Материаловедение

Было установлено  два типа воздействия модификаторов (рис. 1) на структуру:

• монотонное измельчение зерна с повышением содержания модификатора. При очень малых концентрациях влияние модификатора несущественно, а при концентрациях более 0,2-0,6% оно стабилизируется, поэтому обычно содержание модификаторов составляет 0,1-0,3%;
• немонотонное измельчение зерна с областью оптимальной концентрации 0,01-0,1%, превышение которой приводит к увеличению размера зерна.

Вариант монотонного  уменьшения размера зерна с повы шением концентрации модификатора характерен для нераство римых примесей-катализаторов (например, титан в алюминии), а вариант немонотонного измельчения зерна - для поверхностно-активных растворимых примесей (например, магний в цинке). 
 

Рис. 1. Схема  влияния содержания модификатора на величину макрозерна сплава:  
1 - монотонное измельчение зерна; 2 - немонотонное измельчение зерна.

Рис. 2. Влияние  модификаторов на структурные составляющие сплавов.

   Воздействие модификаторов на отдельные структурные  со ставляющие сплава схематически изображено в табл. 5 и на рис. 2. Было установлено, что добавка 0,08% бора в сталь Х15Н25Л уменьшает размер макрозерна с 9 до 2 мм.

Таблица 5 Результаты воздействия модификаторов на структуру.

   Наряду  с понятием "модификаторы" существует обратное понятие "демодификаторы" - добавки, повышающий размер зерна. Они  увеличивают работу образования  зародыша, задер живают его образование  и понижают вероятность возникнове ния центра кристаллизации. К демодификаторам относятся: висмут, свинец, сурьма - для чугуна; сера и углерод - для маг нитных сплавов системы Fe-Ni-Co-Al-Cu-Ti (увеличивают размеры столбчатых кристаллов).

   Модифицирование повышает механические свойства отли вок и слитков (табл. 6). Было установлено, что в чугуне и си лумине положительный эффект от действия модификаторов осо бенно сильно отражается на пластических характеристиках ли того металла.

Таблица 6. Результаты воздействия модификаторов на механические свойства.

4. Классификация сплавов на основе алюминия.

    Под сплавом подразумевается вещество, полученное сплавлением двух или более элементов.

    Возможны  и другие способы приготовления  сплавов – спекание, электролиз, возгонка (в этом случае вещества называются псевдосплавами), но наиболее распространенным является производство сплавов путем сплавления разных веществ.

    Сплав, приготовленный преимущественно из металлических элементов и обладающий металлическими свойствами, называется металлическим сплавом.

    Естественно, что строение металлического сплава более сложное, чем чистого металла, и зависит главным образом от того, в какие взаимодействия вступают компоненты, составляющие сплав.

    В твердом состоянии может не быть химического взаимодействия между компонентами – простыми веществами, образующими сплав. Тогда строение сплава является механической смесью отдельных частиц, зерен обоих компо-нентов.

    Составляющие  сплав вещества могут вступать в  химическое взаимодей-ствие, образуя  химические соединения, или взаимно растворяться друг в друге, образуя растворы. Кроме растворов и химических соединений, возможно обра-зование таких фаз, которые не могут быть полностью отнесены к перечисленным и являются как бы промежуточными.

    Алюминиевые сплавы – сплавы на основе алюминия. Первые А. с. получены в 50-х гг. 19 в.; они представляли собой сплав алюминия с кремнием и характе-ризовались невысокими прочностью и коррозионной стойкостью. Длительное время Si считали вредной примесью в А. с. К 1907 в США получили развитие сплавы Al-Cu (литейные с 8% Cu и деформируемые с 4% Cu). В 1910 в Англии были предложены тройные сплавы Al-Cu-Mn в виде отливок, а двумя годами позднее – А. с. с 10-14% Zn и 2-3% Cu. Поворотным моментом в развитии А. с. явились работы А. Вильма (Германия) (1903-11), который обнаружил т. н. ста-рение А. с., приводящее к резкому улучшению их свойств (главным образом прочностных). Этот улучшенный А. с. был назван дуралюмином. В СССР Ю. Г. Музалевским и С. М. Вороновым был разработан советский вариант дуралюмина – т. н. кольчугалюминий. В 1921 А. Пач (США) опубликовал метод модифика-ции сплава Al-Si введением микроскопических доз Na, что привело к значитель-ному улучшению свойств сплавов Al-Si и их широкому распространению.        Исходя из механизма старения А. с., в последующие годы велись усиленные поиски химических соединений, способных упрочнить Al. Разрабатывались но-вые системы А. с.: коррозионностойкие, декоративные и электротехнические Al-Mg-Si; самые прочные Al-Mg-Si-Cu, Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu; наиболее жаро-прочные Al-Cu-Mn и Al-Cu-Li; легкие и высокомодульные Al-Be-Mg и Al-Li-Mg.  
       Основные достоинства А. с.: малая плотность, высокая электро- и теплопро-водность, коррозионная стойкость, высокая удельная прочность.

    По  способу производства изделий А. с. можно разделить на 2 основные группы: деформируемые (в т. ч. спеченные А. с.) для изготовления полуфабрикатов (листов, плит, профилей, труб, поковок, проволоки) путём деформации (прокатки, ковки и т. д.) и литейные – для фасонных отливок.

    Деформируемые А. с. по объёму производства составляют около 80% (США, 1967). Полуфабрикаты получают из слитков простой формы - круглых, плоских, полых, - отливка которых вызывает относительно меньшие трудности. Химический состав деформируемых А. с. определяется главным образом необхо-димостью получения оптимального комплекса механических, физических, кор-розионных свойств. Для них характерна структура твёрдого раствора с наиболь-шим содержанием эвтектики. Деформируемые А. с. принадлежат к различным группам (табл. 3). 
 

    Таблица 7. - Химический состав и механические свойства некоторых дефор-мируемых алюминиевых сплавов (1Мн/м² " 0,1 кгс/мм²; 1 кгс/мм² "10 Мн/м²)

    Примечания. ¹Во всех сплавах в качестве примесей присутствуют Fe и Si; в ряд сплавов вводятся малые добавки Сг, Zr, Ti, Be. ²Полуфабрикаты: Л - лист; Пф - профиль; Пр - пруток; Пк - поковка; Ш - штамповка; Пв - проволока: Т - трубы; Пл - плиты; Пн - панели: Пс - полосы; Ф - фольга. ³Свойства получены по полуфабрикатам, показанным без скобок. ⁴С добавкой 1,8-1,3% Ni и 0,8-1,3% Fe. ⁵С добавкой 1,2-1,4% Li. ⁶С добавкой1,9-2,3% Li. ⁷С добавкой 0,2-0,4%Fe.

    Двойные сплавы на основе системы Al-Mg (т. н. магналии) не упрочняются термической обработкой. Они имеют высокую коррозионную стойкость, хорошо свариваются; их широко используют при производстве морских и речных судов, ракет, гидросамолётов, сварных ёмкостей, трубопроводов, цистерн, ж.-д. ваго-нов, мостов, холодильников и т.д.

    Сплавы Al-Mg-Si (т. н. авиали) сочетают хорошую  коррозионную стойкость со сравнительно большим эффектом старения; анодная обработка позволяет получать красивые декоративные окраски этих сплавов.

    Тройные Al-Zn-Mg сплавы имеют высокую прочность, хорошо свариваются, но при значительной концентрации Zn и Mg склонны к самопроизвольному кор-розионному растрескиванию. Надёжны сплавы средней прочности и концентра-ции.

    Четверные сплавы Al-Mg-Si-Cu сильно упрочняются в  результате старения, но имеют пониженную (из-за Cu) коррозионную стойкость; из них  изготовляют силовые узлы (детали), выдерживающие большие нагрузки. Четверные сплавы Al-Zn-Mg-Cu обладают самой высокой прочностью (до 750 Мн/м² или до 75 кгс/мм²) и удовлетворительно сопротивляются коррозионному растрескиванию; они значительно более чувствительны к концентрации напряжений и повторным нагрузкам, чем дуралюмины (сплавы Al-Cu-Mg), разупрочняются при нагреве свыше 100?С. Наиболее прочные из них охрупчиваются при температурах жидкого кислорода и водорода. Эти сплавы широко используют в самолетных и ракетных конструкциях. Сплавы Al-Cu-Mn имеют среднюю прочность, но хорошо выдерживают воздействие высоких и низких температур, вплоть до температуры жидкого водорода. Сплавы Al-Cu-Li по прочности близки сплавам Al-Zn-Mg-Cu, но имеют меньшую плотность и больший модуль упругости; жаропрочны. Сплавы Al-Li-Mg при той же прочности, что и дуралюмины, имеют пониженную (на 11%) плотность и больший модуль упругости. Открытие и разработка сплавов Al-Li-Mg осуществлены в СССР. Сплавы Al-Be-Mg имеют высокую ударную прочность, очень высокий модуль упругости, свариваются, обладают хорошей коррозионной стойкостью, но их применение в конструкциях связано с рядом ограничений.