Теория.

1.Состав, свойства, маркировка и применение дюралюмина.

Дюралюмином называют сплавы системы алюминий (Al) – медь (Cu) – магний (Mg), в которые дополнительно вводят марганец (Mn). В качестве примесей в дюралюмине присутствуют железо (Fe) и кремний (Si). Эти элементы присутствуют в сплаве вследствие применения недостаточно чистого алюминия. Состав и свойства некоторых марок дюралюмина представлены в табл.1. Там же для сравнения приведены механические свойства алюминия высокой чистоты (А995).

Основой дюралюмина является алюминий, который сообщает сплаву ценное свойство – малую плотность, (плотность дюралюмина почти в три раза меньше плотности стали: соответственно 2,8 и 7,8 г/см³). Медь и магний, вступая в химическое взаимодействие с алюминием и образуя так называемые упрочняющие фазы S(CuMgAl₂) T(CuMg₅Al₅), способствуют увеличению прочности сплава по сравнению с чистым алюминием (см. табл.1). Фазы S и Т представляют собой твердый раствор алюминия в химическом соединении; указанном в скобках. Марганец повышает стойкость дюралюминия против коррозии. Железо и кремний – вредные примеси. Образуя ряд химических соединений компонентами сплава, они снижают его прочность и пластичность, также эффект упрочнения при старении. Содержание этих элементов в дюралюминии не должно превышать 0,5-0,7%.

Таблица 5.1.

Химический состав и механические свойства некоторых металлов

Компоненты и параметры	Марка металла
А995	Д1	Д16	Д18
Cu	-	3,8-4,8	3,8-4,	2,2-3,0
Mg	-	0,4-0,8	1,2-1,8	0,2-0,5
Mn	-	0,4-0,8	0,3-0,9	-
Fe	-	0,7	0,5
Si	-	0,7	0,5
Механические свойства после отжига
g кгс/мм2				-
%				-
HB,кгс/мм2	-
%	-
После закалки и старения
g кгс/мм2	-
, %
, %
НВ, кгс/мм2

Дюралюмин удовлетворительно обрабатывается резанием в закаленном и состаренном состояниях и плохо в отожженном. Хорошо сваривается точечной сваркой. Сварка плавлением не рекомендуется, поскольку дюралюмина склонен к образованию трещин.

Дюралюмин имеет низкую коррозионную стойкость. Для защиты от коррозии его плакируют алюминием, т.е. покрывают тонким слоем алюминия высокой чистоты (не ниже 99,5%). Чистый алюминий имеет высокую коррозионную стойкость за счет образования прочной и плотной окисной пленки Al₂O₃. Для защиты сплава от коррозии также применяют анодирование (искусственное создание на поверхности детали защитной окисной пленки путем электролиза).

Сплав Д16 (супердюралюмин) содержит большее количество магния по сравнению со сплавом Д1 (нормальный дюралюмин) и за счет этого имеет большую прочность (см. табл.1).

Сплав Д1 и Д16 широко применяются для изготовления различных клепанных строительных конструкций (арок, форм, подвесных подков) а также в авиа- и судостроении. Сплав Д18П используется и судостроении. Сплав Д18П используется для изготовления заклепок.

2.ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДЮРАЛЮМИНА

Рассмотрим процессы, протекающие при термической обработке на примере сплава Al-Cu. На рис.5.1 представлена диаграмма этого сплава. На приведенном участке диаграммы алюминий с медью образуют следующие твердые фазы:

– твердый раствор меди в алюминии (фаза l). При нормальной температуре в

алюминии растворяется 0,2% Сu, максимальная растворимость Сu в Al

составляет 5,7% при температуре 518⁰С;

– химическое соединение CuAl_l;

– твердый раствор алюминия в CuAl₂ (фаза ).

Рис.5.1 Диаграмма состояния алюминий – медь

Отжиг. Цель отжига – получение равновесной структуры сплава и снятие внутренних напряжений. Отжиг состоит из следующих операций:

1.Нагрев сплава до температуры 350-430⁰С в зависимости от марки дюралюминия.

2.Выдержка при температуре нагрева.

3.Медленное охлаждение вместе с печью (со скоростью не более 30⁰С/ч) до температуры 150-260⁰С, а затем охлаждение на воздухе.

В результате отжига образуется равновесная структура, состоящая из твердого раствора и фазы .

Закалка. Цель закалки – получение при комнатной температуре структуры однородного твердого раствора L. Закалка дюралюмина включает следующие операции:

1.Нагрев сплава выше линии предельной растворимости Сu в (линия DF на рис.5.1). При этом вся медь, содержащаяся в сплаве, полностью растворяется в алюминии с образованием однородного твердого раствора.

2.Выдержка при температуре нагрева.

3.Быстрое охлаждение (например, в воде).

Быстрое охлаждение твердого раствора с температуры закалки приводит к фиксации этой структуры по нормальной температуре. Образовавшийся после закалки твердый раствор является пересыщенным, т.е. содержит большее количество меди, чем может содержаться в равновесных условиях.

Температура закалки для сплава Д1 составляет 495-505⁰С, для сплава Д16 490-500⁰С. Колебания температур закалки не должны превышать 15⁰С. При недогреве сплава происходит неполное растворение интерметаллических соединений (типа фазы ) в алюминии и, как следствие, малое увеличение прочности сплава при старении. Нагрев выше оптимальной температуры вызывает перегрев (рост зерна, окисление и оплавление границ зерна), что приводит к резкому падению прочности и пластичности.

Старение. Пересыщенный твердый раствор неустойчив, в нем со временем протекают процессы, приводящие к выделению фазы и сохранению в растворе лишь соответствующего равновесной системе количества меди (0,2%). Этот процесс называется старением. Если процесс протекает при комнатной температуре, то он называется естественным старением, если при повышенной температуре – искусственным старением.

В начальный период старения образуются зоны повышенной концентрации меди, так называемые зоны Гинье-Престона. В этот период атомы меди еще не выделяются из раствора. В зонах повышенной концентрации меди кристаллическая решетка искажена, в кристалле возникают большие напряжения, что увеличивает твердость и прочность металла. При дальнейшем развитии старения зоны Гинье-Престона увеличиваются, а затем выделяются мельчайшие частицы - фазы (CuAl₂), которые впоследствии коагулируют. Процесс образования зон Гинье-Престона и достижение стадии так называемого предвыделения приводит к максимальному упрочнению.

В процессе естественного старения прочность сплава Al + 4%Cu увеличивается. В отожженном состоянии сплав имеет предел прочности _в = 20 кгс/мм². В закаленном состоянии предел прочности составляет 25 кгс/мм². После старения предел прочности достигает 40 кгс/мм².

Начальный период естественного старения (2-3ч) называется инкубационным. Он имеет важное технологическое значение, поскольку в течение этого времени сплав обладает большой способностью к пластической деформации и закаленные детали можно подвергать разнообразным технологическим операциям, связанным с деформацией (расклепке заклепке, гибке, отбортовке и т.д.). Через 2-3 часа способность пластически деформироваться резко уменьшается, и эти операции становятся неосуществимыми. Максимальная прочность сплава достигается через 4-5 суток после закалки.

Скорость старения зависит от температуры: ее повышение ускоряет процесс, однако, чем выше температура старения, тем ниже получаемая максимальная прочность. При температурах ниже комнатной старение замедляется и при –50⁰С можно считать, что старение не происходит.

Экспериментальная часть:

Для проведения работы студенческая группа делится на бригады по 2-3 человека. Каждая бригада работает с одним предварительно отожженным образцом дюралюмина. Образцы помещают в печь, нагретую до температуры закалки дюралюмина (500±5°С) и выдерживают 20 мин, затем охлаждают в воде. Измеряют твердость закаленного образца, результаты заносят в табл.2.

Проводят искусственное старение дюралюмина, для чего нагревают образец до 300°С и охлаждают вместе с печью в течение 30мин. Измеряют твердость образцов после старения. Результаты заносят в таблицу.

Таблица

Построить график зависимости твердости дюралюмина от температуры старения.