Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Алюминии и его сплавы подвергают различным видам термической обработки в зависимости от состава сплавов, вида полуфабрикатов, деталей и заготовок, а также их назначения. В алюминии нет полиморфного и мартенситного превращений. Поэтому для алюминиевых сплавов виды термической обработки, связанные с этими превращениями, исключены.
Отличительная особенность алюминия заключается в его высокой теплопроводности, в связи с чем проблема прокаливаемости не имеет особой остроты. Склонность алюминия и его сплавов к взаимодействию с газами, составляющими атмосферу печи, невелика. Поэтому до последнего времени не возникало особой необходимости в применении защитных атмосфер при термической обработке алюминиевых сплавов.
После деформации в алюминиевых полуфабрикатах возникают разнообразные структуры, отличающиеся по величине зерна, однородности его по объему и внутризеренному строению. Тип структуры определяется химическим составом сплава, температурой, степенью и скоростью деформации, а также схемой напряженного состояния в процессе изготовления полуфабрикатов. Деформированная структура оказывает наследственное влияние на структурное состояние металла после термической обработки. Поэтому состояние металла после термической обработки. Поэтому нельзя выбирать режимы термической обработки, не принимая во внимание вид и характер предшествующей деформации полуфабрикатов.
Разнообразие требований, предъявляемых к свойствам полуфабрикатов из алюминиевых сплавов, предопределяет выбор вида термической обработки. В одних случаях требуются высокие прочностные характеристики при достаточно высоком уровне пластичности; в других -необходима максимальная пластичность для обеспечения возможности холодной деформации при изготовлении деталей и узлов; в ряде случаев важны ресурсные характеристики и т. Д. Правильный выбор видов и режимов термической обработки позволяет получать полуфабрикаты, свойства которых удовлетворяют предъявляемым требованиям. Наибольшее распространение для алюминиевых сплавов получили три вида термической обработки: отжиг, закалка и старение.
Отжиг. Отжиг алюминиевых сплавов применяют в том случае, когда необходимо ликвидировать нежелательные последствия, связанные с неравновесностью структуры. Наиболее часто при неравновесной структуре наблюдается пониженная пластичность, низкая коррозионная стойкость и недостаточная деформационная способность. Неравновесность структуры обычно связана с технологией изготовления полуфабрикатов. Применительно к алюминиевым сплавам наиболее распространены следующие разновидности:
1. Неравновесное состояние, свойственное литым сила вам. При получении слитков и отливок скорости кристаллизации достаточно высоки, и поэтому сама кристаллизация протекает в неравновесных условиях, что приводит к явлениям дендритной ликвации компонентов сплава. При этом легирующие компоненты и примеси распределяются неравномерно по объему литых зерен, а на границах появляются неравновесные интерметаллические фазы. Такой характер структуры обусловливает низкую технологическую пластичность сплавов и малую коррозионную стойкость.
2. Неравновесное состояние, вызванное пластической деформацией. Это состояние вызывается тем, что при деформации происходят существенные структурные изменения, часть энергии деформации поглощает, и свободная энергия системы повышается.
3. Неравновесное состояние, являющееся результатом предыдущей термической обработки. Основная особенность такого состояния — присутствие в сплаве более или менее пересыщенного легирующими компонентами твердого раствора на основе алюминия.
4. Неравновесное состояние, вызванное остaточными напряжениями в объеме металла.
Продолжительность выдержки при температуре нагрева под закалку определяется скоростью растворения легирующих элементов, входящих в избыточные фазы и зависит от природы сплава, его структурного состояния и условий нагрева. При медленном нагреве процессы растворения частично протекают уже на этой стадии и время выдержки может быть сокращено. Чем дисперснее частицы упрочняющей фазы, тем меньшее время необходимо для их растворения. Поэтому, например, время выдержки при закалке отливок, полученных литьем в песчаные формы, должно быть больше, чем для деформированных полуфабрикатов.
Скорости охлаждения при закалке должны обеспечивать фиксацию в твердом растворе концентраций легирующих компонентов, свойственных высоким температурам.
Скорости охлаждения можно регулировать, применяя закалочные среды с различной охлаждающей способностью. При выборе охлаждающей среды необходимо принимать во внимание и толщину изделий. Как известно, поверхностные слои изделия охлаждаются с большими скоростями, чем срединные, и поэтому охлаждающая среда должна обеспечивать необходимые скорости охлаждения срединных слоев.
Старение. Старение - это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора. Старение применяют для повышения прочностных характеристик алюминиевых сплавов. Для этой цели можно использовать естественное и искусственное старение. Если сплавы предназначены для работы при высоких температурах, то старение используют для стабилизации структуры и размеров деталей. В этом случае всегда применяют искусственное старение.
Изменения структуры и свойств определяются разными механизмами распада в зависимости от температуры и времени старения. При низких температур или коротких временах выдержки упрочнение связано с образованием зон Гинье — Престона (ГП) (рис. 29). Этот вид старения, являющийся основным для сплавов типа дуралюмина, называют зонным старением. С увеличением температуры старения или времени выдержки может проявиться другой механизм упрочнения, когда оно достигается вследствие выделения из твердого раствора метастабильных фаз, которые имеют с матрицей когерентные или полукогерентные границы. Такое старение, протекающее обычно при повышенных температурах, называют фазовым старением. Дальнейшее увеличение времени старения приводит к тому, что образуются выделения стабильных фаз, имеющие с матрицей некогерентные границы. Коагуляция этих фаз приводит к разупрочнению сплавов, и соответствующий вид старения называют коагуляционным старением.
Переход от зонной стадии старения к фазовой может осуществляться изотермически при увеличении времени выдержки либо при повышении температуры. Для каждого сплава могут быть установлены температурно-временные области зонного, смешанного фазового и коагуляционного старения.
По мнению И.Н. Фридляндера, в принципе для каждого стареющего сплава целесообразно иметь три режима старения, отвечающих зонному, фазовому и коагуляционному старению. При зонном старении наблюдается максимальная пластичность при достаточной прочности и средних значениях предела текучести (рис. 30), но с высокой чувствительностью к структурным изменениям при возможных последующих нагревах. Фазовое старение обеспечивает максимальную прочность и предел текучести, но значения относительного удлинения при этом понижены и возникает опасность коррозионного растрескивания. Сплав обладает высокой чувствительностью к концентраторам напряжений. Коагуляционное старение обеспечивает высокую коррозионную стойкость, высокий предел текучести, слабую чувствительность к изменению свойств при дополнительных нагревах (эксплуатационных И технологических), повышенную технологическую пластичность. В то же время относительное удлинение продолжает оставаться низким, а чувствительность к концентраторам напряжений — высокой.
Для выбора режимов старения удобно использовать два вида экспериментальных кривых, характеризующих зависимость какого-либо измеряемого свойства от режимов старения. Одни из них характеризуют зависимость измеряемого свойства от продолжительности старения при постоянных значениях температур (изотермические кривые старения). На других приведена зависимость измеряемого свойства от температуры старения при постоянных временах выдержки (изохроны старения)
Возврат при старении. Этот вид термической обработки применяют к закаленным и естественно состаренным алюминиевым сплавам. Сущность этого вида термообработки сводится к следующему. Если естественно состаренный сплав алюминия нагреть на очень короткий промежуток времени до температур, превышающих линию сольвуса для зон Гинье — Престона, то зоны растворяются, а процессы фазового старения еще не успевают протекать. При последующем быстром охлаждении структура и свойства сплава соответствуют свежезакаленному состоянию. Обработку на возврат можно использовать для повышения технологической пластичности, когда закаленный и естественно состаренный материал необходимо деформировать в холодном состоянии при изготовлении детален. После правильно проведенной обработки на возврат сплав подвергают старению так же, как и после закалки.