Лабораторная работа № 8 исследование влияния термической обработки на механические свойства сплава на основе алюминия
8.1. Цель работы:
− исследовать и изучить влияние основных параметров термической обработки на механические свойства сплава;
− ознакомиться с основными видами термической обработки сплава;
− установить связь между структурой и диаграммой сплава.
8.2. Теоретическое обоснование
Все сплавы на алюминиевой основе по технологическим признакам можно разделить на:
− деформируемые, не упрочняемые термической обработкой;
− деформируемые, упрочняемые термической обработкой;
− литейные;
Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой, не имеет фазовых превращений в твердом состоянии (рис. 10.1), т. е. они однофазные. Эти сплавы характеризуются невысокой прочностью, высокой пластичностью и высокой коррозионной стойкостью. К ним относятся сплавы алюминий-марганец (АМц) и алюминий-магний (АМг).
Рис. 8.1. – Классификация алюминиевых сплавов по диаграмме состояния
алюминий-легирующий элемент (схема)
Деформируемые сплавы, упрочняемые, термообработкой являются двухфазными. Наиболее распространенным представителем таких сплавов является дуралюмин (Д1, Д16 и др.) − сплав алюминия с медью, марганцем, магнием.
Дуралюмины хорошо деформируются в холодном и горячем состоянии. После холодной деформации дуралюмины подвергают рекристаллизационному отжигу при температуре 340-370 °С.
Термическая обработка дуралюмина состоит из закалки от температуры 490-510 °С с охлаждением в воде. После закалки дуралюмин подвергают старению, что придает ему высокую прочность и твердость.
Естественное старение происходит при комнатой температуре в течении 5-7 суток. Искусственное старение проводят при 150-180 °С в течение 2-4 часов.
Микроструктура дуралюминов после закалки состоит из светлых кристаллов твердого раствора на основе алюминия и темных включений CuAl2 (рис. 8.2).
Рис. 8.2. – Микроструктура дуралюминия (закалка и старение), 200x
Литейные сплавы алюминия с кремнием называются силуминами (АЛ2).
Часть диаграммы алюминия с кремнием приведена на рисунке 8.3.
Рис. 8.3. – Диаграмма состояния алюминий-кремний
Эти сплавы, как правило, содержат 6-13 % Si, который ограниченно растворяется в алюминии, образуя α-фазу. При содержании 11,6 % кремния образуется эвтектика, состоящая из α-фазы и практически чистых кристаллов кремния, поэтому механические свойства таких сплавов низки. Механические свойства этих сплавов повышают путем модифицирования.
Силумины с добавками меди, магния и марганца подвергают закалке с температуры 520-540 °С, с целью повышения механических свойств. Искусственное старение проводят при 150-180 °С в течение 10-20 час.
Химический состав (%) и некоторые свойства деформируемых и литейных сплавов на основе алюминия представлены в таблице 1 приложения 2.
Особенность термической обработки алюминиевых сплавов по сравнению со сталью заключается в том, что алюминиевые сплавы имеет очень низкий интервал температур закалки и отпуска, поэтому необходимо соблюдать очень строго температурный режим. Кроме того, соблюдение высокой точности при выполнении термической обработки вызвано тем, что алюминиевые сплавы склонны к перегреву, а исправление перегрева, т. е. измельчение зерна, никакими видами термической обработки получить не возможно. Еще одной особенностью термической обработки являются очень длительные выдержки при нагреве под закалку и особенно при отпуске.
В закаленном твердом растворе атомы элементов в начале распределены равномерно в решетке алюминия, затем постепенно происходит изменение концентрации и перераспределение элементов. Механизм распада пересыщенного твердого раствора закалки происходит во временном и температурном пространстве. На отдельных атомных плоскостях образуются участки, обогащенные медью и другими элементами за счет обеднения других участков; обогащенные участки решетки называются зонами Гинье-Пристона. Возникающая при этих процессах химическая неоднородность приводит к искажениям решетки, возникают напряжения, что и является основной причиной повышения прочности сплавов. Если распад пересыщенного твердого раствора закалки происходит при комнатной температуре, этот процесс называют естественным старением, если при повышенных температурах – искусственным старением.