Контрольная работа по "Материаловедение"

вого состояния, близкого к равновесному. Температура отжига в данном

случае должна удовлетворять следующим требованиям: 1) чтобы твердый

раствор при этой температуре имел невысокое равновесное содержание леги-

рующих компонентов; 2) чтобы диффузионные процессы при этой темпера-

туре проходили быстро и интерметаллидные фазы выделились и скоагулиро-

вали за непродолжительное, удобное для практики время (в пределах 1...2 ч).

Применительно к промышленным сплавам этому требованию удовлетворяют

температуры 350...420 оС.

Рассмотрим на примере сплава А1-4% Сu (см. рис.6) превращения,

происходящие в закаленном сплаве при отжиге. Пересыщенный твердый рас-

твор в закаленном сплаве содержит 4% Сu. Выдержка сплава при температу-

ре отжига t0 приводит к выделению из твердого раствора избытка меди в виде

Ө.-фазы (Al2Cu), содержание меди в твердом растворе снижается до равно-

весной при этой температуре концентрации С0. Однако, как видно на рис.6.

С0 значительно больше С1 (равновесной меди при комнатной температуре) и

даже С2 (при 200 °С). Для концентрации того чтобы равновесное состояние

при температуре t0 осталось равновесным и при комнатной температуре, и

при 200 °С (различие в растворимости меди в алюминии при 20 и 200 °С не-

велико и им можно пренебречь), охлаждение от температуры t0 до 20 °С (на

практике до 200...250 °С) следует проводить медленно с тем чтобы в процес-

се охлаждения твердый раствор успевал обедняться медью в соответствии с

кривой изменения растворимости меди в алюминии. Принятые в производст-

ве скорости охлаждения при отжиге термически упрочняемых сплавов не

превышают 30 °С/ч.

 

Закалка.

 

Цель закалки - получить в сплаве предельно неравновесное фазовое со-

стояние (пересыщенный твердый раствор с максимальным содержанием ле-

гирующих элементов). Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, не-

посредственное повышение (по сравнению с равновесным состоянием) твер-

дости и прочности, а с другой стороны, возможность дальнейшего упрочне-

ния при последующем старении.

Закалку применяют для сплавов, претерпевающих фазовые превраще-

ния в твердом состоянии. В алюминиевых сплавах, используемых в промыш-

ленности, наблюдается лишь один вид фазовых превращений; при нагреве

интерметаллидные фазы растворяются в алюминии, а при охлаждении вновь

выделяются из твердого раствора.

Таким образом, закалка возможна только для алюминиевых сплавов,

содержащих компоненты, растворимость которых в твердом алюминии воз-

растает с температурой (Сu, Mn, Si, Zn, Li), причем в количествах, превы-

шающих растворимость при комнатной температуре. Закалка алюминиевых

сплавов заключается в нагреве их до температуры, при которой легирующие

компоненты находящиеся в интсрметаллидных фазах, полностью или час-

тично растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром

охлаждении до низкой температуры (10...20 °С)

Так, если сплав А1+4%Cu нагреть до температуры tЗ (соответствует tгом

на рис.3.2) выдержать некоторое время, необходимое для полного растворе-

ния Ө-фазы (А12Сu) в алюминии, и охладить в воде до комнатной температу-

ры, то твердый раствор, содержащий 4,0% Сu, в результате быстрого охлаж-

дения будет сохранен или, как часто говорят, зафиксирован при комнатной

температуре. Поскольку равновесная растворимость меди в алюминии при

низких температурах составляет около 0,2%, твердый раствор в закаленном

сплаве А1+4% Сu пересыщен медью более чем в 20 раз.

Рассмотрим основные принципы выбора режима закалки алюминиевых

сплавов. Температура нагрева под закалку должна обеспечить как можно более полное растворение интерметаллидных фаз в алюминии. Изменение температуры нагрева под закалку сплавов в зависимости от содержания меди показано на рис.6 пунктиром.

При закалке литейных алюминиевых сплавов следует иметь в виду, что

в структуре сплавов может быть неравновесная эвтектика. Поэтому темпера-

тура нагрева под закалку литейных сплавов не должна превышать темпера-

туры плавления неравновесной эвтектики. Приведенные выше соображения

по выбору температуры гомогенизации полностью относятся к выбору тем-

пературы нагрева под закалку литейных алюминиевых сплавов. Температура

нагрева под закалку различных промышленных сплавов колеблется в преде-

лах от 450 до 560 ºС.

Выдержка при температуре нагрева под закалку должна обеспечить

растворение интерметаллидных фаз, поэтому она зависит от величины час-

тиц и характера их распределения. В деформированных изделиях интерме-

таллидные фазы находятся в основном в виде мелких вторичных кристаллов

(сплав уже  подвергнут гомогенизации и раду  технологических нагревов), а в

отливках - в виде довольно грубых эвтектических включение. Отсюда раз-

личная продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку

для деформируемых сплавов она измеряется десятками минут, а для литей-

ных - часами или даже десятками часов.

Охлаждение при закалке следует проводить с такой скоростью, которая

обеспечит отсутствие распада твердого раствора в процессе охлаждения. Эта

скорость должна быть больше некоторой определенной для каждого сплава

критической скорости охлаждения VКР, которая определяется как наимень-

шая скорость охлаждения сплава, при которой распад твердого раствора в

процессе охлаждения еще не происходит.

 

Значения критических скоростей охлаждения для различных сплавов могут быть приблизительно (с достаточной точностью для прак-

тики) определены по диаграммам изотермического распада переохла-

жденного твердого раствора.

На рис.12 показаны такие диаграммы для двух алюминиевых

сплавов - промышленного сплава системы Al-Cu-Mg (Д16) и сплава

Al-4,2% Zn - 1,9% Mg. Так как устойчивость переохлажденного твердого раствора в сплаве Al-Zn-Mg значительно выше, чем в сплаве Д16, то критическая скорость охлаждения первого сплава значительно меньше, чем второго. Тонкостенные изделия из

превращения переохлажденного твердого распора в сплавах Д16 и Al-Zn-Mg (указано

начало распада твердого раствора) сплавов Al-Zn-Mg закаливают при охлаждении на воздухе, в то время как для изделий из сплавов А1- Cu-Mg необходимо охлаждение в воде.

 

Рис.12 Диаграммы изотермического

 

В промышленности большинство алюминиевых сплавов при закалке

охлаждают в воде (как правило, в холодной, иногда в подогретой).

При закалке толстостенных изделий в воде скорость охлаждения внут-

ренних объемов по мере удаления от поверхности уменьшается, и при какой-

то достаточно большой толщине близкие к центру объемы изделия будут ох-

лаждаться со скоростью меньше критической, т.е. изделие не прокалится на-

сквозь. Толщина изделия, при которой центральные объемы охлаждаются

при закалке со скоростью, равной критической, характеризует прокаливае-

мость сплава. Прокаливаемость тем выше, чем меньше критическая скорость

охлаждения.

 

Таблица 3.1 Критическая скорость охлаждения и прокаливаемость при закалке в

холодной воде некоторых алюминиевых сплавов.

Сплав	Система	VKP,°C/C	Максимальная толщина плиты, прокаливающейся насквозь, мм
В93 АК4-1 Д16 В95	Al-Zn-Mg-Cu Al-Cu-Mg Al-Cu-Mg Al-Zn-Mg-Cu с добавками Mn и Cг	3…5 10..20 60..90 100..120	250...300 150..200 100..120 50..70

 

 

Однако охлаждение в воде не может рассматриваться как оптимальный

вариант закалки во всех случаях. Очень высокая скорость охлаждения при

закалке в воде приводит к образованию больших внутренних напряжений,

которые обусловливают коробление изделий. Это особенно проявляется в

крупногабаритных изделиях сложной конфигурации (штамповки, панели),

правка которых после закалки весьма трудоемка и дорогостояща. Выбор для

каждого сплава охлаждающих сред, обеспечивающих охлаждение со скоро-

стью больше критической, но меньше, чем в воде - актуальная задача.

Следует указать, что существуют алюминиевые сплавы, имеющие

очень малую критическую скорость охлаждения при закалке, тонкостенные

изделия из которых могут закаливаться с охлаждением на воздухе. К таким

сплавам относятся низколегированные сплавы систем Al-Mg-Si (АД31) Al-

Zn-Mg (1915, 1935), сплавы системы А1-Mg, Li (1420). Для  таких сплавов

возможно совмещение процесса закалки с охлаждением изделий после их го-

рячей: деформации (экструдирования, прокатки), поскольку температура го-

рячей деформации для ряда алюминиевых сплавов близка к температуре на-

грева под закалку.

После закалки сплавы, обладая повышенной по сравнению с отожжен-

ным состоянием прочностью, сохраняют высокую пластичность. Однако

роль закалки, как уже отмечалось, не ограничивается ее непосредственным

влиянием на свойства. Обусловливая получение пересыщенных твердых рас-

творов легирующих компонентов в алюминии, закалка обеспечивает воз-

можность дальнейшего повышения прочности при старении. В табл.4 при-

веден пример изменения механических свойств одного из наиболее распро-

страненных термически упрочняемых алюминиевых сплавов Д16 после раз-

личных видов термообработки.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4

Механические свойства листов из сплава Д 16

 

Состояние после отжига	Механические свойства
	σв, МПа   200	σ0,2, МПа   100	δ,%   25
Непосредственно после закалки	300	220	25
После закалки и старения	450	340	18

 

Старение.

Старение представляет собой выдержку закаленного сплава при неко-

торых (относительно низких) температурах, при которых начинается распад

пересыщенного твердого раствора или в твердом растворе происходят струк-

турные изменения, являющиеся подготовкой к распаду. Цель старения - до-

полнительное повышение прочности закаленных сплавов.

Распадом называют процесс, в результате которого из одной фазы (пе-

ресыщенный твердый раствор) образуются две фазы: твердый раствор, обед-

ненный легирующими компонентами и выделения интерметаллидов, отли-

чающиеся от твердого раствора по составу и кристаллической решетке, и от-

деленные от твердого раствора поверхностью раздела.

Сильная пресыщенность твердого раствора в закаленном сплаве обу-

словливает его термодинамическую нестабильность. Распад твердого раство-

ра, приближающий фазовое состояние к равновесному, а следователь но, к

уменьшению свободной энергии сплава, является самопроизвольно идущим

процессом.

Во многих закаленных алюминиевых сплавах подготовительные стадии

распада, а иногда и начало собственно распада проходят без специального

нагрева, при вылеживании в естественных условиях в цехе, на складе или в

другом помещении, в котором хранятся изделия, где температуры обычно

находятся в пределах от 0 до 30 °С. В некоторых алюминиевых сплавах (Al-

Cu-Mn) подготовка  к распаду и начальные стадии  распада происходят лишь

при нагреве закаленного сплава до температуры 100...200 °С. Смысл этого

нагрева - термическая uc2еактивация диффузионных процессов.

Выдержку закаленных алюминиевых сплавов в естественных условиях

(при температуре  окружающей среды), которая приводит  к определенным

изменениям структуры и свойств (прочность, как правило, повышается), на-

зывают естественным старением.

Нагрев закаленных алюминиевых сплавов до относительно невысоких

температур (обычно в интервале 100...200 °С) и выдержку при этих темпера-

турах (в пределах от нескольких часов до нескольких десятков часов) назы-

вают искусственным старением.

Способность многих алюминиевых сплавов к старению при комнатной

температуре обусловила возникновение применительно к алюминиевым

сплавам термина "свежезакаленное состояние", т.е. состояние сплава непо-

средственно после закалки. Свойства алюминиевых сплавов в свежезакален-

ном состоянии могут значительно отличаться от их свойств спустя опреде-

ленное время после закалки (в результате естественного старения). Естест-

венное и низкотемпературное искусственное старение связано с тонкими из-

менениями структуры, которые не обнаруживаются в световом, а в ряде слу-

чаев и в электронном микроскопе. И только специальные методы рентгено-

структурного анализа позволили Гинье и независимо от него Престону опи-

сать механизм подготовительных стадий распада пересыщенного твердого

раствора.

Процесс распада пересыщенных твердых растворов, на примере наи-

более изученных Al-Cu-сплавов, по мере повышения температуры нагрева

или увеличения продолжительности выдержки при постоянной температуре