Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые термической обработкой (состав, марки, свойства, применение).

К сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся главным образом сплавы нормальной прочности и высокопрочные. Типичными представителями являются дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Al-Сu-Mg. Согласно диаграмме состояния Al-Cu (рис. 13.4, в), мель с алюминием образуют твердый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65 % при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1% при 20°С. Из твердого раствора при этом выделяется θ-фаза (СuАl2), содержащая ~ 54,1% Сu. Она имеет объемно-центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твердостью (530 HV). В сплавах, дополнительно легированных магнием, помимо θ образуется еще S-фаза (CuMgAl2) с ромбической кристаллической решеткой (564 HV). На рис. 13.5 показано влияние соотношения θ- и S-фаз на прочность. Чем больше меди содержится в сплаве, тем большее количество θ-фазы будет в его структуре (Д1).

Увеличение содержания магния приводит к росту количества S-фазы и повышению прочности сплавов (Д16). Разница в свойствах особенно значительна после упрочняющей термической обработки (см. табл. 13.3), состоящей из закалки и естественного старения. При закалке сплавы Д16 и Д18 нагревают до 495 - 505 °С, а Д1 — до 500 - 510°С, затем охлаждают в воде при 40°С. После закалки структура состоит из пересыщенного твердого раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении происходит образование зон Г - П, богатых медью и магнием. Старение продолжается 5 - 7 сут. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40 °С и особенно 100°С. Более высокие значения σв и σ0,2 прессованных прутков объясняются пресс-эффектом. Для упрочнения дуралюминов, как правило, применяют закалку с естественным старением, так как в этом случае сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений.

Искусственному старению (190°С, 10 ч) подвергают лишь детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 °С). Большое практическое значение имеет начальный, или «инкубационный», период старения (20 - 60 мин), когда сплав сохраняет высокую пластичность и низкую твердость. Эти позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, правка и др. Дли проведения подобных операций естественно состаренные сплавы и детали из них можно подвергнуть обработке «на возврат», которая состоит в кратковременной выдержке сплава (1-2 мин) при 230 - 300 °С. Во время нагрева рассасываются зоны Г - П и восстанавливается пластичность, свойственная сплавам непосредственно после закалки. Однако применение обработки «на возврат» ограничено тем, что у тонкостенных изделий снижается коррозионная стойкость, а у толстостенных за короткое время выдержки не успевает восстанавливаться пластичность по всему сечению. Увеличение выдержки приводит к искусственному старению сплава на поверхности изделия, что вызывает снижение пластичности.

Дуралюмины широко применяют в авиации. Из сплава Д1, например, изготовляют лопасти воздушных винтов; из Д16 — шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроме того, их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей, обсадных труб и др. Сплав Д18 — один из основных заклепочных алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения.

Ковочные алюминиевые сплавы маркируют буквами АК. Они обладают хорошей пластичностью и стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. По химическому составу сплавы близки к дуралюминам, отличаясь более высоким содержанием кремния. Поэтому в их структуре вместо фазы S присутствуют кремнийсодержащие фазы — четверная фаза (Al, Сг, Mg, Si) и β-фаза (Mg2Si). Ковку и штамповку сплавов ведут при 450 - 475°С. Их применяют после закалки и искусственного старения. Сплавы с пониженным содержанием меди (АК6) отличаются лучшей технологической пластичностью, но меньшей прочностью (σв= 360 МПа). Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: большие и малые крыльчатки, фитинги, качалки, крепежные летали. Сплавы с повышенным содержанием меди (АК8) хуже обрабатываются давлением, но более прочны и применяются для высоко-нагруженных деталей несложной формы: подмоторные рамы, пояса лонжеронов и др.

Высокопрочные алюминиевые сплавы маркируют буквой В. Они отличаются высоким временным сопротивлением (600 700 МПа) и близким к нему по значению пределом текучести. Высокопрочные сплавы принадлежат к системе Al-Zn-Mg-Сu и содержат добавки марганца и хрома или циркония. Эти элементы, увеличивая неустойчивость твердого раствора, ускоряют его распад, усиливают эффект старения сплава, вызывают пресс-эффект. Цинк, магний и медь образуют М-, S- и Т-фазы, обладающие переменной растворимостью в алюминии: соответственно MgZn2, CuMgAl2 и Mg3Zn3AI2. При 480°C эти фалы переходят в твердый раствор, который фиксируется закалкой. При искусственном старении происходит распад пересыщенного твердого раствора с образованием тонкодисперсных частиц метастабильных M'-, Т'- и S'-фаз, вызывающих максимальное упрочнение сплавов. Наибольшее упрочнение вызывают закалка (465 - 475 °С) и старение (140°С, 16 ч). После такой обработки сплав В95пч имеет σВ = 560...600 МПа; σ0,2 = 480...550 МПа; δ = 9... 12%; К1С = 30 МПа*м1/2; КСТ = 30кДж/м2; твердость — 150 НВ. Подобные сплавы, отличающиеся более высоким содержанием цинка, магния и меди, обладают повышенной прочностью. Так, сплав В96 имеет σв = 700 МПа; σ0,2 = 650МПа; δ = 7%; 190 НВ. Однако после указанной термической обработки сплавы имеют низкие пластичность и вязкость разрушения.

Для повышения этих характеристик сплавы подвергают двухступенчатому смягчающему старению при 100- 120°С, 3 - 10 ч (первая ступень) и 160 - 170°С, 10-30 ч (вторая ступень). Столь высокие температуры и большие выдержки второй ступени старения приводят к образованию и коагуляции стабильных фаз M, S и Т. Предварительное зонное старение (первая ступень) способствует их равномерному распределению, поскольку в сплавах этой системы стабильные фазы образуются из зон Г - П. После смягчающего старения сплав В95пч имеет σв = 590...540 МПа; σ0,2 =
= 410...470 МПа; δ = 10... 13; К1с = 36 МПа*м1/2; КСТ = 75 кДж/м2.

Сплавы применяют для высоконагруженных деталей конструкций, работающих в основном в условиях напряжения сжатия (обшивка, стрингеры, шпангоуты, лонжероны самолетов).