Конспект лекций Часть 2 Омск 2006 (075. 8) Ббк 34. 202: 34. 206я73 Б95

Деформируемые сплавы, упрочняемые тер­мической обработкой, – это сплавы, в состав которых входят медь, магний, цинк, марганец, кремний и др. Эти элементы образуют с алюминием твердые растворы перемен­ной растворимости и ряд химических соединений (CuAl₂; Al₂CuMg; Mg₂Si и др.), что позволяет упрочнять такие спла­вы термической обработкой – закалкой и старением.
Целью закалки является получение структуры однород­ного пересыщенного твердого раствора. Нагрев для закалки ведут до температуры, при которой избыточные фазы раство­ряются в алюминии. После выдержки охлаждением в воде фиксируется структура пересыщенного твердого раствора. Сплавы имеют низкую прочность и высокую пластичность.
Старение – распад пересыщенного твердого раствора с выделением избыточных фаз и упрочнением сплава. Старение (без нагрева) при комнатной температуре называют естественным, с нагре­вом – искусственным. Существует «инкубационный» период, при котором в течение 1 – 2 ч после закалки нет заметного упрочнения и повышения твердости. Сплавы сохраняют пластичность, позволяющую подвергать их холодной обра­ботке давлением (правке, гибке, клепке и т. п.).
Медь – основной компонент в сплавах этой группы, поэтому процессы старения целесообразно рассмотреть на примере простой системы «алюминий – медь». Растворимость меди в алюминии переменная: от 0,2 (0°С) до 5 % (548°С), а ее содержание в сплавах – 2,5 – 4,5 %. Следовательно, структура таких сплавов – -твердый раствор и кристаллы CuAl₂.
При естественном старении (ниже 100°С) атомы меди перемещаются в решетке пересыщенного твердого раствора и собираются в пластинчатые образования толщиной в не­сколько атомных слоев – зоны Гинье-Престона (ГП). Эти зоны рав­номерно распределены в каждом кристалле твердого раство­ра и в прилегающих областях вызывают значительное искажение его кристаллической решетки, что является причиной упроч­нения сплава.
Процесс естественного старения состоит только в обра­зовании зон ГП, скорость возникновения которых постепенно уменьшается, и по истечении четырех – семи суток старение заканчи­вается. Распада твердого раствора и образования новых фаз не происходит. Сплав приобретает максимальную прочность, сохраняющуюся в дальнейшем постоянной.
После естественного старения сплавы имеют высокую коррозионную стойкость и низкую чувствительность к хруп­кому разрушению.
Если сплав после естественного старения кратковременно быстро нагреть до 230 – 270°С и быстро охладить, то упрочнение полностью снимается и восстанавливается пластичность. Эту операцию называют обработкой «на воз­врат».
При нагреве зоны ГП растворяются в твердом раст­воре, атомы меди и других компонентов равномерно распре­деляются в пределах кристаллов твердого раствора, искаже­ния решетки устраняются. После «инкубационного» периода процесс естественного старения по­вторяется, но у сплава снижается сопротивление коррозии. Это ограничивает применение обработки «на возврат».
С повышением температуры (100 – 150°С) при искус­ственном старении ускоряются процессы диффузии, зоны ГП укрупняются и в них увеличивается концентрация меди.
Нагрев до 150 – 200°С и выдержка в несколько часов приво­дят к образованию в местах зон ГП мелкодисперсных частиц CuAl₂, не отделившихся от решетки твердого раствора. По­вышение температуры до 200 – 250°С вызывает отделение и укрупнение (коагуляцию) этих частиц. Искусственное старе­ние связано с распадом пересыщенного твердого раствора и образованием избыточных фаз – «фазовое» старение.
При более высокой температуре старения в процессе коагуляции образовавшихся фаз прочность и твердость сна­чала возрастают, достигают максимальных значений, а затем снижаются. Пластичность, вязкость и сопротивление корро­зии возрастают. Такое старение, вызывающее разупрочнение сплавов, называют коагуляционным.
После искусственного старения у боль­шинства сплавов вязкость, сопротивление хрупкому разру­шению и коррозии под напряжением снижаются при воз­растании прочности.
Некоторые сплавы с марганцем, хромом, никелем имеют температуру рекристаллизации выше температуры их горя­чей деформации или температуры закалки, поэтому после закалки и старения у них сохраняется нагартованная структура, что на 30 – 40 % превышает проч­ность. Это явление называется «структурным упрочнением», а для прессованных полуфабрикатов (прутки, профили, тру­бы) – «пресс-эффектом».
Полный отжиг для разупрочнения сплавов проводят при температуре 350 – 450°С с выдержкой в 1 – 2 ч. Скорость охлаждения – не более 30°С/ч. При этом происходят полный распад пересыщенного твердого раствора и коагуля­ция упрочняющих избыточных фаз. После отжига сплавы имеют низкую прочность, высокую пластичность и сопротивление корро­зии под напряжением.