Чем объясняется явление возврата для состаренных алюминиевых сплавов

Обновлено: 28.06.2024

Коробление – это то, что нередко случается при механической обработке деталей из термически упрочняемых алюминиевых сплавов. Причина коробления этих деталей – остаточные напряжения, которые образовались при их закалке в процессе термического упрочнения.

Кстати, знаменитые алюминиевые цельные корпусы аппаратов iPhone 5 и iPhone 6 компании Apple изготавливаются именно так. Цельную алюминиевую прессованную заготовку подвергают многочисленным фрезерным операциям на хитроумном станке с компьютерным управлением с постоянным мощным охлаждением, чтобы избежать ее коробления.

Закалка алюминиевых сплавов

Операция закалки алюминиевых сплавов состоит из двух этапов:

Первый этап – это нагрев до температуры закалки: от 450 ºС для сплавов серии 7ххх до 520 ºС для сплавов серии 6ххх.
После некоторой выдержки при температуре закалки следует быстрое охлаждение – для различных сплавов разное.

Необходимая для полной закалки скорость охлаждения значительно различается для различных алюминиевых сплавов, например:

погружение в холодную или теплую воды для высокопрочного сплава 7075 (отечественный аналог – В95),
охлаждение струями воды для сплава 6061 (АД33),
охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом для сплава 6060 (АД31).

Цель закалки – удержать в твердом растворе алюминия растворенные легирующие элементы – для разных сплавов разные. Вслед за закалкой следует стадия старения – естественного или искусственного (при повышенной температуре). В ходе старения за счет выделения из твердого раствора упрочняющих компонентов, содержащих легирующие элементы, происходит повышение прочности алюминиевого сплава.

Коробление – бич механической обработки алюминия

На рисунке ниже показано коробление, которое возникло в листе из сплава 7075 в состоянии Т6 (закалка и искусственное старение) толщиной 25 мм и длиной 250 мм после разрезания на электро-эррозионном станке по центральной плоскости на две половинки. Максимальная величина образовавшейся щели достигла 4,3 мм.

Рисунок 1 – Коробление листа из сплава 7075-Т6
после разрезания вдоль центральной плоскости

Остаточные напряжения в алюминии – какие они?

Уровень остаточных напряжений в закаленном алюминиевом изделии, например в том же толстом листе, возрастает с увеличением его толщины, пока, наконец, не достигает предела текучести алюминиевого сплава в закаленном состоянии.

Почему возникают остаточные напряжения?

Таким образом, внутри изделия образуются растягивающие остаточные напряжения потому что, материал здесь хочет сократить свои размеры, но не может этого сделать из-за сопротивления наружных слоев. Эти растягивающие напряжения во внутренних слоях изделия уравновешиваются сжимающими напряжениями вблизи его поверхности.

Остаточные напряжения в алюминиевых листах

На рисунке 2 показано распределение уравновешенных остаточных напряжений по толщине закаленного листа. Максимум сжимающих (отрицательных) напряжений достигается на обеих наружных поверхностях листа, а максимальные растягивающие остаточные напряжения возникают внутри листа – по центральной плоскости. Такое распределение остаточных напряжений характерно для простого случая полубесконечного листа (плиты). Для деталей менее правильной формы распределение остаточных напряжений будет намного более сложным.

Рисунок 2 – Пример уравновешенных остаточных напряжений
в алюминиевом толстом листе

Величины пиковых сжимающих и растягивающих остаточных напряжений в закаленном алюминиевом листе зависит от интенсивности закалки, толщины листа и уровня предела текучести сплава в закаленном состоянии. Обычно остаточные напряжения являются весьма не высокими в относительно тонких листах, но увеличиваются с ростом толщины и достигают предела текучести в закаленном состоянии алюминиевого сплава, из которого они сделаны, в очень толстых листах. Это происходит потому, что с увеличением толщины возрастает различие между температурой на поверхности листа и температурой в его сердцевине. Это приводит к более высоким остаточным напряжениям.

Если в ходе последующей механической обработки закаленного и состаренного листа материал удаляется асимметрично по отношению к распределению остаточных напряжений, то возникает коробление листа в виде его самопроизвольного прогиба.

Как избежать коробления?

Для снижения уровня остаточных напряжений в алюминиевых изделиях и предотвращения коробления деталей при их механической обработке могут в различной степени применяться четыре подхода.

Алюминии и его сплавы подвергают различным видам термической обработки в зависимости от состава сплавов, вида полуфабрикатов, деталей и заготовок, а также их назначения. В алюминии нет полиморфного и мартенситного превращений. Поэтому для алюминиевых сплавов виды термической обработки, связанные с этими превращениями, исключены.
Отличительная особенность алюминия заключается в его высокой теплопроводности, в связи с чем проблема прокаливаемости не имеет особой остроты. Склонность алюминия и его сплавов к взаимодействию с газами, составляющими атмосферу печи, невелика. Поэтому до последнего времени не возникало особой необходимости в применении защитных атмосфер при термической обработке алюминиевых сплавов.
После деформации в алюминиевых полуфабрикатах возникают разнообразные структуры, отличающиеся по величине зерна, однородности его по объему и внутризеренному строению. Тип структуры определяется химическим составом сплава, температурой, степенью и скоростью деформации, а также схемой напряженного состояния в процессе изготовления полуфабрикатов. Деформированная структура оказывает наследственное влияние на структурное состояние металла после термической обработки. Поэтому состояние металла после термической обработки. Поэтому нельзя выбирать режимы термической обработки, не принимая во внимание вид и характер предшествующей деформации полуфабрикатов.
Разнообразие требований, предъявляемых к свойствам полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, предопределяет выбор вида термической обработки. В одних случаях требуются высокие прочностные характеристики при достаточно высоком уровне пластичности; в других -необходима максимальная пластичность для обеспечения возможности холодной деформации при изготовлении деталей и узлов; в ряде случаев важны ресурсные характеристики и т. Д. Правильный выбор видов и режимов термической обработки позволяет получать полуфабрикаты, свойства которых удовлетворяют предъявляемым требованиям. Наибольшее распространение для алюминиевых сплавов получили три вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.
Отжиг. Отжиг алюминиевых сплавов применяют в том случае, когда необходимо ликвидировать нежелательные последствия, связанные с неравновесностью структуры. Наиболее часто при неравновесной структуре наблюдается пониженная пластичность, низкая коррозионная стойкость и недостаточная деформационная способность. Неравновесность структуры обычно связана с технологией изготовления полуфабрикатов. Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены следующие разновидности:
1. Неравновесное состояние, свойственное литым сила вам. При получении слитков и отливок скорости кристаллизации достаточно высоки, и поэтому сама кристаллизация протекает в неравновесных условиях, что приводит к явлениям дендритной ликвации компонентов сплава. При этом легирующие компоненты и примеси распределяются неравномерно по объему литых зерен, а на границах появляются неравновесные интерметаллические фазы. Такой характер структуры обусловливает низкую технологическую пластичность сплавов и малую коррозионную стойкость.
2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией. Это состояние вызывается тем, что при деформации происходят существенные структурные изменения, часть энергии деформации поглощает, и свободная энергия системы повышается.
3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей термической обработки. Основная особенность такого состояния — присутствие в сплаве более или менее пересыщенного легирующими компонентами твердого раствора на основе алюминия.
4. Неравновесное состояние, вызванное остaточными напряжениями в объеме металла.

Продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку определяется скоростью растворения легирующих элементов, входящих в избыточные фазы и зависит от природы сплава, его структурного состояния и условий нагрева. При медленном нагреве процессы растворения частично протекают уже на этой стадии и время выдержки может быть сокращено. Чем дисперснее частицы упрочняющей фазы, тем меньшее время необходимо для их растворения. Поэтому, например, время выдержки при закалке отливок, полученных литьем в песчаные формы, должно быть больше, чем для деформированных полуфабрикатов.
Скорости охлаждения при закалке должны обеспечивать фиксацию в твердом растворе концентраций легирующих компонентов, свойственных высоким температурам.
Скорости охлаждения можно регулировать, применяя закалочные среды с различной охлаждающей способностью. При выборе охлаждающей среды необходимо принимать во внимание и толщину изделий. Как известно, поверхностные слои изделия охлаждаются с большими скоростями, чем срединные, и поэтому охлаждающая среда должна обеспечивать необходимые скорости охлаждения срединных слоев.
Старение. Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Старение применяют для повышения прочностных характеристик алюминиевых сплавов. Для этой цели можно использовать естественное и искусственное старение. Если сплавы предназначены для работы при высоких температурах, то старение используют для стабилизации структуры и размеров деталей. В этом случае всегда применяют искусственное старение.
Изменения структуры и свойств определяются разными механизмами распада в зависимости от температуры и времени старения. При низких температур или коротких временах выдержки упрочнение связано с образованием зон Гинье — Престона (ГП) (рис. 29). Этот вид старения, являющийся основным для сплавов типа дуралюмина, называют зонным старением. С увеличением температуры старения или времени выдержки может проявиться другой механизм упрочнения, когда оно достигается вследствие выделения из твердого раствора метастабильных фаз, которые имеют с матрицей когерентные или полукогерентные границы. Такое старение, протекающее обычно при повышенных температурах, называют фазовым старением. Дальнейшее увеличение времени старения приводит к тому, что образуются выделения стабильных фаз, имеющие с матрицей некогерентные границы. Коагуляция этих фаз приводит к разупрочнению сплавов, и соответствующий вид старения называют коагуляционным старением.

Переход от зонной стадии старения к фазовой может осуществляться изотермически при увеличении времени выдержки либо при повышении температуры. Для каждого сплава могут быть установлены температурно-временные области зонного, смешанного фазового и коагуляционного старения.
По мнению И.Н. Фридляндера, в принципе для каждого стареющего сплава целесообразно иметь три режима старения, отвечающих зонному, фазовому и коагуляционному старению. При зонном старении наблюдается максимальная пластичность при достаточной прочности и средних значениях предела текучести (рис. 30), но с высокой чувствительностью к структурным изменениям при возможных последующих нагревах. Фазовое старение обеспечивает максимальную прочность и предел текучести, но значения относительного удлинения при этом понижены и возникает опасность коррозионного растрескивания. Сплав обладает высокой чувствительностью к концентраторам напряжений. Коагуляционное старение обеспечивает высокую коррозионную стойкость, высокий предел текучести, слабую чувствительность к изменению свойств при дополнительных нагревах (эксплуатационных И технологических), повышенную технологическую пластичность. В то же время относительное удлинение продолжает оставаться низким, а чувствительность к концентраторам напряжений — высокой.
Для выбора режимов старения удобно использовать два вида экспериментальных кривых, характеризующих зависимость какого-либо измеряемого свойства от режимов старения. Одни из них характеризуют зависимость измеряемого свойства от продолжительности старения при постоянных значениях температур (изотермические кривые старения). На других приведена зависимость измеряемого свойства от температуры старения при постоянных временах выдержки (изохроны старения)
Возврат при старении. Этот вид термической обработки применяют к закаленным и естественно состаренным алюминиевым сплавам. Сущность этого вида термообработки сводится к следующему. Если естественно состаренный сплав алюминия нагреть на очень короткий промежуток времени до температур, превышающих линию сольвуса для зон Гинье — Престона, то зоны растворяются, а процессы фазового старения еще не успевают протекать. При последующем быстром охлаждении структура и свойства сплава соответствуют свежезакаленному состоянию. Обработку на возврат можно использовать для повышения технологической пластичности, когда закаленный и естественно состаренный материал необходимо деформировать в холодном состоянии при изготовлении детален. После правильно проведенной обработки на возврат сплав подвергают старению так же, как и после закалки.

Академик И. ФРИДЛЯНДЕР, советник генерального директора ВИАМа.

Свойства сплавов и изделий из них зависят от множества факторов и прежде всего от химического состава. Иногда добавление даже нескольких десятых долей процента легирующего элемента делает сплав чрезвычайно жестким или, наоборот, сверхпластичным. Но не меньшее влияние оказывает термообработка. С ее помощью можно добиться изменения не только прочности или способности материала сопротивляться усталостному разрушению, но и изменить его коррозионную стойкость. Один из наиболее распространенных способов обработки авиационных материалов называется старением.

В начале 1924 года в небо поднялся первый серийный отечественный цельнометаллический самолет АНТ-3 конструкции А. Н. Туполева.

Рис. 2. Элементарные ячейки стабильной (θ) и метастабильных промежуточных фаз (θ' и θ"), которые могут выделяться из алюминиевого раствора при старении сплавов Аl-Сu.

В 1909-1911 годах немецкий материаловед А. Вильм, изучая свойства алюминия, открыл явление, которое получило название "естествен ное старение". Оказалось, что сплав алюминия с добавками 4% меди, 0,5% магния и 0,5% марганца после закалки и резкого охлаждения с температуры 500°С, находясь при комнатной температуре в течение 4-5 суток, постепенно становится тверже и прочнее, не теряя пластичности. Этот процесс удачнее было бы назвать возмужанием, но привился термин "старение". В случае протекания старения с подогревом оно называется искусственным старением.

Явление упрочнения в результате процесса старения имеет огромное значение для развития алюминиевой промышленности.

Исследования показали, что старение свойственно не только сплаву Вильма, но и многим другим алюминиевым сплавам. Оно происходит в том случае, если вводимые в алюминий элементы образуют между собой или с алюминием интерметаллическое соединение, то есть химическое соединение двух или большего числа металлов, растворимое в алюминии при температуре закалки и стремящееся выделиться из твердого раствора при понижении температуры.

В системе алюминий - медь - магний алюминий образует соединение с медью СuАl 2 и тройное соединение с медью и магнием Аl 2 СuMg, так называемую фазу S. Оба эти соединения растворяются в алюминии при температуре закалки; при комнатной температуре растворимость их резко падает, и сплавы с этими фазами сильно упрочняются в результате процесса старения. Промышленное производство сплавов было впервые освоено в Германии в начале 20-х годов прошлого века на заводах "Дюренметалверке". Отсюда и название "дуралюмин" или "дюраль".

Было высказано предположение, что в процессе вылеживания закаленного дуралюмина при комнатной температуре из пересыщенного твердого раствора меди в алюминии выделяются мельчайшие кристаллики соединения СuАl 2 , упрочняющие сплав. В конечном счете прочность сплава достигает 36-38 кг/мм 2 вместо 7-8 кг/мм 2 у чистого алюминия.

Казалось, что механизм старения раскрыт и можно переворачивать соответствующую страницу в науке. Однако в действительности страсти еще только разгорались. Дело в том, что при исследованиях микроструктуры через оптический микроскоп (а исследования велись преимущественно на двойном сплаве алюминий - медь, который имеет меньшую прочность, чем сплав, содержащий еще магний и марганец, но более удобен для изучения) найти частицы СuАl 2 не удавалось, и реальность их существования в естественно состаренном сплаве стали подвергать сомнению. К тому же выделение частиц из твердого раствора должно обязательно снижать электрическое сопротивление. А в процессе естественного старения растут параллельно и прочность и сопротивление. Увеличение электросопротивления указывало на то, что медь остается внутри твердого раствора.

Началась острая дискуссия между сторонниками и противниками гипотезы о выделении меди из алюминия при естественном старении.

Изучению механизма старения помогли рентгеноструктурный анализ и мощные электронные микроскопы, позволяющие просматривать тонкие металлические пленки на просвет. Все оказалось значительно сложнее, чем думали. Медь не выделяется из твердого раствора и не остается внутри него. В процессе старения она собирается в дискообразных участках толщиной один-три атомных слоя и диаметром 90 А, образуя так называемые зоны Гинье-Престона (зоны Г.-П.). Это название зон обязано своим происхождением двум исследователям - Дж. Д. Гинье и А. Престону, независимо друг от друга открывшим скопления меди в решетке состаренного сплава алюминия с медью (рис. 1).

Концентрация меди в зонах Г.-П. существенно выше, чем в окружающем твердом растворе, где на каждый атом меди приходится более 50 атомов алюминия. При увеличении в 500 000 раз зоны имеют вид размытых штрихов. Хотя весь процесс передвижения атомов разыгрывается в пределах решетки алюминия, обогащение зон медью вызывает вполне определенные последствия. Медь имеет меньший атомный радиус, чем алюминий, поэтому область зон Г.-П. сжата, а прилегающие области матрицы растянуты. Число зон Г.-П. в сплавах алюминий - медь огромно: в 1 см 3 число их равно цифре 5 с 17 нулями (5 . 10 17 ) (рис. 1.)

Для зон характерно отсутствие собственной решетки и, следовательно, четко выявляющейся границы между зоной и твердым раствором (матрицей); они непосредственно переходят друг в друга, между ними существует когерентная связь. Для естественного старения, а точнее, зонного старения характерны средняя прочность и сравнительно низкий предел текучести, зато высокие значения вязкости разрушения и коррозионной стойкости. Этот тип старения в промышленных сплавах обозначается буквой Т.

При повышении температуры старения появляется промежуточная фаза θ', имеющая собственную решетку типа решетки фтористого кальция (рис. 2), - происходит так называемое искусственное, а точнее, фазовое старение. Важная особенность решетки θ' - наличие в ней плоскостей с квадратной сеткой атомов и параметрами, близкими к параметрам решетки алюминиевой матрицы. По этим плоскостям решетка θ' неразрывно переходит в решетку алюминиевой матрицы, здесь сохраняется когерентная связь, как в случае с зонами. По другим кристаллическим плоскостям θ' отделяется от алюминиевой матрицы и образуются границы раздела. Фазовое старение обозначает ся в промышленных сплавах буквой Т1. Для него характерны максимальные прочность и предел текучести, пониженные удлинение, вязкость разрушения и коррозионная стойкость. При дальнейшем повышении температуры старения или его длительности частицы фаз укрупняются, идет процесс коагуляции, прочность и предел текучести несколько снижаются, но коррозионная стойкость, пластичность, вязкость разрушения радикально улучшаются. Это состояние именуется коагуляционным старением и обозначается символами Т2 и Т3.

При еще большем повышении температуры термической обработки и медленном охлаждении возникает стабильная фаза θ (СuАl 2 ), полностью отделенная от алюминиевой матрицы по всем кристаллическим областям. Происходит отжиг, обозначаемый буквой О или М (мягкий отжиг). Алюминиевый твердый раствор перешел в состояние, приближенное к равновесному, он стал пластичным, прочность и электросопротивление снизились. Сплав легко гнется, штампуется, но из-за низкой прочности не применяется в конструкциях.

Самые распространенные промышленные естественно стареющие сплавы типа дуралюмин марки Д16Т или 113Т (Россия), 2024 (США) имеют прочность 420-450 МПа, предел текучести 280 МПа, удлинение 15-20%. По сравнению со сплавом Вильма в этих сплавах содержание магния повышено с 0,5 до 1,5%. Именно из них делают во всех странах фюзеляжи пассажирских самолетов.

С особой остротой вопрос о свойствах сплавов в естественно и искусственно состаренном состояниях возник в 1954 году после серии загадочных катастроф английского пассажирского самолета "Комета". В 1949 году английской фирмой "Де-Хэвиленд" был выпущен первый в мире реактивный четырехмоторный пассажирский самолет "Комета". Крейсерская скорость этого самолета на высоте 12 км равнялась 800 км/ч. 10 января 1954 года во время регулярного рейса из Сингапура в Лондон недалеко от острова Эльба с самолетом внезапно прервалась связь. К этому моменту налет составлял 3681 час.

8 апреля 1954 года другой самолет "Комета" взлетел с римского аэродрома, взяв курс на Каир. Через 33 минуты радиосвязь с ним прекратилась. Налет самолета составил 2704 часа. Самолеты "Комета" больше в воздух не поднимались.

Английский флот занялся поисками потерпевших аварию самолетов. Обнаруженные обломки исследовали и установили, что пожар возник после того, как самолеты разрушились в воздухе. При подъеме на высоту, когда внешнее давление снижалось, фюзеляж как бы раздувался под влиянием постоянного внутреннего давления, а при посадке на землю он возвращался в исходное состояние. Так повторялось при каждом цикле полетов. За общее время полета "Комет" фюзеляжи до 1000 раз растягивались внутренним давлением и при посадке сжимались. Этот процесс и приводил к образованию трещины. Трещины увеличивались до критической величины, воздух из салона вырывался с силой взрыва, и весь самолет разрушался. Но гипотезу надо было доказать. В английском авиационном испытательном центре Фарнборо был сооружен огромный бассейн, куда целиком помещался фюзеляж самолета. Через какое-то число циклов поднятия и снижения давления появилась усталостная трещина. Она росла и приводила к разрушению кабины самолета.

Рис. 1. Модель старения твердого раствора меди в алюминии. В процессе старения сплава атомы меди собираются в так называемые зоны Гинье-Престона (Г.-П.) - дискообразные участки толщиной в 1-3 атома и диаметром около 90 А. Область Г.-П. сжата, что придает металлу высокую

Закалка алюминиевых сплавов

Операция закалки алюминиевых сплавов состоит из двух этапов:

Первый этап – это нагрев до температуры закалки: от 450 ºС для сплавов серии 7ххх до 520 ºС для сплавов серии 6ххх.
После некоторой выдержки при температуре закалки следует быстрое охлаждение – для различных сплавов разное.

погружение в холодную или теплую воды для высокопрочного сплава 7075 (отечественный аналог – В95),
охлаждение струями воды для сплава 6061 (АД33),
охлаждение вентиляторами или сжатым воздухом для сплава 6060 (АД31).

Коробление – бич механической обработки алюминия

Рисунок 1 – Коробление листа из сплава 7075-Т6
после разрезания вдоль центральной плоскости

Остаточные напряжения в алюминии – какие они?

Почему возникают остаточные напряжения?

Остаточные напряжения в алюминиевых листах

Рисунок 2 – Пример уравновешенных остаточных напряжений
в алюминиевом толстом листе

Как избежать коробления?

Промышленные сплавы системы Al-Cu-Mg
Конструкционные дюралюминиевые сплавы (дюраль, дуралюмин) Д1, Д16, Д19, ВД17, 2024 и др. упрочняют термической обработкой, они обладают высокими характеристиками механических свойств. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон Гинье-Престона сложного состава или метастабильных фаз S’ и θ’.

Сплавы типа дуралюмин упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки с 490—525°С (в зависимости от состава сплава) и естественного (зонного) или искусственного (фазового) старения.

В наиболее легированных сплавах (Д16, Д19, ВД17 и ВАД-1) содержание меди и магния превышает предельную растворимость этих элементов в твердом растворе или приближается к ней, что обуславливает гетерогенное состояние сплавов при температурах нагрева перед закалкой. Ограничение верхнего предела по содержанию легирующих элементов позволяет уменьшить количество растворимых избыточных фаз и повысить вязкость разрушения без снижения прочности.

Различие естественного и искусственного состаренных сплавов
Температура эксплуатации сплавов Д16, Д16ч, 1163 в естественно состаренном состоянии ограничена 80°С из-за снижения коррозионной стойкости в случае нагревов при более высоких температурах.

Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии имеют улучшенную коррозионную стойкость, которая не снижается при нагревах, более высокие прочностные свойства, особенно предел текучести, однако более низкие значения относительного удлинения, вязкости разрушения, выносливости по сравнению с естественно состаренным состоянием.

Существенное улучшение вязкости разрушения в искусственно состаренном состоянии достигается в результате снижения содержания железа, кремния, а также легирующих элементов. Поэтому для деталей в искусственно состаренном состоянии используются улучшенные модификации сплава Д16 — Д16ч и 1163. Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии могут применяться в температурно-временных областях, в которых не рекомендуется применять сплавы в естественно состаренном состоянии: при эксплуатационных нагревах при температурах выше 80°С или технологических нагревах выше 125°С, а также при повышенной опасности коррозии под напряжением. При изготовлении деталей из сплавов Д16ч и 1163 в искусственно состаренном состоянии необходимо выбирать конструктивные формы с минимальной концентрацией напряжений, отрабатывать плавность переходов при изменении сечения деталей, уменьшать эксцентриситеты. Кроме того, ограничиваются допустимые деформации при формообразовании и правке в зависимости от состояния термообработки, величины зазора перед сборкой, не рекомендуется ударная клепка.

Сплавы системы Аl-Сu-Mg превосходят по жаропрочности сплавы систем Аl-Mg, Аl-Mg-Si, Аl-Zn-Mg-Cu. Их преимущество перед высокопрочными алюминиевыми сплавами проявляется при температурах выше 100°С и особенно при длительных выдержках. Сплавы Д1, Д16 склонны к образованию кристаллизационных трещин и поэтому относятся к категории несваривающихся плавлением сплавов. Cвариваемым сплавом является сплав ВАД-1.

Возврат при старении
В естественно состаренных сплавах типа дуралюмин при быстром и кратковременном (2 мин) нагреве до 250—300°С происходит снижение прочности до значений, свойственных свежезакаленному состоянию. Это явление называется возвратом при старении. Искусственное старение уменьшает явление возврата.

Зависимость свойств дюралюминия от степени рекристаллизации
Механические свойства горячедеформированных полуфабрикатов из сплавов типа дуралюмин сильно зависят от степени рекристаллизации в процессе нагрева при деформации и термической обработке. Разница в прочности закаленного и состаренного рекристаллизованного и нерекристаллизованного материалов достигает 200 МПа.

Полуфабрикаты с нерекристаллизованной структурой по сравнению с рекристализованной при повышенных прочностных свойствах в долевом направлении имеют преимущество по вязкости разрушения, выносливости при одинаковом по абсолютной величине уровне напряжения, сопротивлению коррозии под напряжением, но обладают более низким относительным удлинением в долевом направлении; выигрыш по прочностным свойствам уменьшается на образце с отверстием.

Листовой материал, изготовленный методом горячей и последующей холодной прокатки, а также проволока и трубы, изготовленные холодной прокаткой и волочением, в закаленном состоянии имеют полностью рекристаллизованную структуру. Профили и прутки, полученные горячим прессованием, после термической обработки могут иметь структуру от полностью нерекристаллизованной до полностью рекристаллизованной. Возможно получение преимущественно нерекристаллизованной структуры и в плитах. Сохранению нерекристаллизованной структуры способствует повышение температуры и уменьшение степени горячей деформации изделий, понижение температуры и времени выдержки при нагреве под закалку, увеличение содержания элементов (Мn, Cr, Zr и др.), повышающих температуру рекристаллизации.

Химический состав по ГОСТ 4784–77 и ОСТ 190048–77
Сплавы данной группы содержат от 2 до 5 % Cu, 0,15–2,7 % Mg, 0–1,0 % Mn, до 0,7 % Fe, до 0,7 % Si и небольшие количества цинка и титана в виде примесей. В сплавы с повышенным содержанием магния (Д19, ВАД-1, Д19П) вводят небольшие количества бериллия для понижения окисления в процессе плавки, литья и термической обработки.

Химический состав (%) конструкционных сплавов типа дуралюмин (дюралюминий)

* В сплавах Д19, Д19ч, Д19П, ВАД-1 содержится 0,0002—0,005% Be.

Влияние примесей на механические свойства
Кроме основных легирующих элементов, в дюралюминии присутствуют небольшие количества примесей. Некоторые из них (железо и кремний) имеются в исходном первичном алюминии, другие (цинк и никель) попадают в сплавы при переплаве отходов, третьи (бериллий, титан и цирконий) вводят в сплавы специально в качестве технологических добавок.

В сплавах типа дуралюмин железо образует соединения, оказывающие охрупчивающее влияние. Железо соединяется с медью и уменьшает количество растворимой меди, которая упрочнеяет сплав при старении.

Кремний в этих сплавах увеличивает склонность к трещинообразованию при сварке (ВАД-1) и литье, особенно крупных слитков из сплавов Д16, Д19, понижает пластичность заклепок из всех сплавов. Для нейтрализации вредного влияния кремния при литье и сварке содержание железа в сплавах должно в 1,1–1,5 раза превышать содержание кремния.

Для получения высокой пластичности литого и деформированного материала, а также для повышения вязкости разрушения содержание железа и кремния должно быть минимальным.

Никель образует нерастворимые фазы с медью и железом, уменьшает пластичность и прочность термически обрабатываемых сплавов, улучшает твердость и прочность при повышенных температурах и понижает коэффициент линейного расширения.

Совместное присутствие железа и никеля в сплавах системы Al-Cu-Mg обеспечивает повышение механических свойств при комнатной и повышенных температурах по сравнению со сплавами, содержащими либо железо, либо только никель. Положительное влияние совместного содержания железа и никеля связано с образованием нерастворимой фазы FeNiAl9, в которой отсутствует медь.

В дюралюминах Д1, Д16 и др, содержащих железо и кремний в виде примесей, при введении никеля фаза FeNiAl9 не образуется. Небольшие количества цинка (0,1—0,5 %) не влияют на механические свойства рассматриваемых сплавов при комнатной температуре и значительно понижают их жаропрочность. Примесь цинка в количестве 0,1—0,3 % увеличивает склонность к трещинообразованию при литье и сварке.

Бериллий в небольших количествах (около 0,005 %) предохраняет сплавы с высоким содержанием магния (1,5 % и более) от окисления при литье и термической обработке, не оказывая влияния на механические свойства как при комнатной, так и при повышенных температурах.

Бериллий входит в состав окисной пленки, состоящей в этих сплавах главным образом из окиси магния, способствует ее упрочнению и, следовательно, уменьшает дальнейшее окисление сплава.

Более высокое содержание в сплавах бериллия (0,1— 0,5 %) требует особых мер предосторожности при плавке и литье из-за его токсичности.

Литий увеличивает прочность при комнатной и повышенных температурах, понижает плотность и увеличивает модуль упругости, но снижает пластичность.

Хром, как и марганец, повышает температуру рекристаллизации сплавов. Выделения частиц, содержащих хром, имеют игольчатую форму и в большей мере, чем марганцовистые, снижают характеристики разрушения. Хром в присутствии марганца, железа и титана может выпадать в виде грубых составляющих фазы СгAl7. В промышленные сплавы типа дуралюмин хром не добавляют. Титан, в алюминиевых сплавах применяется в основном для измельчения зерна литого металла. Природу способности титана измельчать литое зерно объясняют образованием в расплаве зародышей, служащих центрами кристаллизации. По данным одних авторов, эти зародыши — алюминид титана, по данным других авторов,— карбид титана. В присутствии бора такими зародышами будут частички борида титана.

Цирконий в небольших количествах, так же как и титан, является модификатором. Добавка циркония практически не влияет на прочностные свойства холоднодеформированных полуфабрикатов из сплавов, содержащих марганец, и несколько повышает их у сплавов без марганца. Цирконий аналогично марганцу, но при значительно меньшем содержании повышает температуру рекристаллизации сплава, что способствует получению нерекристаллизованной структуры и высокой прочности горячепрессованных полуфабрикатов.

Влияние циркония как антирекристаллизатора в сплаве Д16 при содержании менее 0,1 % незначительно. При концентрации циркония более 0,15 % отмечается появление первичных интерметаллидов с цирконием, увеличивается количество дефектов, выявляемых ультразвуковым контролем. Цирконий снижает сопротивление коррозии под напряжением. Небольшие количества бора (0,005—0,01 %) измельчают зерно алюминия и его сплавов. Эффект модифицирования увеличивается в присутствии небольших количеств титана (0,01 %). Эти два элемента образуют соединение TiB2.

Режимы термической обработки конструкционных сплавов типа дуралюмин

Технологические свойства дюрали
Плакированные листы отличаются высокой коррозионной стойкостью, прессованные изделия, штамповки и поковки — пониженной стойкостью. Прессованные изделия из дюралюминия Д1 и Д16 в закаленном и естественно состаренном состоянии при эксплуатационных нагревах выше 100°С склонны к межкристаллитной коррозии; искусственное старение повышает сопротивление коррозии. Неплакированные детали из дуралюминов следует подвергать анодированию и защищать лакокрасочными покрытиями.

Сплавы хорошо свариваются точечной сваркой и не свариваются плавлением из-за высокой склонности к трещинообразованию. Все дуралюмины удовлетворительно обрабатываются резанием (в закаленном и состаренном состоянии) и химическим фрезерованием (размерным травлением). Обрабатываемость резанием в отожженном состоянии плохая. Высокотемпературная пайка не применяется из-за опасности пережога.

Температура начала ковки Д16, Д16П — 460°C, конца — 380°C.
Дуралюмин широко применяют во всех областях народного хозяйства, особенно в авиации. Сплав Д16 в виде листов и прессованных полуфабрикатов — основной материал для силовых элементов конструкции самолетов (детали каркаса, обшивка, шпангоуты, нервюры, лонжероны, тяги управления) и других нагруженных конструкций.
Сплав Д19 применяют для тех же деталей, что и сплав Д16, работающих в условиях эксплуатационных нагревов до температуры 200—250°С, а также для изготовления заклепок. Сплав Д1 используют для штамповки лопастей воздушных винтов, а также различных узлов крепления. Сплав ВД17 применяют для изготовления лопаток компрессора двигателей.

Читайте также: