Деформируемые алюминиевые сплавы

Деформируемые алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые и упрочняемые термической обработкой.

К неупрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг). Сплавы отличаются хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

В отожженном состоянии они обладают высокой пластичностью и низкой прочностью. Пластическая деформация повышает прочность этих сплавов почти в 2 раза. Однако применение наклепа ограничено из-за резкого снижения пластичности сплавов, поэтому их используют в отожженном мягком состоянии (АМгМ). Сплавы типа АМц и АМг отжигают при 350…420°С.

При повышении содержания магния временное сопротивление возрастает от 110 МПа (AMгl) до 340 МПа (АМг6) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 20 %.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой (корпусы и мачты судов, рамы вагонов и др.), а также деталей, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки),

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся дуралюмины, ковочные и высокопрочные сплавы.

Дуралюминами называют сплавы, относящиеся к системе Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. При закалке сплавы дуралюмины нагревают до 495…505°С (Д16) и до 500…510°С (Д1) и затем охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. Далее сплавы подвергают естественному или искусственному старению.

Естественное старение продолжается 5-7суток. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40°С и особенно до 100°С. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190°С, 10 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 °С).

Большое практическое значение имеет начальный период старения (20…60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологически операции, как клепка, правка и др.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК. Они обладают хорошей пластичностью и стойкостью к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Ковку и штамповку сплавов ведут при 450…475 °С. Их применяют после закалки и искусственного старения.

Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким пределом прочности (600…700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы относятся к системе Al-Zn-Mg-Cu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Цинк, магний и медь образуют фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии (MgZn₂, CuMgAl₂ и Mg₃Zn₃Al₂). При 480°С эти фазы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465…475°С) и старение (140°С) в течение 16 ч. После такой обработки сплава В95 предел прочности достигает 600 МПа, предел текучести - 550 МПа, относительное удлинение - 12%, К_1С - 30 МПа·м^1/2, КСТ - 30 кДж/м² и твердость - до 150 НВ.

Сплав В96 имеет более высокие прочностные свойства (σ_в до 700 МПа; σ_0,2 до 650 МПа; твердость до 190 НВ), но пониженные пластичность (δ до 7%) и вязкость разрушения. Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению при 100…120°С в течение 3…10 ч (первая ступень) и 160…170 °С в течение 10…30ч (вторая ступень). После смягчающего старения у сплава В95 предел прочности не превышает 590 МПа, предел текучести - 470 МПа, а относительное удлинение повышается до 13%, К_1с до 36 МПа·м^1/2 и КСТ до 75 кДж/м².

Сплавы применяют для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов).

4.1.2.2 Литейные алюминиевые сплавы

Наибольшее распространение получили литейные сплавы на основе систем Al-Si и A1-Си. Маркируются литейные сплавы буквами АЛ и цифрой, указывающей номер сплава.

Лучшими литейными свойствами обладают сплавы Al-Si (силумины), для которых характерны высокая жидкотекучесть, малая усадка, отсутствие или низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность. Плотность большинства силуминов составляет 2650 кг/м³.

Механические свойства зависят от химического состава, технологии изготовления, а также термической обработки. В двойных силуминах с увеличением содержания кремния до эвтектического состава (12…13%) снижается пластичность и повышается прочность. Появление в структуре сплавов крупных кристаллов первичного кремния вызывает снижение прочности и пластичности.

Несмотря на переменную растворимость кремния (от 0,05% при 200°С до 1,65% при эвтектической температуре), двойные сплавы не упрочняются термической обработкой, что объясняется высокой скоростью распада твердого раствора, частично происходящего уже при закалке. Единственным способом повышения механических свойств этих сплавов является измельчение структуры путем модифицирования натрием. Помимо модифицирующего действия натрий сдвигает эвтектическую точку в системе Al-Si в сторону больших содержаний кремния. Благодаря этому эвтектический по составу сплав (АЛ2) становится доэвтектическим. В его структуре помимо мелкокристаллической эвтектики появляются пластичные выделения первичного алюминия. Все это приводит к увеличению пластичности и прочности.

Для легирования силуминов часто используют Mg, Cu, Mn, Ti и др...

Магний и медь , обладая переменной растворимостью в алюминии, способствуют упрочнению силуминов при термической обработке, состоящей, как правило, из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515…535°С, температура старения – 150…180°С. Из легированных силуминов средней прочности наибольшее применение в промышленности нашли сплавы с добавками магния (АК7ч), магния и марганца (АК9ч).

Сплавы системы А1-Сu (АМ4, АМ5) хорошо обрабатываются резанием и свариваются. Они характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах (до 300°С, но обладают плохими литейными свойствами). Это объясняется образованием в данной системе эвтектики при высоком содержании меди (33%),которое не достигается в промышленных сплавах. Литейные и механические свойства улучшаются в результате легирования титаном и марганцем (АМ5). Марганец, образуя пересыщенный твердый раствор при кристаллизации из жидкого состояния, способствует значительному упрочнению сплава.