу производства алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые и литейные (рис. 12.1).

Рис. 12.1. Области составов деформируемых и литейных сплавов: А – деформируемые сплавы; В – литейные сплавы; I – сплавы, неупрочняемые термообработкой; II – сплавы,

упрочняемые термообработкой

Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые или плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.).

Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика, что обеспечивает высокую деформируемость этих сплавов.

Литейные сплавы, предназначенные для отливки фасонных изделий в песчаные формы, кокиль, методом литья под давлением и другими способами, должны обладать хорошими литейными свойствами – высокой жидкотекучестью, сопротивлением образованию горячих трещин, малой склонностью к рассеянной пористости и др. Для этого к концу кристаллизации они должны иметь достаточно большое количество эвтектической жидкости, кристаллизующейся при постоянной температуре.

Для повышения прочности большинство алюминиевых сплавов подвергают закалке и старению.

При нагреве под закалку происходит растворение всех или отдельных избыточных фаз, называемых фазами-упрочнителями, а при последующем ускоренном охлаждении эти фазы не успевают выделиться и фиксируется пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. При старении закаленного сплава в зависимости от температуры и продолжительности процесса в пересыщенном твердом растворе образуются участки, обогащенные легирующими элементами (зоны Гинье Престона), дисперсные

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения

частицы промежуточных метастабильных фаз или выделяются стабильные фазы. На этих стадиях старения из-за высокой дисперсности продуктов распада микроструктура состаренного алюминиевого сплава под световым микроскопом обычно такая же, как и у закаленного сплава.

Промышленные алюминиевые сплавы являются многокомпонентными, многофазовыми системами. Расшифровки фазового состава таких сплавов являются часто непростой задачей. В настоящее время для этих целей используют спектральные фазоанализаторы с применением компьютерной техники.

Наиболее широко используемым травителем в алюминиевых сплавах является реактив Келлера – смесь 5-процентных водных растворов кислот HCl, HNO3 и HF в объемном соотношении 1:1:2. Часто применяют также однопроцентный раствор HF в воде.

Деформируемыесплавы

Область составов деформируемых сплавов простилается от алюминия до сплавов вблизи точки предельной растворимости (см. рис. 12.1).

В этом состоянии главная структурная составляющая деформируемых сплавов – дендриты α-раствора на базе алюминия. Под микроскопом обычно видны границы светлых дендритных ячеек. По этим границам располагаются двойные, тройные и более сложные эвтектики и фазы перитектического происхождения.

Кизбыточным фазам, образованным основными легирующими элементами и алюминием и наиболее часто встречаемым в структуре слитков,

относятся Mg2Si, CuAl2, Al3Mg2, MgZn2.

Деформируемые сплавы подразделяют на термически неупрочняемые

итермически упрочняемые.

Кпервой группе относятся технический алюминий, сплавы на основе Al–Mn и сплавы на основе Al–Mg.

Марки технического алюминия: АД00 (99,7 % Al), АД0 (99,5 % Al), АД1 (99,3 % Al).

В таких сплавах отсутствуют специально введенные легирующие элементы, но содержатся примеси, в которых главные – железо и кремний. Примеси в значительной степени снижают пластические свойства алюминия и сплавов. В настоящее время по специальной технологии получают алюминий более высокой чистоты – алюминий марок АВЧ (АСВЧ).

Сплавы на основе системы Al–Mg содержат 2–7 % Mg. Сплавы АМг

(2–2,8 % Mg), АМг 6 (5,8–6,8 % Mg) и др. обладают по сравнению с другими алюминиевыми сплавами самым высоким пределом усталости.

Сплавы на основе системы Al–Mn (АМц) в отожженном состоянии характеризуются высокой пластичностью, но малой прочностью (σв = 110 МПа;

δ = 30 %).

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сложные алюминиевые сплавы на основе тройных и многокомпонентных систем: сплавы на основе Al–Cu–Mg, называемые дуралюминами: Д1, Д16, Д18; В65.

Ковочные сплавы системы Al–Cu–Mg–Si (АК6, АК8) отличаются от дуралюминов повышенным содержанием кремния и более высокой пластичностью в горячем состоянии.

Сплавы повышенной пластичности и коррозионной стойкости сис-

темы Al–Mg–Si (АВ, АД31, АД33, АД35) известны под названием авиаль (авиационный алюминий).

Высокопрочные сплавы системы Al–Zn–Mg–Cu (В95, В94) обладают высокой прочностью и пониженной пластичностью.

Свариваемые сплавы системы Al–Zn–Mg (1915, 1925 и др.) удовле-

творительно свариваются аргонно-дуговой сваркой, обладают достаточной прочностью при комнатной и криогенных температурах, имеют высокую пластичность в горячем состоянии и удовлетворительную общую коррозионную стойкость.

Жаропрочные сплавы системы Al–Cu–Mg–Fe–Ni (АК4, АК4-1) по своей природе близки к дуралюминам, но вместо марганца дополнительно легированы железом и никелем, что способствует сохранению механических свойств при повышенных температурах. Они используются для деталей и сварных конструкций, работающих при температурах до 300 °С.

Все перечисленные сплавы упрочняются термической обработкой – закалкой – с последующим искусственным или естественным старением.

Литейныесплавы

Область составов литейных сплавов обозначена буквой В на рис. 12.1. Большинство литейных сплавов являются доэвтектическими. В состоянии после литья они содержат две главные структурные составляющие – первичные кристаллы раствора на базе алюминия и эвтектику.

Силумины – сплавы системы Al–Si (АК12, АК13, АК9, АК8, АК7,

АК21М2 и др.).

Для повышения прочности и особенно пластичности проводят модифицирование силумина (NaCl + NaF) – сотые доли процента натрия.

Сплав АК12 (АЛ2) является единственным промышленным силумином, принадлежащим к двойной системе Al–Si. Для повышения прочности к двойным сплавам Al–Si добавляют магний и медь, образующие фазы упроч-

нители Mg2Si; CuAl2 и др.

Сплавы системы Al–Si–Mg. Типичными представителями данной группы легированных силуминов является сплав АК7. В литом состоянии структура сплава содержит две главные структурные составляющие: первичные кристаллы α-раствора кремния и магния в алюминии и эвтектику (α + Si). Силинид магния входит в состав тройной эвтектики (α + Si + Mg2Si) (рис. 12.2),

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения

количество которой мало из-за небольшого содержания магния в сплаве. Эту эвтектику легко опознать по черным сколотым кристаллам Mg2Si.

Рис. 12.2. Диаграмма состояния системы Al–Si

Сплавы системы Al–Mg – литейные магналии (АМг4К1,5М, АМг5К, АМг10). Главным представителем литейных магналиев является сплав АМг10, который находится левее точки предельной растворимости магния в алюминии.

В литом состоянии структура сплава состоит из первичных кристаллов α магния в алюминии и вырожденной эвтектики α + β (Al3Mg2), образовавшейся в результате неравновесной кристаллизации и снижающей коррозионную стойкость под напряжением. Для улучшения свойств сплава производят гомогенизационный отжиг (12–20 ч) при температуре закалки (410–420 °С), в результате которого вырожденная эвтектика и избыточная фаза растворяются в α-растворе. После старения снижается пластичность и коррозионная стойкость. Поэтому сплав АЛ8 подвергают только закалке в масле.

Сплавы системы Al–Cu. Одним из представителей данной группы является сплав АМ5. Применяется он для неответственного литья из-за низких литейных свойств. Основной структурной составляющей сплава является α-раствор меди в алюминии. В литом сплаве по границам дендритных ячеек α-раствора находятся вытянутые светлые включения CuAl2 из неравновесной эвтектики.

Ксплаву применяют упрочняющую термическую обработку – закалку

с545 °С и искусственное старение. θ-фаза (CuAl2) является упрочняющей.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Краткие теоретические сведения

Сплавы системы Al–Si–Cu–Mg. Одним из представителей группы является сплав АК8М3 (ВАЛ8). Буква «В» означает «вторичный», т. е. получаемый переплавкой лома алюминиевых сплавов. Он относится к высокопрочным литейным сплавам. В литом состоянии структура состоит из первичных кристаллов α-раствора меди, магния, кремния в алюминии, эвтектики (α + Si) и светлых вытянутых кристаллов θ (CuAl2).

Порядоквыполненияработы

Для проведения работы группа студентов (2–3 человека) получает комплект готовых образцов, деформируемых и литейных алюминиевых сплавов после различных видов термической обработки.

1. Исследовать структуру каждого образца следующим образом:

а) визуально изучить протравленный шлиф с целью выявления строения в состоянии поставки;

б) изучить строение сплавов, зарисовать микроструктуры и идентифицировать структурные составляющие;

в) зарисовать структуры в кружки диаметром 40 мм. Подписать наименование всех структурных составляющих за пределами кружка и соединить их стрелками с соответствующими частями рисунка.

2.Пользуясь табл. 12.1, определить по характеру микроструктуры, какой термической обработке подвергался каждый образец, сделать подпись под каждым рисунком

3.В характеристике механических свойств указать, в каком направлении (повышение, понижение) меняются твердость, прочность, пластичность)

взависимости от легирующего элемента и термической обработки.

Таблица 12.1 Химический состав, механические свойства и области применения

алюминиевых сплавов

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Порядок выполнения работы

Окончаниетабллицы12.1

Примечание. Режимы термообработки, соответственно: Т1 – искусственное старение подкаленных при литье деталей; Т2 – отжиг; ТЗ – закалка; Т4 – закалка и естественное старение; Т5 – закалка и кратковременное (неполное) искусственное старение; Т6 – закалка и полное искусственное старение; Т7 – закалка и стабилизирующий отпуск; Т8 – закалка и смягчающий отпуск; Т9 – термомеханическая обработка.

Содержаниеотчета

Отчет о лабораторной работе должен включать:

1)зарисованные исследуемые структуры;

2)описание структуры представленных микрошлифов;

3)выводы о влиянии легирующих элементов на структуру и свойства алюминиевых сплавов;

4)ответы на вопросы в соответствии с индивидуальным заданием.

Заданияклабораторнойработе

1.Для изготовления деталей самолета выбран сплав Д16. Описать способ упрочнения этого сплава, расшифровать его состав. Указать характеристики его механических свойств.

2.Указать состав, механические и технологические свойства силуминов, цель их модифицирования. Привести примеры маркировки силуминов.

3.Изложить основы теории термической обработки алюминиевых сплавов в применении к промышленному сплаву типа дуралюмин.

4.Для изготовления деталей самолета выбран сплав Д19. Расшифровать состав, описать способ его упрочнения и указать характеристики его механических свойств.

5.Для изготовления деталей самолета выбран сплав АМг3. Расшифровать состав, указать механические свойства сплава. Описать, каким способом производится упрочнение этого сплава.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 12 МИКРОСТРУКТУРА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Задания к лабораторной работе

6.Для изготовления слабонагруженных деталей избран сплав АК12 (АЛ2). Расшифровать состав сплава и привести его механические свойства. Указать способ изготовления изделий из данного сплава (ковка, литье и т. д.).

7.Для изготовления деталей двигателя внутреннего сгорания выбран сплав АК6. Расшифровать состав сплава. Указать способ изготовления деталей из данного сплава (ковка, литье и т. д.). Привести характеристики механических свойств сплава при повышенных температурах и объяснить, за счет чего они достигаются.

8.Для изготовления деталей самолета выбран сплав АМц. Расшифровать состав, указать механические свойства сплава. Описать, каким способом производится упрочнение этого сплава.

9.Для деталей самолета использован сплав АМг. Расшифровать его состав. Объяснить способ его упрочнения. Указать механические свойства сплава.

10.Для изготовления деталей самолета выбран сплав В95. Расшифровать состав, указать механические свойства сплава. Описать, каким способом производится упрочнение этого сплава.

11.Для изготовления деталей самолета выбран сплав В95-2. Расшифровать состав, указать механические свойства сплава. Описать, каким способом производится упрочнение этого сплава.

12.Для изготовления слабонагруженных деталей избран сплав АК9ч (АЛ4). Расшифровать состав сплава и привести механические свойства сплава. Указать способ изготовленияизделий из данного сплава (ковка, литье и т. д.)

Контрольныевопросыизадания

1.Охарактеризовать основные свойства алюминия.

2.Привести классификацию алюминиевых сплавов.

3.Охарактеризовать связь свойств алюминиевых сплавов с диаграммой состояния.

4.Какие основные группы деформируемых алюминиевых сплавов вы

знаете?

5.Привести алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обра-

боткой.

6.Охарактеризовать принципы упрочнения алюминиевых сплавов.

7.Охарактеризовать литейные алюминиевые сплавы.

8.Как маркируют алюминиевые сплавы?