Главная Обратная связь Поможем написать вашу работу!

Дисциплины:

Архитектура (936)
Биология (6393)
География (744)
История (25)
Компьютеры (1497)
Кулинария (2184)
Культура (3938)
Литература (5778)
Математика (5918)
Медицина (9278)
Механика (2776)
Образование (13883)
Политика (26404)
Правоведение (321)
Психология (56518)
Религия (1833)
Социология (23400)
Спорт (2350)
Строительство (17942)
Технология (5741)
Транспорт (14634)
Физика (1043)
Философия (440)
Финансы (17336)
Химия (4931)
Экология (6055)
Экономика (9200)
Электроника (7621)






Краткие теоретические сведения. Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготов­ления из них полуфабрикатов и деталей, делятся на деформируемые и ли­тейные



Все алюминиевые сплавы, в зависимости от технологии изготов­ления из них полуфабрикатов и деталей, делятся на деформируемые и ли­тейные.

Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обра­ботки давлением изготавливают различные профили, листы, прутки, трубы, плиты, проволоку, а также полуфабрикаты для различных де­талей машин. В зависимости от способа повышения механических свойств, деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на сплавы, не уп­рочняемые термической обработкой, и сплавы, упрочняемые терми­ческой обработкой.

К деформируемым, термически упрочняемым алюминиевым сплавам относятся, например, дуралюмины (Д1, Д16 и т. д.), ковочные (АК4-1, АК6 и т. д.) и другие сплавы. Упрочняющая термическая обработка таких сплавов заключается в закалке без полиморфного превращения и последующем старении.

Закалка без полиморфного превращения – это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

Для обоснования выбора температуры закалки, а также для объяснения тех превращений, которые происходят в сплавах при термической обработке, воспользуемся диаграммой состояния А1-Сu, приведенной на рисунке 24.1.

Как видно из диаг­раммы, структура алюминиевого сплава в отож­женном или нормализованном состоянии при комнатной температуре состоит из твердого раствора замещения меди в алюми­нии и избыточных частиц второй фазы θ (СuА12). За­калка сплава заключается в нагреве его до температур выше линии переменной растворимости аb (сольвуса) (рис. 24.1), выдержке и быстром охлаждении. Охлаждение должно быть со скоростью не ниже критической (Vкр.). Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад пересыщенного твердого раствора. Частичный распад твердого раствора снижает механические свойства и коррозионную стойкость после старения. Поэтому в качестве закалочной среды чаще всего используют воду. Во избежании частичного распада твердого раствора время переноса нагретого полуфабриката (образца или детали) из печи в закалочный бак не должно превышать 15-30 с. Прокаливаемость алюминиевых сплавов составляет 120-150 мм.



После нагрева и выдержки при температурах выше линии аb вся избыточная интерметаллидная θ-фаза (СuА12) перейдет в твер­дый раствор; алюминий обогатится медью. Сплав становится одно­фазным. При быстром охлаждении интерметаллидная θ-фаза не успе­вает выделиться из твердого раствора, вследствие чего при комнатной температуре получается структура однородного пересыщенного твердого раствора замещения меди в алюминии.

 

    Рисунок 24.1 – Левая часть диаграммы состояния сплава Аl – Сu

 

Недогрев ведет к тому, что вторичная θ-фаза не полностью переходит в твердый раствор, что ухудшает механические свойства. Перегрев сплава опасен тем, что обусловливает интенсивный рост зерен твердого раствора, окисление границ зерен и расплав­ление легкоплавких эвтектических примесей. Пережог является не­исправимым браком термической обработки.

Нужно отметить, что при закалке без полиморфного превращения алюминиевых сплавов наблю­дается незначительное повышение прочности при сохранении высокой пластичности, примерно равной пластичности отожженных или нормализованных сплавов.

Полученный после закалки пересыщенный твердый раствор находится в неустойчивом (метастабильном) состоянии, так как облада­ет повышенной свободной энергией. Избыточная θ-фаза (СuА12) бу­дет выделяться из пересыщенного твердого раствора до тех пор, пока количество меди в твердом растворе не достигнет значения, соответствующего равновесной системе (0,5 % – при комнаткой темпе­ратуре, точка а на рис. 24.1). Этот процесс называется старением.



Старениеэто термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора.

В процессе старения (дисперсионного твердения) прочность растет, а пластичность снижается. Если выделение избыточной фазы происходит при комнатной температуре, то старение называют естественным, при повышенных температурах – искусственным.

Следует отметить, что твердость алюминиевых сплавов, например, дуралюминов, при естествен­ном старении начинает заметно увеличиваться через 3-5 часов с моме­нта закалки. Этот период времени называется инкубационным. В инкубационный период сплавы сохраняют высокую пластичность и хо­рошо обрабатываются давлением. Это свойство используют для про­ведения таких технологических операций, как клепка, правка и т. д.

Старение начинается с процесса диффузии атомов меди к плос­костям кристаллической решетки (100). В этих плоскостях концент­рация меди достигает 55,4 %. Зоны с повышенной концентрацией меди представляют собой пластинки или диски толщиной в 2-4 атомных слоя (5-10 А) и диаметром 20-50 атомных слоев (до 100 А). По имени ученых Гинье (Франция) и Престона (Англия), обнаружив­ших эти зоны рентгеноcтруктурным методом, эти зоны принято назы­вать зонами Гинье-Престона (зоны ГП).

Образование зон Гинье-Престона ведет к искажению кристалли­ческой решетки (атомный диаметр меди меньше, чем у алюминия), что, в свою очередь, сопровождается повышением твердости, проч­ности и снижением пластичности сплавов. С образованием зон Гинье-Престона естественное старение за­канчивается. Обычно сплавы приобретают максимальную прочность через 5-7 суток, которая остается в дальнейшем постоянной.



Дальнейшее развитие процесса распада пересыщенного твердого раствора осуществляется только при искусственном старении. Внут­ри зон Гинье-Престона происходит перестройка атомов и образуются новые промежуточные θ' (СuА12) и θ'' (СuА12) фазы, имеющие силь­но искаженную, по сравнению с θ (СuА12) фазой, кристаллическую решетку. Мелкодисперсные частички θ'' и θ'- фазы, частично когерентно или когерентно свя­занные с основным твердым раствором (рис. 24.2 а, б), упрочняют сплавы (повышают твердость) (рис. 24.2), а также снижают пластичность, создавая барьеры для движущихся дислокаций.

 

Рисунок 24.2 – Полностью когерентные (а), частично когерентные (б) и некогерентные (в) границы раздела между выделениями и матрицей

 

Увеличение продол­жительности искусствен­ного старения приводит к переходу θ' (СuА12) фазы в ста­бильную θ (СuА12) фазу, не имеющую когерентной связи с твердым раство­ром (рис. 24.2 в). Образование некоге­рентной θ фазы и ее укрупнение приводят к уменьшению искажений кристаллической решетки и разупрочнению сплава (рис. 24.3).

 

    Рисунок 24.3 – Схема зависимости твердости закаленного дуралюмина от времени старения при различных температурах старения (Т123)

 

Таким образом, последовательность структурных изменений при искусственном старении Сu-А1 сплавов можно представить в виде схемы:

ГП → θ''→ θ'→ θ (СuА12).

Эта схема справедлива и для других сплавов на основе цвет­ных металлов. Различие заключается в неодинаковом составе, фор­ме, строении зон, а также типе образующихся промежуточных фаз.

Как видно из рисунка 24.3, при искусственном старении дуралюмина (кривые Т1, Т2 и Т3) твердость его сначала возрастает, достигает максимума и затем снижается. Старение до достижения максимума твердости (восходящая ветвь кривой) называется упрочняющим, пра­вее максимума (нисходящая ветвь) – разупрочняющим или перестариванием. С увеличением температуры старения максимум кривых старе­ния смещается влево. Это объясняется тем, что с повышением тем­пературы ускоряется процесс диффузии атомов меди и стадия перестаривания достигается раньше. Снижение максимума твердости при повышении температуры (рис. 24.3, кривая Т3) связано с интен­сивным, практически одновременным протеканием всех структурных превращений при старении.

 

Задание

1. Изучить технологию термической обработки дуралюми­на.

2. Определить твердость (НВ) образцов в исходном (отожженном или нормализованном) состоянии.

3. Определить по диаграмме Аl – Сu температуру закалки дура­люмина.

4. Провести закалку образцов дуралюмина в воде.

5. Определить твердость (НВ) после закалки.

6. Провести искусственное старение закаленных образцов, например, при температурах 170 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин; при 210 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин; при 250 °С с выдержками 5, 15, 30, 45, 60 мин.

7. Определить твердость (НВ) после старения.

8. Результаты испытаний занести в протокол (табл. 24.1).

9. Построить графики зависимости твердости (НВ) образцов от продолжительности старения (τ) для всех исследуемых температур.

10. Определить режимы термообработки дуралюмина, отвечающие максимальной твердости сплава.

11. Написать отчет об исследовании в соответствии с п.п. 2-10.

 

Таблица 24.1 – Твердость дуралюмина после различных режимов старения

 

Марка сплава Твердость после закалки, НВ Температура старения, °С Твердость (НВ) при длительности старения, мин.
               

 

Контрольные вопросы

1. Какова структура сплавов типа дуралюмина в отожженном состоянии при комнатной температуре?

2. Как и с какой целью проводят закалку дуралюмина?

3. Чем вызвано упрочнение сплава Аl – Сu при естественном и искусственном старении?

4. Опишите схему распада пересыщенного твердого раствора сплавов системы Аl – Сu при искусственном старении.

5. Как меняется твердость закаленного сплава с увеличением температуры или продолжительности искусственного старения?

6. Почему с повышением температуры старения стадия перестаривания достигается быстрее?

Литература

1. Физическое материаловедение / Под ред. Канна Р.У., Хаазена П. – Пер. с англ. В 3-х томах. – М.: Металлургия, 1987. – 640 с.

2. Материаловедение : учебник для вузов / Под ред. Б.Н. Арзамасова. – М.: Машиностроение, 2008. – 648 с.

3. Гуляев, А.П. Металловедение. – М.: Металлургия, 1977. – 647 с.

4. Лахтин, Ю.М. Материаловедение : учебник для машиностроительных вузов / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

5. Гуляев, Ф.П. Металловедение: учебник для вузов. – М.: Ме­таллургия, 1978. – 647 с.

6. Геллер, Ю. А. Материаловедение. Методы ана­лиза. Лабораторные работы и задачи : учебное пособие для вузов / Ю.А. Геллер, Ф.Г. Рахштадт. – М.: Металлургия, 1989. – 456 с.

7. Золотаревский, В.С. Механические свойства металлов. – М.: Металлургия, 1998. – 306 с.

8. Бернштейн, М.Л. Механические свойства металлов / М.Л. Бернштейн, В.А. Займовский. – М.: Металлургия, 1979. – 496 с.

9. Клевцов, Г.В. Фрактодиагностика разрушения металлических материалов и конструкций: учебное пособие / Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, Н.А. Клевцова, Л.В. Лимарь. – М.: МИСиС. – 2007. – 264 с.


Просмотров 312

Эта страница нарушает авторские права




allrefrs.ru - 2021 год. Все права принадлежат их авторам!