Вивчення зміни властивостей алюмінієвих сплавів у процесі природного старіння

На четвертій стадії збільшення концентрації другого компонента приводить до утворення остаточної кристалічної решітки вторинної фази й утворенню границі поділу між твердим розчином і вторинною фазою. Тому що процес розпаду твердого розчину заснований, насамперед, на  дифузійних процесах, то він у значній мірі залежить від температури. Чим вище температура, тим швидше йде процес розпаду. Якщо температура нормальна, то процес розпаду називається  природним старінням, а якщо температура підвищена, тоді - штучним старінням. У результаті, після старіння структура сплаву являє собою зерна твердого розчину рівноважного хімічного складу, з рівномірно розподіленим по об'єму, величезною кількістю дрібних виділень вторинної фази. Ці виділення, розташовуючись на площинах ковзання, перешкоджають переміщенню дислокацій, вимагають збільшення напруги, що сколює. Відповідно, міцність і твердість сплаву збільшуються. 

2.4  Термічна обробка алюмінієвих сплавів

  Властивості авіалів (у першу чергу механічні) істотно залежать від їхньої термічної обробки, що застосовується в основному для підвищення їхньої міцності. Найпоширенішим у промисловості видом термічної обробки авіалів є загартування з наступним природним або штучним старінням. Загартування всіх авіалів проводять звичайно з температури 500— 530°С. Природне старіння сплавів протікає при кімнатній температурі. У результаті цього процесу підвищуються межі міцності й плинності, збільшується твердість. Звичайно вважається, що для практичного завершення процесу природного старіння необхідно 4—5 діб. Ефект зміцнення сплавів після природного старіння чисельно виражається в збільшенні (у порівнянні зі свіже загартованим станом) межі міцності при розриві розтяганням на 30—40% і границі текучості приблизно на 50%. Для одержання максимальних σв й σ0,2 в авіалях, їх піддають загартуванню й наступному штучному старінню, які звичайно проводять при температурі 160—170 °С у плин 10—12 ч. Штучне старіння дозволяє підвищити міцність авіалям (у порівнянні з її значенням після природного старіння) додатково на 30—50%. У тих випадках, коли від сплавів не потрібна максимальна міцність, а важливіше для підвищення працездатності виробів наявність у них більших пластичності й різниці між σв й σ0,2  застосовують штучне старіння за меншої, чим зазначено, температурі. Відповідно може бути змінена також і тривалість витримки при старінні. Наприклад, для обробки деталей з авіалю марки АВ рекомендується застосовувати штучне старіння при температурі 150—165°С у плин 8—15 ч. З таблиці 2.1 можна побачити зміну механічних властивостей залежно від режиму термообробки.

Таблиця 2.1.

Вплив природного й штучного старіння, а також  відпалу на різні механічні властивості авіалю марки АВ [20].

Таблиця 2.1.

Термічна обробка авіалів заснована на ефекті збільшення розчинності сполуки Mg2Si в алюмінії при підвищенні температури. Силіцид магнію є іонною сполукою з кубічною гранецентрированою решіткою, він складається з 63,41% Mg й 36,59% Si, його щільність становить 1,94 г/см3 (за даними рентгеноструктурного аналізу), мікротвердість при кімнатній температурі 450 кгс/мм2, температура плавлення 1070°С. Сплави, що містять до  1,85% Mg2Si, можуть бути   переведені в однофазний стан шляхом підвищення їхньої температури. Цей однофазний стан може бути зафіксоване при кімнатній температурі загартуванням з високою швидкістю.

  РОЗДІЛ  3

    Старіння

  3.1. Старіння металів

   Старіння металів, зміна механічних, фізичних і хімічних властивостей металів і сплавів, обумовлене термодинамічною нерівновесністю вихідного стану й поступовим наближенням структури до рівноважного стану в умовах достатньої дифузійної рухливості атомів. При швидкому охолодженні від високих температур (при загартовуванні або після кристалізації і гарячої пластичної деформації) метали й сплави повністю або частково зберігають атомну структуру, характерну для високотемпературного стану. У чистих металах нерівномірність цієї структури складається в надлишковій (для низьких температур) концентрації вакансій і наявності ін. дефектів кристалічної структури. У сплавах нерівновесністю структури може бути пов'язана зі збереженням фаз, нестійких при низьких температурах. Найбільш важливе старіння сплавів, обумовлене процесами розпаду пересиченого твёрдого розчина. Стан пересичення твердого розчину виникає після охолодження сплавів від високих температур, оскільки звичайно з підвищенням температури розчинність домішок (або спеціально легуючих елементів, що вводять) росте [12].

   Є велика кількість сплавів, для яких старіння проводиться як спеціальна операція термічної обробки і забезпечує одержання комплексу важливих механічних або фізичних властивостей. Старіння, або «дисперсійне твердіння», - основний спосіб упрочнення термічною обробкою сплавів на основі   Al, Mg, Cu, Ni. Крім високої міцності, що старіють сплави можуть здобувати й ін. коштовні властивості, наприклад високу коерцитивну силу.

  При досить великому ступені пересичення твердий розчин виявляється повністю нестабільним і його розшаруванням іде у всій масі матеріалу з утворенням спочатку неоднорідного твердого розчину з безупинно мінливою сполукою, а потім періодично розташованих часток із чіткими границями поділу. Розпад такого типу називається спинодальним і спостерігається в ряді технічно важливих сплавів (сплави для постійних магнітів типу куніфе). Більше загальним для старіючих сплавів є метастабільний стан твердого розчину, розпад якого повинен іти шляхом утворення й росту зародків нової фази, а процес зародження вимагає подолання енергетичного бар'єра. Цей бар'єр виявляється істотно зниженим при утворенні когерентних часток, тобто часток, у яких кристалічна решітка пружно сполучена з решіткою вихідного твердого розчину. При порівняно низьких температурах розпад твердих розчинів часто зупиняється на стадії утворення зон - досить дисперсних областей, збагачених надлишковим компонентом і зберігаючи кристалічну структуру вихідного розчину, вперше виявлених по ефектах дифузійного розсіювання рентгенівських променів (зони Гінье - Престона). За допомогою електронної мікроскопії зони Гінье - Престона спостерігали в сплавах Al - Ag у вигляді сферичних часток діаметром ~10Å , у сплавах Al - Cu - у вигляді пластин товщиною порядку періодів решітки (<10Å). Утворення зон характерно для  природного старіння, що протікає при кімнатних температурах у випадку сплавів на основі Al, а також низьковуглецевої сталі або технічного заліза, де є твердий розчин (ферит), пересичений вуглецем або азотом. У деяких випадках зони можна розглядати як зародки фази виділення.

  Поняттю «природне старіння» протиставляється «штучне старіння», що у випадку алюмінієвих сплавів (історично перших матеріалів, упрочнених старінням) проводилося при підвищених температурах (вище 100°С); у сучасній літературі замість цих термінів частіше використаються терміни «низькотемпературне старіння» й «високотемпературне старіння».  У  зв'язку з розходженнями процесу розпаду в різних температурних інтервалах для деяких сплавів оптимальний комплекс властивостей досягається після складного старіння в певній послідовності при низькій й при більше високої температурах.  Розрізняють два основних механізми розпаду пересиченого твердого розчину:  безперервний, котрий іде шляхом утворення й росту окремих зародків - часток фази, що містить надлишковий компонент твердого розчину, і переривчастий (або комірчастий), при якому виникають і ростуть осередки або колонії, що складаються звичайно з рівноважних фаз - нової фази, збагаченої надлишковим компонентом, і збідненого (рівноважного) твердого розчину. У першому випадку частки утворяться по всьому об'ємі і їх ріст  супроводжується поступовим і безперервним збіднінням матричного твердого розчину. У другому випадку відбувається рух границі поділу колоній - не перетворена область твердого розчину. Колонії мають звичайно пластинчасту будову, зароджуються на границі зерна, і їхній фронт, що рухається, являє собою рухливу висококутову границю із зерном вихідного твердого розчину.  При розпаді твердих розчинів в умовах високої концентрації дефектів кристалічну будови (дислокаційні ін.), які створюються  сильною холодною деформацією, одержують особливо високі значення міцності [8]. Процеси розпаду твердих розчинів можуть приводити й до небажаних змін властивостей сплавів, наприклад до погіршення пластичності й крихкості низьковуглецевої котельні стали, до збільшення коерцитивної сили й втрат на перемагнічування електротехнічного заліза. Деякі сплави схильні до «деформаційного старіння». Порівняно слабка холодна пластична деформація, сама по собі не дуже що сильно міняє властивості матеріалу, істотно прискорює процеси розмежування компонентів твердого розчину, які приводять до утворення сегрегатів (а потім виділень) біля дислокацій. Цей сумарний ефект деформації й старіння («деформаційне старіння») різко погіршує в'язкість і пластичність сплавів, що особливо небажано для матеріалів, що піддають глибокому штампуванню (наприклад, листова сталь для автомобілебудування). Спеціальним легуванням і термічною обробкою можна істотно знизити шкідливі ефекти старіння [33].

     3.2. Структурні перетворення при старінні алюмінієвих сплавів

  Старіння алюмінієвих сплавів містить у собі складні процеси перегрупування атомів у твердому розчині, утворення метастабільних і потім стабільних фазових виділень, ріст (коагуляцію)  фаз, що виділилися. Першим етапом старіння є перегрупування атомів усередині пересиченого твердого розчину, що приводить до утворення субмікроскопічних областей з підвищеною концентрацією Mg й Si. Ці області називають зонами Гінье — Престона, або кластерами. У сплавах Al—Mg—Si вони являють собою голки довжиною ~100 А и діам. 10—20 А; щільність їхнього розташування в матриці (2—5)∙ 1015 . Зони Гінье — Престона — це ще не фазові виділення. Вони мають кристалічну решітку матриці, злегка перекручену за рахунок збільшення концентрації атомів з іншим, чим в алюмінію, радіусом. Між решітками зон і матриці зберігається когерентний зв'язок. Через дифузію легуючих елементів у зони Гінье — Престона прилягаючі до них ділянки розчину збіднені кремнієм і магнієм. Під час природного й штучного старіння при не дуже високій температурі відбувається поступове впорядкування структури голчастих зон Гінье — Престона. Старіння при більш високій температурі (вище 200ºС) приводить до утворення метастабільних β'-фаз. Їхнє утворення відбувається тільки при штучному старінні сплавів. На цій стадії розпаду фаза, що виділилася, зберігає когерентний зв'язок з решіткою матриці. Кількість же виділень зменшується приблизно на два порядки. Механізм утворення β'-фаз поки неясний. Імовірно, частина зон перебудовується в метастабільні фази. Тому що зони Гінье — Престона й β'-фази зберігають когерентний зв'язок з решіткою матриці, ступінь їхньої стійкості залежить від ступеня відповідності їхніх кристалічних решіток. Чим ця відповідність більше, тим більше стійкими в даних умовах є зони Гінье — Престона й β'-фази. Вплив легуючих елементів на старіння сплаву визначається цим же фактором: якщо легування сприяє зменшенню зазначеної невідповідності решіток, то стійкість зон і фаз збільшується, а швидкість старіння зменшується. Заключна стадія розпаду твердого розчину — утворення виділень стабільної фази Mg2Si, що уже не має когерентного зв'язку з решіткою матриці. Стабільна фаза спочатку виділяється у вигляді стерженьків; рівноважної ж її формою є пластинки. При подальшому підвищенні температури або збільшенні тривалості витримки спостерігається ріст (коагуляція) виділень. При цьому сплав переходить практично в рівноважний стан. Цей процес зветься – перестаріння сплаву. Що стосується зовнішньої форми продуктів розпаду твердого розчину, то первісні голчасті зони переміняються стерженьками, а потім утворяться рівноважні виділення Mg2Si у вигляді пластинок.  Зміни, що  відбуваються  в  структурі  сплавів  при  старінні, обумовлюють    зміна    їх  механічних  і фізико-хімічних властивостей. Найбільше   значення для практики має зміцнення сплавів, заради якого й проводять  їхнє  старіння. При природному, або зонному старінні відбувається із часом   безперервне збільшення  σв й σ 0,2 і деяке зниження. При збільшенні часу старіння відбувається разупрочнення сплаву. З підвищенням температури старіння збільшується дифузійна рухливість атомів, швидше відбуваються етапи розпаду пересиченого твердого розчину. Швидше йде зміцнення й раніше наступає перестаріння [30].  

РОЗДІЛ  4

    Твердість як характеристика властивостей матеріалу. Методи вимірів

Твердість - це опір матеріалу проникненню в його поверхню стандартного тіла (індентора), що не деформується при випробуванні.

Це не руйнуючий метод контролю, основний спосіб оцінки якості термічної обробки виробу. Про твердість судять або по глибині проникнення індентора (метод Роквелла), або по величині відбитка від вдавлення (методи Брінелля,  Віккерса,  мікротвердості).

У всіх випадках відбувається пластична деформація матеріалу. Чим більше опір матеріалу пластичної деформації, тим вище твердість.  Схеми випробувань представлені на Рис. 4. 1.

Рис. 4. 1. Схеми визначення твердості: а – по Брінеллю; б – по Роквеллу; в – по Віккерсу

  У результаті вдавлення з досить великим навантаженням поверхневі шари матеріалу, що перебувають під наконечником і поблизу його, пластично деформуються. Після зняття навантаження залишається відбиток. Особливість деформації, що відбувається при цьому, полягає в тім, що вона протікає тільки в невеликому об'ємі, оточеному недеформованим матеріалом. У таких умовах   виникають головним чином дотичні напруження, а частка напруг, що розтягують, незначна в порівнянні з одержуваними при інших видах механічних випробувань (на розтягання, вигин, крутіння, стиск). Тому при вимірі твердості вдавленням пластичну деформацію випробовують не тільки пластичні, але також метали (наприклад, чавун), які при звичайних механічних випробуваннях (на розтягання, стиск, крутіння, вигин) руйнуються практично без пластичної деформації.

Таким чином, твердість характеризує опір пластичної деформації і являє собою механічна властивість матеріалу, що відрізняється від інших його механічних властивостей,  способом виміру.

Переваги виміру твердості наступні:

    1. Між твердістю пластичних металів, обумовленої способом вдавлення, і іншими механічними властивостями (головним чином межею міцності), існує кількісна залежність. Так, зосереджена пластична деформація металів (при утворенні шийки) аналогічна деформації, створюваної в поверхневих шарах металу при вимірі твердості вдавленням наконечника.

   Подібна кількісна залежність не спостерігається для тендітних матеріалів, які при випробуваннях на розтягання (або стиск, вигин, крутіння) руйнуються без помітної пластичної деформації, а при вимірі твердості одержують пластичну деформацію. Однак у ряді випадків і для цих металів (наприклад, сірих чавунів) спостерігається якісна залежність між межею міцності й твердістю; зростанню твердості звичайно відповідає збільшення межі міцності на стиск.