9.1. Алюминий и его сплавы

Свойства алюминия:

Тпл=660 ºС;

кристаллическая решетка ГЦК (не имеет полиморфного превращения);

низкий удельный вес;

высокая электро- и теплопроводность;

высокая пластичность;

высокая коррозионная стойкость вследствие образования на его поверхности пленки оксида Al2O3;

высокие технологические свойства – легко обрабатывается давлением, хорошо сваривается.

Классификация алюминиевых сплавов:

Деформируемые сплавы:

сплавы, не упрочняемые термической обработкой;

сплавы, упрочняемые термической обработкой.

2. Литейные сплавы.

3. Порошковые сплавы.

9.1.1. Деформируемые алюминиевые сплавы, не упрочняемые термообработкой

К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц2), содержащие 1…1,6% Mn, и магнием (АМг2, АМг6), содержащие 2…7%Mg. Структура этих сплавов в равновесном состоянии - твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Упрочняют сплавы путем пластической деформации (нагартовки).

Свойства:

легко обрабатываются давлением;

хорошо свариваются;

обладают высокой коррозионной стойкостью;

обработка резанием затруднена.

Применяются эти сплавы для изготовления строительных конструкций (витражи, двери, оконные рамы и т.д.), емкостей для жидкостей (баки для бензина), палубных надстроек речных и морских судов.

9.1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термообработкой

Дуралюмины (Д1, Д3, Д6, Д16 и т.п.) – сплавы системы Al-Cu. Основным легирующим элементом является медь. Сплав Д1 содержит 3,8…4,8%Cu, 0,5…1,5% магния, ~0,5% марганца. Согласно диаграмме Al-Cu (рис. 46) в сплавах образуются следующие фазы:

α – твердый раствор меди в алюминии, максимальная растворимость Cu в Al составляет 5,7%;

θ –твердый раствор на основе химического соединения СuAl2, содержащего 54,1%Cu.

Структура сплава Д1 в равновесном состоянии (после литья) α + θII, причем частицы θII располагаются по границам зерен и охрупчивают сплав (рис. 47 а).

Рис. 46. Диаграмма состояния Al – Cu

Для упрочнения дуралюминов проводится термическая обработка: закалка + старение. Закалка заключается в нагреве до температуры ~ 500°С, при которой хрупкая избыточная θII-фаза полностью растворяется в α-твердом растворе, быстрое охлаждение фиксирует структуру пересыщенного твердого раствора меди в алюминии (рис. 47б, 48 а).

а) б) в)

Рис. 47. Микроструктуры дуралюмина: а – после литья (α + θII), б – после закалки (α – твердый раствор), в – после закалки и старения

Для повышения прочности закаленного сплава проводят старение. Старение – это упрочнение закаленного сплава за счет распада пересыщенного твердого раствора и выделения избыточных вторичных фаз в мелкодисперсном виде (дисперсионное твердение).

Естественное старение заключается в выдержке закаленного сплава при комнатной температуре 5…7 суток. Искусственное старение заключается в выдержке при повышенной температуре 100…200°С в течение 10…24 часов.

Процесс старения идет в 3 стадии:

На первой стадии старения атомы меди образуют скопления в кристаллической решетке α–твердого раствора - зоны Гинье-Престона(зоны ГП) (рис. 48 б), что вызывает искажения кристаллической решетки и, следовательно, повышение прочности сплава (рис. 49).

а) б) в) г)

Рис. 48. Стадии распада твердого раствора меди в алюминии при старении: а – закаленное состояние; б – образование зон ГП; в – образование θ'-фазы; г – образование θ-фазы

На второй стадии старения по мере выдержки сплава при повышенных температурах образуется метастабильная θ'-фаза, близкая по составу к CuAl2, имеющая свою кристаллическую решетку, которая сохраняет когерентные связи с решеткой α-твердого раствора (рис. 48 в). Это усиливает искажения кристаллической решетки, твердость и прочность сплава повышается (рис. 49).

На третьей стадии старения при дальнейшей выдержке происходит срыв когерентности и выделение частиц стабильной θ–фазы (CuAl2) (рис. 48 г). Искажения кристаллической решетки частично снимаются, и прочность сплава понижается (рис. 49).

Рис. 49. Влияние температуры и длительности старения на прочность алюминиевых сплавов

При естественном старении происходит только первая стадия старения. При искусственном старении в зависимости от температуры и продолжительности выдержки могут протекать все три стадии процесса.

Чем выше температура старения, тем быстрее проходят все его стадии, но тем ниже максимальный уровень упрочнения, что связано с укрупнением упрочняющих фаз. Наиболее высокий уровень упрочнения может быть достигнут при естественном старении.

Возврат - кратковременный (2…3 мин) нагрев естественно состаренного сплава до 230…250°С с последующим быстрым охлаждением. При этом зоны Гинье-Престона растворяются, структура и свойства возвращаются к свежезакаленному состоянию, упрочнение полностью снимается. При последующем вылеживании сплава при комнатной температуре вновь происходит образование зон ГП и упрочнение сплава.

Применяют дуралюмины для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности, требующих долговечности при переменных нагрузках, в строительных конструкциях. Из дуралюмина изготавливают обшивки, шпангоуты, лонжероны самолетов, силовые каркасы, кузова грузовых автомобилей.