Закалка, отпуск и старение До обсуждения конкретно цветных металлов и сплавов рассмотрим особенности процессов при их термической обработке и механизмы упрочнения. В этом очень важно разобраться, т. к. иначе трудно понять, как из мягкого непрочного алюминия можно изготовить, например, корпус самолета или ракеты. Причем понятно, почему это надо делать из алюминия, — потому что он легкий. Итак, вернемся немного назад. Закалка — термическая обработка, в результате которой в сплавах образуется неравновесная структура. Неравновесные структуры при термической обработке можно получить только в том случае, когда в сплавах имеются превращения в твердом состоянии: переменная растворимость, полиморфные превращения твердых растворов, распад высокотемпературного твердого раствора по эвтектоидной реакции и др. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового превращения в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение при охлаждении. Прочность возрастает либо вследствие мартенситного фазового перехода, либо вследствие понижения температуры эвтектоидной реакции, приводящих к измельчению зерен, образующих эвтектоидную смесь (увеличивается переохлаждение при кристаллизации). Если в результате закалки при температуре 20 — 25°С фиксируется состояние высокотемпературного твердого раствора, значительного упрочнения сплава непосредственно после закалки не происходит; основное упрочнение создается при повторном низкотемпературном нагреве или во время выдержки при температуре 20 -25°С. 1
Отпуск и старение — термическая обработка, в результате которой в предварительно закаленных сплавах происходят фазовые превращения, приближающие их структуру к равновесной. Сочетание закалки с отпуском или старением практически всегда предполагает получение более высокого уровня свойств (твердости, характеристик прочности, коэрцитивной силы, удельного электрического сопротивления и др. ) по сравнению с отожженным состоянием. В большинстве сплавов после закалки получают пересыщенный твердый раствор (или смесь твердых растворов); в этом случае основной процесс, происходящий при отпуске или старении, — распад пересыщенного твердого раствора. Температуру и выдержку выбирают таким образом, чтобы равновесное состояние сплава при обработке не достигалось, как это происходит при отжиге. Термин «отпуск» используют обычно применительно к сталям и другим сплавам, испытывающим при закалке полиморфное превращение (двухфазные алюминиевые бронзы, некоторые сплавы на основе титана); термин «старение» — применительно к сплавам, не претерпевающим при закалке полиморфного превращения (сплавы на основе алюминия, аустенитные стали, никелевые сплавы и др. ). Принципиальная возможность применения того или другого вида термической обработки может быть определена на основании диаграмм фазового равновесия. В связи с этим можно выделить следующие основные группы сплавов: 1. сплавы, не имеющие фазовых превращений в твердом состоянии; 2. сплавы с переменной растворимостью компонентов в твердом состоянии; 3. сплавы с эвтектоидным превращением. 2
Старение и цветные сплавы Как увидим далее, чистый алюминий, например, не имеет полиморфных превращений (кристаллическая решетка всегда кубическая гранецентрированная), поэтому закалка его невозможна. Однако, перспективны сплавы алюминия. Здесь возможны значительные упрочнения. Рассмотрим подробнее ввиду важности процессов. Переменная растворимость компонентов в твердом состоянии дает возможность значительно упрочнять сплавы путем термической обработки. Это привело к широкому использованию сплавов этого типа — стареющих сплавов — в качестве конструкционных материалов повышенной и высокой прочности; применяют стареющие сплавы на алюминиевой, медной, железной, никелевой, кобальтовой, титановой и других основах. Рассмотрим принцип упрочняющей термической обработки стареющих сплавов на примере системы с диаграммой 4 -го рода. 3
К термически упрочняемым относятся сплавы составов от точки а до промежуточного соединения Аm. Вn, в которых при охлаждении из твердого раствора α выделяются вторичные кристаллы Аm. Вn. При этом степень упрочнения тем выше, чем больше масса вторичных кристаллов в равновесном сплаве. Рассмотрим для примера сплав состава точки с, который в равновесном состоянии имеет двухфазную структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора α концентрации точки а и относительно крупных вторичных кристаллов Аm. Вn. Сопротивление движению дислокаций возрастает по мере уменьшения расстояний между частицами упрочняющей фазы, т. е. сплав станет прочнее, когда вместо немногочисленных крупных включений образуется большое количество мелких. Наибольшее препятствие для движения дислокаций создают включения, отстоящие друг от друга на 25 - 50 межатомных расстояний. В большинстве стареющих сплавов желательная дисперсная структура образуется в результате термической обработки, состоящей из двух операций — закалки и старения. При закалке сплавы нагревают до температур, обеспечивающих распад вторичных кристаллов. Для рассматриваемого сплава такой будет температура, несколько превышающая t' (см. рис. ). Быстрым охлаждением с температуры закалки полностью подавляют процесс выделения вторичных кристаллов и в результате получают однофазный сплав — пересыщенный компонентом В твердый раствор. Пересыщение твердого раствора относительно мало сказывается на повышении твердости и прочности, незначительно изменяется и пластичность сплавов. Пересыщенный твердый раствор представляет собой неравновесную структуру. Поэтому, как только подвижность атомов окажется достаточно большой, твердый раствор будет распадаться начнется процесс старения. 4
Старение, происходящее при повышенных температурах, называют искусственным. В сплавах на основе низкоплавких металлов старение может происходить при температуре 20 -25 °С в процессе выдержки после закалки; такое старение называют естественным. При старении уменьшается концентрация пересыщающего компонента в твердом растворе; этот компонент расходуется на образование выделений. Тип выделений (кристаллическая структура), их размер и характер сопряженности с решеткой твердого раствора зависят как от вида сплава, так и от условий старения, т. е. от температуры и времени выдержки. В большинстве сплавов при старении получаются выделения нескольких типов. При любой перегруппировке атомов в твердом растворе, в том числе и при зарождении выделений, необходимо преодолеть определенный энергетический барьер. Величину этого барьера называют энергией активации. Энергия активации зарождения и роста выделений зависит от того, насколько отличается пространственная решетка выделений от пространственной решетки основного твердого раствора. При малом различии решеток энергия активации будет небольшой, а при большом — энергия активации возрастает. С увеличением температуры увеличивается кинетическая энергия атомов, и поэтому повышается вероятность преодоления более высокого энергетического барьера. Уменьшение свободной энергии при распаде пересыщенного твердого раствора будет наибольшим при выделении равновесных кристаллов Аm. Вn, однако зарождение таких кристаллов, имеющих, как правило, сложную пространственную решетку, возможно только при достаточно высоких температурах. При невысоких температурах старения зарождаются неравновесные выделения с более простой кристаллической структурой. 5
В общем случае при распаде пересыщенных твердых растворов могут возникать образования следующих типов (они перечисляются в порядке возрастания энергии активации зарождения): 1) зоны Гинье—Престона; 2) кристаллы метастабильной фазы; 3) кристаллы стабильной фазы. Зоны Гинье-Престона (зоны ГП) представляют собой весьма малые (субмикроскопические) объемы твердого раствора с резко повышенной концентрацией растворенного компонента, сохраняющие решетку растворителя. Скопление растворенных атомов вызывает местное изменение периода решетки твердого раствора. При значительной разнице в размерах атомов А и В, как это, например, наблюдается в сплавах Аl-Сu, зоны ГП имеют форму дисков, толщина которых (учитывая искажения решетки) составляет несколько межатомных расстояний, диаметр 10 -50 нм. Диски закономерно ориентированы относительно пространственной решетки растворителя. При небольшом различии в атомных диаметрах компонентов, как, например, в сплавах Аl-Zn, обогащенные зоны имеют форму сфер. 6
Многочисленные зоны ГП затрудняют движение дислокаций — для прохождения дислокации через зону и окружающую ее область с искаженной решеткой требуется приложить более высокое механичесое напряжение. Метастабильные фазы имеют иную пространственную решетку, чем твердый раствор, однако существует сходство в расположении атомов в определенных атомных плоскостях той или другой решетки, что вызывает образование когерентной (или полукогерентной) границы раздела. Когерентная граница при некотором различии кристаллической структуры приводит к появлению переходной зоны с искаженной решеткой (см. рис. ). Для метастабильных фаз характерна высокая дисперсность, что значительно повышает сопротивление движению дислокаций. Стабильная фаза Аn. Вm имеет сложную пространственную решетку с пониженным числом элементов симметрии и с большим числом атомов в элементарной ячейке. Вторичные кристаллы со стабильной структурой в большинстве сплавов выделяются в виде достаточно крупных частиц. Значительное различие кристаллической структуры твердого раствора и стабильных кристаллов приводит к образованию некогерентной границы раздела (см. рис. ) и, сооответственно, к минимальным искажениям решетки твердого раствора вблизи границы. Упрочнение сплава при образовании стабильных кристаллов Аn. Вm оказывается меньшим, чем при образовании зон ГП и метастабильных когерентных кристаллов. Степень упрочнения при старении может быть очень высокой. Так, твердость и временное сопротивление дюралюминов при оптимальных условиях старения увеличиваются в 2 раза, в бериллиевых бронзах — в 3 раза. Термическую обработку, приводящую к получению стабильной структуры (стабильные кристаллы Аn. Вn после коагуляции), называют стабилизацией; термин подчеркивает получение более устойчивой структуры при возможном нагреве сплава в условиях эксплуатации. 7
Алюминий и его сплавы Алюминий — металл серебристого цвета, характеризующийся низкой плотностью (2, 7 г/см 3), высокой пластичностью (δ = 40%), низкими прочностью (σ = 80 МПа) и твердостью (НВ 25). Температура плавления — 659°С. Обладает высокой электропроводностью и коррозионной стойкостью. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет. Маркируется буквой А. В зависимости от количества примесей различают алюминий особой чистоты А 999 (99, 999% Аl), высокой чистоты А 995, А 99, А 97 и технической чистоты А 85, А 8, А 7, А 6, А 5. Применяется алюминий для производства фольги, электрических проводов. Как конструкционный материал используется редко вследствие малой прочности. Почему так важна чистота алюминия? Конструкционная прочность алюминиевых сплавов зависит от вредных примесей Fе и Si. Они образуют в сплавах нерастворимые в твердом растворе фазы, кристаллы которых снижают пластичность, вязкость разрушения, сопротивление развитию трещин. Легирование сплавов марганцем уменьшает вредное влияние примесей, однако, более эффективным способом повышения конструкционной прочности является снижение содержания примесей с 0, 5 -0, 7% (ГОСТ 4784 -74) до 0, 1 -0, 3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты). 8
Общая характеристика и классификация алюминиевых сплавов. Алюминиевые сплавы характеризуются высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Временное сопротивление алюминиевых сплавов достигает 500 — 700 Мпа при плотности не более 2850 кг/м 3. По удельной прочности некоторые алюминиевые сплавы приближаются к высокопрочным сталям. Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокие теплопроводность и электропроводимость и хорошие технологические свойства (обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, а специальные — сваркой плавлением, в основном хорошо обрабатываются резанием). Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превосходят магниевые сплавы по коррозионной стойкости, пластмассы — по стабильности свойств. Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Cu, Мg, Si, Мn, Zn; реже-Li, Ni, Тi. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы: Cu. Аl 2 и др. (см. рис. ). Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения. Сплавы алюминия делятся на литейные и деформируемые. 9
Литейные сплавы алюминия ГОСТ 1583 -93 маркируются буквами и числом, показывающим содержание сплава. Чтобы сплав обладал хорошими литейными свойствами, он должен иметь малый температурный интервал кристаллизации. Кроме того, желательно, чтобы он имел низкую температуру плавления. Этим требованиям удовлетворяют эвтектические сплавы. Наибольшее распространение получили сплавы алюминия с кремнием, образующие эвтектику при содержании 11, 6 % кремния. Эти сплавы называются силуминами. Широко применяется силумин эвтектического состава АК 12 содержащий 10… 12 % кремния. Он имеет очень хорошие литейные свойства, но малую прочность (σв = 180 МПа). Уменьшение содержания кремния и добавка меди, магния и марганца ухудшает литейные свойства силуминов, но улучшает механические. Кроме силуминов используются литейные сплавы алюминия с медью (АЛ 7) и магнием (АЛ 8), не содержащие кремния. Они обладают значительно большей прочностью, чем силумины, но их литейные свойства хуже. 10
Деформируемые сплавы алюминия делятся на упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. К сплавам, не упрочняемым термической обработкой относятся сплавы алюминия с марганцем (маркируется АМц) и магнием (маркируются АМг 1, . . АМг 7). Эти сплавы имеют низкую прочность, но высокую пластичность и коррозионную стойкость. К сплавам, упрочняемым термической обработкой относятся дюралюминий, ковочные сплавы, высокопрочные сплавы алюминия. Дюралюминий (дуралюмин) представляет собой сплав алюминия с медью (до 5 %), марганцем (до 1, 8%) и магнием (до 0, 9 %). Маркируется буквой Д и цифрой, показывающей порядковый номер (Д 1, Д 16 и др. ). Подвергается термической обработке, которая состоит из закалки от температуры 500°С, естественного старения, заключающегося в выдержке при комнатной температуре в течение нескольких суток. В результате такой обработки прочность повышается в два раза (с 200… 240 МПа до 450… 500 МПа), а пластичность практически не меняется. Достоинством дюралюминия является высокая удельная прочность (отношение предела прочности к плотности), что особенно важно в самолетостроении. Дюралюминий выпускается в виде листов и прутков. Высокопрочные сплавы алюминия содержат кроме меди и магния дополнительно цинк (до 10%), Эти сплавы маркируются буквой В (В 95, В 96). Подвергаются термообработке, аналогичной термообработке дюралюминия, но естественное старение заменяется искусственным старением, заключающимся в выдержке при температуре 120… 140 °С в течение 16… 24 ч. В результате предел прочности доходит до 600… 700 МПа. Ковочные сплавы алюминия предназначены для производства деталей ковкой и штамповкой. Маркируются буквами АК и числом, показывающим порядковый номер. По химическому составу близки к дюралюминию (сплав АК 1 совпадает но составу с Д 1), иногда отличаясь более высоким содержанием кремния (АК 6, АК 8). Подвергаются аналогичной термообработке. Малая плотность и высокая удельная прочность обусловили широкое применение алюминиевых сплавов в самолетостроении. Они составляют до 75% массы пассажирских самолетов. Из дюралюминия изготовляются обшивки, каркасы, из высокопрочных сплавов — тяжелонагруженные детали, из ковочных — кованые и штампованные детали (например, лопасти винта). 11
Медь и се сплавы Медь — металл красно-розового цвета. Плотность меди 8, 94 г/см³, температура плавления — 1083 °С. Кристаллизуется в кубической гранецентрированной решетке и полиморфных превращений не имеет. Характеризуется невысокими прочностью (σв= 150… 250 МПа) и твердостью (НВ 60) и хорошей пластичностью (δ = 25 % в литом состоянии и δ = 50 % в горячедеформированном). Обладает высокой электропроводностью, теплопроводностью, коррозионной стойкостью в пресной и морской воде. Благодаря высокой электропроводности около половины производимой меди используется в электро- и радиопромышленности. Как конструкционный материал медь не используется из-за высокой стоимости и низких механических свойств. Маркируется буквой М и цифрами, зависящими от содержания примесей. Медь марок МОО (0, 01 % примесей), МО (0, 5 %) и М 1 (0, 1 %) используется для изготовления проводников электрического тока, медь М 2 (0, 3%) — для производства высококачественных сплавов меди, МЗ (0, 5 %) — для сплавов обыкновенного качества. Основные сплавы меди — латуни и бронзы. Латунями называют сплавы меди с цинком. Цинк повышает прочность и пластичность сплава, но до определенных пределов. Наибольшей пластичностью обладают латуни, содержащие 30 % цинка, а наибольшей прочностью — 45 %. Поэтому более 45 % цинка в латунях содержаться не может. Кроме того, цинк удешевляет сплав, так как он дешевле меди. Латуни характеризуются высокой электропроводностью и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, хорошо обрабатываются резанием. 12
По технологическому признаку латуни делятся на деформируемые и литейные. По химическому составу латуни делятся на простые (двойные), в которых присутствуют только медь и цинк и сложные (многокомпонентные), в которые для улучшения различных свойств добавлены другие элементы. Наиболее распространены добавки алюминия, олова, кремния, никеля и др. Латуни маркируются буквой Л. В деформируемых латунях указывается содержание меди и легирующих элементов, которые обозначаются соответствующими буквами (О — олово, А — алюминий, К — кремний, Н — никель, Мц — марганец, Ж — железо и т. д. ). Содержание элементов дается в % после всех буквенных обозначений. Например, латунь Л 63 содержит 63 % меди и 37 % цинка. Латунь ЛАЖ 60 -1 -1 содержит 60 % меди, 1 % алюминия, 1 % железа и 38 % цинка. В марках литейных латуней указывается содержание цинка, а количество легирующих элементов (в %) ставится после букв их обозначающих. Например, литейная латунь ЛЦ 40 Мц3 А содержит 40 % цинка, 3 % марганца, менее 1 % алюминия и 56 % меди. 13
Бронзами называются сплавы меди с оловом, алюминием, свинцом и другими элементами, среди которых цинк не является основным. Бронзы обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими литейными свойствами, хорошо обрабатываются давлением и резанием. По названию основного легирующею элемента бронзы делятся на оловянные, алюминиевые, кремнистые, бериллиевые, свинцовые и др. По технологическому признаку бронзы делят на деформируемые и литейные. Маркируются бронзы буквами Бр, за которыми показывается содержание легирующих элементов в %. Обозначения легирующих элементов и отличия в марках деформируемых и литейных сплавов у бронз такие же, как у латуней. Например, деформируемая бронза Бр. ОФ 6, 5 -0, 4 содержит 6, 5% олова и 0, 4% фосфора, а литейная бронза Бр. ОЗЦ 7 С 5 Н — 3% олова, 7% цинка, 5% свинца, менее 1% никеля. Особенно широкое применение в машиностроении имеют оловянные бронзы. Деформируемые оловянные бронзы обладают высокой пластичностью и упругостью. Из них изготовляют прутки, трубы, ленты. Литейные оловянные бронзы имеют хорошие литейные свойства, высокую коррозионную стойкость. Из них изготовляют арматуру, работающую в условиях пресной и морской воды. Олово — относительно дорогой металл, поэтому его стремятся частично или полностью заменить в составе бронз другими. Алюминиевые бронзы (Бр. А 7, Бр. АЖН 10 -4 -4) обладают более высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью по сравнению с оловянными. Кремнистые бронзы (Бр. КМц 3 -1) имеют хорошую упругость и поэтому используются для изготовления пружинящих деталей. Свинцовые бронзы (Бр. СЗО) обладают высокими антифрикционными свойствами и применяются в подшипниках скольжения. Бериллиевые бронзы (Бр. Б 2) отличаются высокой твердостью, прочностью, упругостью и износостойкостью. 14
Сплавы других цветных металлов Магний и его сплавы. Магний — самый легкий металл, используемый в промышленности (плотность — 1, 74 г/см³). Имеет гексагональную плотноупакованную решетку и полиморфных превращений не претерпевает. Температура плавления магния — 651°С. Недостатками магния являются низкая прочность и пластичность, низкая коррозионная стойкость, способность к возгоранию при нагреве. Поэтому чистый магний в качестве конструкционного материала не используется. Свойства магния значительно улучшаются при сплавлении его с другими элементами, основные из которых — алюминий, марганец и цинк. Магниевые сплавы делятся на литейные и деформируемые. Литейные сплавы маркируются буквами МЛ, а деформируемые — МА. За буквами следует условный номер сплава. Магниевые сплавы, как и алюминиевые способны к упрочняющей термообработке (закалке и старению), но эффект повышения прочности при этом невысок. Основное преимущество сплавов магния — легкость. Поэтому они применяются в авиа- и ракетостроении. Сплавы магния хорошо свариваются и обрабатываются резанием, но имеют невысокую коррозионную стойкость. Титан и его сплавы. Титан — легкий (плотность 4, 5 г/см 3) и пластичный металл серебристобелого цвета. Температура плавления титана — 1665 °С. Он обладает низкой электропроводностью и теплопроводностью. Механические свойства титана: σв ≈ З 00 МПа, δ = 60… 70 %. Главное достоинство титана и его сплавов — высокая коррозионная стойкость. Она достигается за счет образования на его поверхности плотной оксидной пленки. Недостатки титана — склонность к взаимодействию с газами при температурах выше 500… 600°С, плохая обрабатываемость резанием, высокая стоимость. 15
Главная цель легирования титана — повышение механических свойств. Основными легирующими элементами являются алюминий, хром, молибден, ванадий, марганец. По технологическому признаку сплавы титана делятся на литейные и деформируемые. Маркируются титановые сплавы чаще всего буквами ВТ. Среди сплавов титана имеются обладающие высокой прочностью (ВТ 6, ВТ 14 с σв = 1000… 1200 МПа), жаропрочностью до 500 °С (ВТЗ-1, ВТ 8). Литейные сплавы титана (ВТ 5 Л, ВТ 6 Л) обладают хорошими литейными свойствами. Используются титановые сплавы в химической промышленности благодаря высокой коррозионной стойкости, в ракетной и авиационной технике благодаря легкости и высокой удельной прочности. Другие цветные металлы нашли меньшее применение в технике. Тугоплавкие металлы (вольфрам, молибден, хром, тантал, ниобий) и никель, а также их сплавы используются как жаропрочные. Сплавы легкоплавких металлов (олова, цинка, свинца) используются в подшипниках скольжения (эти сплавы называются баббиты) и в качестве припоев для пайки металлов. Кроме того, значительная часть цинка расходуется на нанесение покрытий на металлические изделия, олова — на лужение консервной жести, свинца — на изготовление оболочек электрических кабелей, производство свинцовых аккумуляторов, емкостей для хранения радиоактивных материалов. 16
Скачать презентацию Закалка отпуск и старение До обсуждения конкретно цветных
Презентация цветные металлы.ppt