Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Принципиальная возможность получения эффекта от термической обработки алюминиевых сплавов определяется характером диаграмм состояния этих сплавов, а именно: наличием области твердых алюминиевых растворов, концентрация которых увеличивается с повышением температуры. На рис. 22 изображена диаграмма состояния системы Al—Mg. Часть этой диаграммы занимает область твердого раствора а, концентрация которого увеличивается с повышением температуры, что дает принципиальную возможность существенного упрочнения сплавов системы Al—Mg в результате термической обработки (закалки).
Упрочнителем в алюминиевомагниевых сплавах служит β-фаза, которая принадлежит к бертоллидному типу соединений переменного состава. В процессе затвердевания при неравновесных условиях кристаллизации β-фаза выпадает по границам зерен твердого раствора, придавая литому сплаву хрупкость и обусловливая его низкие механические свойства. В процессе термической обработки при температурах выше линии растворимости в твердом состоянии β-фаза полностью переходит в твердый раствор. Образование структуры гомогенного твердого раствора сопровождается резким возрастанием прочностных и особенно пластических характеристик.
В зависимости от природы сплавов и назначения деталей применяются различные виды термической обработки. В табл. 90 приведены типичные режимы термической обработки коррозионностойких сплавов с учетом их назначения.
Термическая обработка сопровождается неравномерным нагревом и охлаждением по сечению отливки. Чем резче проводится нагрев или охлаждение, чем больше разница температуры между тонкой и толстой частями отливки, между ее поверхностными и внутренними слоями, тем более неоднородные и неодновременные происходят изменения, которые могут вызывать значительные остаточные напряжения.
Остаточные напряжения могут быть обусловлены следующими факторами:
1) тепловыми, которые вызываются температурным градиентом в результате неравномерного охлаждения по сечению; величина напряжения зависит от скорости нагрева и охлаждения, размера деталей и природы сплавов (коэффициента линейного расширения, теплопроводности и других свойств);
2) фазовыми, которые вызываются изменениями параметра кристаллической решетки и различием коэффициентов термического расширения вторых фаз и основы сплава.
Каждый сплав под действием остаточных напряжений ведет себя так же, как если бы он находился под действием внешних напряжений той же величины. Если остаточные напряжения по величине больше предела текучести сплава, то они вызывают остаточную пластическую деформацию (коробление отливок); если остаточные напряжения превосходят предел прочности сплава, то они вызывают появление трещин или разрушение деталей.
Коробление деталей происходит на разных участках не с одинаковой интенсивностью и зависит от величины остаточных напряжений и их распределения по сечению. Детали под действием остаточных напряжений могут коробиться в процессе естественного старения. Коробление носит характер затухающего процесса, но он может быть значительно ускорен путем механической обработки поверхности детали, потому что при удалении слоя металла снимаются остаточные напряжения, нарушается равновесие сил в металле и детали изменяют форму. Наиболее резкая деформация наблюдается при асимметричном удалении напряженного слоя металла. Устранить возникшее коробление очень трудно, поэтому необходимо стремиться к уменьшению остаточных напряжений при закалке.
Коробление алюминиевых деталей тем больше, чем ниже температура закаливающей среды. Изменяя скорость охлаждения деталей, можно получить структуру с различной величиной зерна и соответствующими свойствами. Быстрым охлаждением можно добиться повышенной степени пересыщенности твердого раствора с частичной фиксацией вторых фаз в виде дисперсных частиц, а при медленном охлаждении — укрупнения частиц вторых фаз, образующихся в процессе охлаждения.