 |
Термическая обработка алюминиевых сплавов. Отжиг, закалка, старение.
|
|
|
|
Для упрочнения алюминиевых сплавов применяют закалку и старение, а для устранения неравновесных структур и деформационных дефектов строения, снижающих пластичность сплава, - отжиг.
Закалка заключается в нагреве до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или большей частью растворяются в алюминии, выдержке при этой температуре и быстром охлаждении до нормальной температуры для получения пересыщенного твердого раствора. Особенностью алюминиевых сплавов является малый интервал температур под закалку. Например для сплава Д16 485-505град., более высокие температуры вызывают пережог (оплавление по границам зерен), что приводит к образованию трещин, пузырей, снижаются мех.св-ва и сопротивление коррозии. Охлаждение при закалке должно быть со скоростью выше критической. Под критической скоростью закалки понимают минимальную скорость охлаждения, которая предотвращает распад пересыщенного твердого раствора. Чаще всего для закалки применяют воду. После закалки сплавы имеют невысокую прочность и высокую пластичность.
После закалки следует старение, при котором сплав выдерживают при нормальной температуре несколько суток (естественное старение) или в течении 10-24 часов при повышенной температуре 150-200град.(искуственное старение). В процессе старения происходит распад пересыщенного твердого раствора, что сопровождается упрочнением сплава, происходит в несколько стадий в зависимости от температуры и продолжительности старения. При естественном старении образуются лишь зоны ГП1, при искуственном старении последовательность структурных изменений: ГП1 – ГП2 – θ’- θ.
Диффузионный отжиг (гомогенизация). Этому виду отжига подвергают слитки перед обработкой давлением для устранения дендритной ликвации, которая приводит к получению неоднородного твердого раствора и выделению по границам зерен и между ветвями дендритов хрупких неравновесных эвтектических включений. В результате пластичность литого сплава повышается. Гомогенизация способствует получению мелкозернистой структуры в отожженых листах и уменьшает склонность к коррозии. Температура – 450-520град, выдержка 4-40ч, охлаждение на воздухе или с печью.
|
|
|
Рекристаллизационный отжиг заключается в нагреве деформрованного сплава до температур выше температуры окончания первичной рекристаллизации, применяется для снятия наклепа и получения мелкого зерна. Температура рекристаллизации 350-500град., выдержка 0,5-2 часа. Отжиг в качестве промежуточной операции применяют при холодной деформации или между горячей и холодной деформациями.
Твердорастворное упрочнение
Твердорастворное упрочнение реализуется в сплавах вследствие способности металлов образовывать между собой, а также с неметаллами либо отдельные фазы, либо смеси фаз. Различают твердые растворы замещения, твердые растворы внедрения, интерметаллические фазы.
Твердые растворы замещения возникают при занятии некоторых узлов решетки матрицы атомами другого элемента, т. е. замещением атома матрицы (рис. 1).
Область растворимости какого-либо металла в данной матрице может быть оценена эмпирическим правилом Юм-Розери: широкая область растворимости возможна в тех случаях, когда:
а) различие атомных радиусов менее 10-15 %;
б) элементы обладают почти одинаковыми электрохимическими свойствами;
в) решетки изотипны.
Рис. 1. Рис. 2.
При полном выполнении правила Юм-Розери получается непрерывный ряд твердых растворов, а при частичном – растворимость в твердом состоянии ограниченная.
При образовании твердых растворов замещения могут возникать следующи варианты расположения атомов:
|
|
|
1. Ближний.порядок (рис. 2). Атом окружен атомами другого вида. Энергия связи между разнородными атомами больше, чем между однородными.
Рис. 3. Рис. 4.
2. Дальний порядок, или сверхструктура (рис. 3). Возникает при стехиометрическом соотношении разнородных атомов, которые образуют вполне определенную решетку. Сверхструктуры устойчивы только ниже определенной температуры.
4. Образование зон. Предпочтительное расположение однородных атомов растворяемого элемента в качестве ближайших соседей.
Твердые растворы внедрения образуются при внедрении преимущественно атомов металлоидов в междоузлия кристаллической решетки матрицы (рис. 5)
Рис. 5
Фазы внедрения – сверхструктуры в системах растворов внедрения (рис. 6) имеют полуметаллический блеск, высокую твердость и износоустойчивость. В технике наиболее широко используются такие фазы внедрения, как карбиды и нитриды переходных металлов
Рис.6.
Интерметаллические фазы образуются обычно в средних частях диаграмм состояния, за областью твердых растворов, когда не выполняется правило Юм-Розери. Характеризуются проявлением гетерополярной и гомеополярной составляющих межатом-ных сил связи наряду, естественно, с металлической связью при почти полной или частичной стехиометрии. Интерметаллические фазы стабильнее сверхструктур, они большей частью твердые, хрупкие и обладают плохой электропроводностью.
Различают (по увеличению вклада неметаллической составляющей сил связи):
1. Фазы Юм-Розери, которые образуются между металлами групп Ib, IVb до VIIIb (металлы первого рода) и металлами групп IIb, IIIa до Va (металлы второго рода). Такие фазы характеризуются определенным отношением числа валентных электронов к числу атомов.
Примеры фаз:
-фазы – большинство из них имеет кубическую и г.п.у. решетки; три валентных электрона на каждые два атома;bа)
-фазы — большей частью сложные кубические решетки; 21 валентный электрон на 13 атомов;gб)
-фазы — в основном г.п.у. решетки; имеют семь валентных электронов на четыре атома.eв)
Фазы Юм-Розери имеют металлический блеск, высокую твердость и хрупкость. 2. Фазы Лавеса, представляющие, собой соединения АВ2 типов MgCu2, MgNi2 и MgZn2. Фазы Лавеса – твердые, хрупкие, диамагнитные.
|
|
|
3. Фазы Цинтля, представляющие собой соединения между металлами с сильно различающимися электрохимическими свойствами; имеют солевидный характер. Фазы Цинтля Li и Mg.
4 Фазы Гриме-Зоммерфельда, имеющие гомеополярный характер сил связи, образующиеся между элементами, равноотстоящими вправо и влево от группы IVa периодической системы элементов. Они кристаллизуются в кубическую решетку алмазного типа или гексагональную типа вюрцита, например CdSe, который применяется как полупроводник (лазер).
5. Интерметаллические соединения на железной основе с металлами IV, V и VI групп, интерметаллические соединения Fe с Со, Ni и Мn.
-фазы описываются, как фазы Юм-Розери (имеют определенное отношение электронов на атом).s
Растворное упрочнение реализуется только в сплавах на основе твердых растворов замещения и внедрения. В основе этого эффекта лежит механизм взаимодействия дилокаций с примесными атомами, которое приводит к их торможению, т.е. к упрочнению материала.
Инородные атомы, находящиеся в узлах или междоузлиях кристаллической решетки базового металла, могут вызывать торможение дислокаций и упрочнение материала за счет четырех эффектов:
1) образования примесных атмосфер на дислокациях;
2) изменения энергии дефектов упаковки;
3) увеличения сил трения при движении дислокаций;
4) упорядочения.
Образование на дислокациях примесных атмосфер (Коттрелла, Сузуки, Снука) затрудняет их перемещение, особенно при низких температурах и повышает напряжение, необходимое для начала работы источников Франка-Рида. Вследствие этого затрудняется переход к новым системам скольжения, примесные атмосферы их блокируют. Такая блокировка приводит к началу пластической деформации при более высоких напряжениях, после разблокировки облегчается множественное и поперечное скольжение, что особенно важно для поликристаллов. Торможение дислокаций за счет образования атмосфер Коттрелла уже при очень низких концентрациях инородных атомов (~0,01-0,001%)
|
|
|
Атмосферы Снука формируются из атомов внедрения, которые упорядоченно располагаются в растянутых октаэдрических порах ОЦК-решеток. Решетка искажается вследствие наличия дислокации.
Атмосферы Сузуки – облака примесных атомов внедрения или замещения, сформировавшиеся в дефекте упаковки, насыщаются при концентрации инородных атомов, равной нескольким атомным процентам. Поэтому торможение дислокаций проявляется и в сплавах, и в нелегированных металлах технической чистоты.
Энергия дефекта упаковки при легировании чаще всего снижается. При значительных концентрациях растворенного элемента энергия дефекта упаковки может стать на порядок меньше, чем у металла-основы, в результате чего поперечное скольжение дислокаций сильно затруднится.
Инородные атомы в решетке твердого раствора являются центрами искажения, вокруг которых возникают поля упругих напряжений. Движение дислокации в такой искаженной решетке затруднено, по сравнению с чистым металлом: растут силы трения, препятствующие перемещению дислокаций. Степень прироста сил трения тем больше, чем сильнее разница в размерах атомов основы и добавки и их электронной структуре
Увеличение сил трения в твердых растворах часто связывают также с разницей в модулях упругости основы и добавки.
При образовании дальнего порядка пластическая деформация скольжением осуществляется за счет перемещения парных дислокаций, связанных антифазной границей (рис.7).
Рис.7.
Расстояние между дислокациями в упорядоченном твердом растворе влияет иа их поведение качественно так же, как ширина дефекта упаковки. Влияние дальнего порядка на пластическую деформацию наиболее заметно в растворах с г.ц.к. решеткой значительно слабее в о.ц.к. и г.п. растворах.
Все описанные эффекты растворного упрочнения (кроме упорядочения) проявляются тем легче, чем ниже температура деформации. С повышением температуры влияние растворимых примесей и легирующих элементов ослабляется из-за размытия примесных атмосфер и активного развития термически активируемых процессов.
Растворное упрочнение широко применяется для создания жаропрочных сплавов. В этом случае важно, чтобы эффект растворного упрочнения сохранялся до возможно более высоких температур. Поскольку жаропрочные свойства во многом определяются диффузионной подвижностью атомов и процессами динамического разупрочнения, то одно из основных требований легирования заключается в том, чтобы легирующие элементы понижали коэффициенты диффузии атомов матрицы. Чем меньше подвижность атомов легирующего компонента, тем более эффективно он повышает прочность и жаропрочность. Диффузионная подвижность атомов легирующего компонента, в свою очередь, тем меньше, чем больше силы межатомной связи. О силах межатомной связи сплавов можно приближенно судить по температурам начала их плавления. Так, температуру солидус никелевых сплавов существенно повышают вольфрам и рений.
|
|
|
О способности легирующих элементов повышать жаропрочность сплавов по растворному механизму можно также косвенно судить по их влиянию на температуру начала рекристаллизации.
Молибден и вольфрам являются наиболее перспективными легирующими элементы в жаропрочных никелевых сплавах.
Наибольший эффект дает комплексное легирование металлов. По мере усложнения состава твердого раствора прочность и жаропрочность возрастает. Растворное упрочнение можно использовать при повышении жаропрочности до температур (0,6...0,65) Тпл (примерно до 800 °С для никелевых сплавов).
|
|
|
