Table Of ContentМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНЫЙ
УНИВЕРСИТЕТ (МАМИ)
/ УНИВЕРСИТЕТ МАШИНОСТРОЕНИЯ /
Соколов В.С., Пелих Э.А.
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА
Методические указания
Для выполнения лабораторной работы по курсу «Материаловедение»
Для студентов, обучающихся по направлениям
150100 «Материаловедение и технологии материалов»,
150400 «Металлургия»,
151000 «Технологические машины и оборудование»
Одобрено методической комиссией УГС
150000 – «Металлургия, машиностроение и материалообработка»
Москва
2015
Разработано в соответствии с Федеральным Государственным
образовательным стандартом высшего профессионального образования по
направлениям подготовки 150100 «Материаловедение и технологии
материалов», 150400 «Металлургия», 151000 «Технологические машины и
оборудование» на основе рабочей программы дисциплины
«Материаловедение».
Рецензенты:
д.т.н., профессор кафедры «Материаловедение» Московского
энергетического института Матюнин В.М.
кафедра «Технология машиностроения и ремонта горных машин»
Московского государственного горного университета
Работа подготовлена на кафедре «Материаловедение».
Методические указания для выполнения лабораторной работы
«Термическая обработка дуралюмина» по курсу «Материаловедение» для
студентов, обучающихся по направлениям 150100 «Материаловедение и
технологии материалов», 150400 «Металлургия», 151000 «Технологические
машины и оборудование». / В.С. Соколов, Э.А. Пелих – М.: Университет
машиностроения, 2015. – 12с.
В методических указаниях рассматриваются процессы происходящие в
сплаве Д16 при закалке, естественном и искусственном старении, приводящие к
изменению его структуры и свойств. Содержит контрольные вопросы по
формированию структуры и свойств сплава.
© Соколов В.С., Пелих Э.А., 2015
© Университет машиностроения, 2015
2
Лабораторная работа
ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДУРАЛЮМИНА
Цель работы состоит в изучении влияния температуры и
продолжительности искусственного старения на твердость
дуралюмина.
Элементы теории
Дуралюмины относятся к деформируемым термически
обрабатываемым алюминиевым сплавам. В их состав помимо
алюминия, являющегося основой, входят магний, марганец, медь,
кремний и железо. В таблице 1 приведен состав некоторых
дуралюминов.
Таблица 1
Марка сплава
Компоненты, %
Д1 Д16 Д19
Медь 3,8-4,8 3,8-4,9 3,8-4,3
Магний 0,4-0,8 1,2-1,8 1,8-2,3
Марганец 0,4-0,8 0,3-0,9 0,5-1,0
Железо 0,7 0,5 0,5
Примеси
(не более)
Кремний 0,7 0,5 0,5
Легирующие элементы медь и магний повышают прочность
сплава, а марганец вводят для повышения коррозийной стойкости.
Железо и кремний – вредные примеси, так как их присутствие в
количествах свыше 0,5% снижает механические свойства и
коррозионную стойкость дуралюминов в связи с образованием
хрупких интерметаллидов вида FeAl . Примерная растворимость
3
элементов меди, магния, марганца в алюминии и образовании в
сплавах фаз S(CuMgAl ) и θ(CuAl ) определяют возможность
2 2
упрочнения дуралюминов термической обработкой. Медь является
основным легирующим элементом и главным упрочнителем
дуралюмина. Поэтому для определения режимов термической
3
обработки, а так же структуры дуралюминов удобно воспользоваться
двойной диаграммой состояния «алюминий-медь» (рисунок 1).
Рисунок 1 – Часть диаграммы состояния Al-Cu
Растворимость меди в алюминии при комнатной температуре
составляет 0,2% и растет с повышением температуры до линии АВ,
достигая максимального значения 5,7 % при температуре 548°С
(точка В). Сплавы, содержащие медь в количестве от 0,2 до 5,7 %, в
равновесном состоянии имеют 2-фазную структуру, представляющую
собой α-твердый раствор (решетка гранецентрированная кубическая),
с концентрацией меди 0,2 % и содержанием частиц интерметаллида
CuAl (52 % Cu). При нагреве сплава марки Д16, содержащего,
2
например, 4% меди, концентрация последней будет возрастать по
линии АВ (рис. 2) вследствие растворения частиц CuAl .
2
Рисунок 2 – Часть диаграммы состояния Al-Cu и схема изменения
структуры сплава Д16 при его закалке
4
При достижении температуры t фаза интерметаллида CuAl
кр 2
исчезает, и вся медь переходит в α-твердый раствор. Дальнейший
нагрев до температуры t >t приводит к гомогенизации твердого
зак кр
раствора (однородному распределению атомов меди в
кристаллической решетке алюминия). При последующем медленном
охлаждении (в остывающей печи или на открытом воздухе) из-за
уменьшения растворимости меди протекает обратный процесс:
обеднение α-твердого раствора медью и выделение частиц CuAl . При
2
комнатной температуре сплав имеет равновесную структуру,
состоящую из зерен α-твердого раствора с содержанием 0,2% Cu и
мельчайших частиц CuAl , равномерно распределенных по границам
2
и телу зерен. Такая термическая обработка сплавов называется
полным отжигом. В отожженном состоянии сплав обнаруживает
пониженную прочность, твердость и высокую пластичность,
поскольку частицы избыточной фазы CuAl достаточно крупные,
2
расстояние между ними большое, и они не задерживают, не тормозят
движение дислокаций (таблица 2).
Таблица 2 – Механические свойства дуралюмина Д16 после
термообработки: А – отжиг, Б – закалка + естественное старение
Показатели механических свойств
Режим термообработки σ σ δ, Ψ,
в, аг, HB
МПа МПа % %
Отжиг 220 110 25 55 50
Закалка + естественное
470 320 17 50 105
старение
В практике термической обработки сплава Д16 температура
нагрева при отжиге обычно оставляет 300-370°С, что ниже линии
переменной растворимости.
Упрочняющая термическая обработка дуралюмина Д16 сводится
к проведению двух операций: закалки и старения. При закалке
необходимо получить максимально пересыщенный твердый раствор
меди и алюминия. Для этого сплав Д16 нагревают на несколько
градусов выше линии переменной растворимости АВ, обычно до
температуры t =490-498°С. В результате сплав получает структуру
зак
ненасыщенного твердого раствора с концентрацией меди 4%.
Перегрев выше указанных температур опасен, так как он ведет к
5
росту зерен твердого раствора, а в ряде случаев даже оплавлению
границ зерен из-за скопления легкоплавких эвтектических примесей.
Ускоренное охлаждение в воде подавляет протекание диффузионного
процесса выделения меди из твердого раствора, что позволяет
зафиксировать высокотемпературную концентрацию твердого
раствора при комнатной температуре. Содержание меди в
алюминиевом твёрдом растворе после закалки (4%) значительно
превышает её предельную равновесную концентрацию при
комнатной температуре (0,2%).
Закалка сплава Д16 протекает без полиморфного превращения.
Неравновесная структура сплава после такой обработки
представляет собой пересыщенный твердый раствор с концентрацией
меди 4%.
В закаленном состоянии сплав Д16 отличается низкой
прочностью (σ =250 МПа) и значительной пластичностью (δ=23%).
в
Незначительное увеличение прочности при закалке сплава связанно с
увеличением концентрации меди в твердом растворе и малыми
искажениями кристаллической решетки твердого раствора алюминия,
поскольку медь растворяется в нём по схеме замещения. Закаленный
сплав Д16 находится в метастабильном (неустойчивом) состоянии и
обладает повышенной свободной энергией (энергией Гиббса).
Перенасыщенный твердый раствор меди в алюминии стремится
понизить свою энергию Гиббса, в результате чего он распадается, то
есть избыточные атомы меди выделяются из α-твердого раствора. На
этом явлении основан процесс старения алюминиевых сплавов. При
комнатной температуре диффузионная подвижность атомов невелика
и не обеспечивает распада твердого раствора за приемлемое время с
достаточной полнотой.
Упрочнение закаленного сплава, достигаемое в результате
выдержки при температуре 20°С, называется естественным
старением, а упрочнение при температуре выше 20°С (как правило, в
интервале 100-200°С) – искусственным старением. Старение –
процесс диффузионный и в зависимости от температурных и
временных условий протекает в несколько стадий.
6
Естественное старение завершается на первой стадии (зональное
старение), когда в пересыщенном твердом растворе, отличающемся
случайным распределением атомов меди в кристаллической решетке
алюминия, имеет место перераспределение атомов меди и
образование внутри твердого раствора зон с повышенной
концентрацией меди (рисунок 3). Эти зоны твёрдого раствора
получили название зон Гинье-Престона (ГП 1).
Рисунок 3 – Изменение прочности дуралюмина в результате естественного и
искусственного старения и модель структуры зон ГП 1
Зоны ГП 1 – это малые области твердого раствора, обогащенные
медью, с концентрацией меди до 52%. Их кристаллическая структура
такая же, как и твердого раствора, но поскольку атомный радиус меди
в сравнении с алюминием меньше на 12%, параметр решетки зон
ГП 1 оказывается меньше из-за повышенной концентрации меди. В
результате зоны ГП 1, когерентно связанные с твёрдым раствором
(0,2% меди), деформируют кристаллическую решетку этого твёрдого
раствора, и эти искажения тормозят движение дислокаций и
упрочняют сплав (рисунок 3). Зоны ГП 1 имеют форму пластин или
дисков диаметром 4-10 нм при толщине 0,5-1 нм.
На стадии образования зон ГП 1 заканчивается процесс
естественного старения, приводящий к максимальному упрочнению
сплава (таблица 2, рисунок 3). Искусственное старение протекает в
три стадии и обычно заканчивается полным выделением меди из
пересыщенного твёрдого раствора в виде θ-фазы (CuAl ). Это
2
обусловлено высокой диффузионной подвижностью атомов меди при
температурах старения.
7
Первая стадия искусственного старения – зонное старение. В
пересыщенном твёрдом растворе образуются зоны ГП 1. Однако они,
в отличии от аналогичных зон ГП 1, образующихся при естественном
старении, крупнее, достигая в поперечнике 20 нм при 100°С и 80 нм
при 200°С, а по толщине – 1-4 нм.
Зоны ГП 1 на этой стадии могут трансформироваться в зоны ГП 2
/
(фаза θ), для которых характерно упорядоченное взаимное
/
расположение атомов меди и алюминия. Фаза θ имеет состав,
близкий к CuAl , и тетрагональную решетку, отличную от решётки
2
матрицы α-твёрдого раствора и полностью когерентную с решёткой
/
алюминиевого твёрдого раствора, т.к. периоды решёток фазы θ и
о
алюминия совпадают: α = 4,04 А (рисунок 4).
Рисунок 4 – Схема строения матрицы с выделениями: а) полностью
когерентными; б) частично когерентными; в) некогерентными
Вторая и третья стадии называются фазовым старением и
связаны с образованием новых фаз.
На второй стадии из твёрдого раствора выделяются частицы фазы
/
θ, которая по составу соответствует фазе CuAl и сопряжена
2
частично (не по всему периметру) когерентной связью с матричным
твёрдым раствором, вследствие чего уменьшается искажение
кристаллической решетки матричного α-твердого раствора. На этой
стадии эффект упрочнения может снижаться.
На третьей стадии образуется стабильная θ-фаза (CuAl ), так что
2
когерентность решёток матрицы (твёрдого раствора) и
8
выделяющейся фазы полностью нарушается. В дальнейшем фаза θ
коагулирует (укрупняется).
Максимальный эффект упрочнения (рисунок 3) наблюдается при
режимах старения, когда образуются дисперсные, когерентно
связанные с матрицей и равномерно в ней распределенные на
небольших расстояниях одна от другой либо зоны ГП, либо частицы
/ /
фазы θ. Нарушение когерентности связи выделяющихся фаз θ и θ с
твёрдым раствором, их укрупнение (увеличение расстояния между
ними) приводят к снижению прочности.
Упрочнение закаленного сплава при естественном старении
начинается не сразу. В течение небольшого промежутка времени (1-2
часа), называемого инкубационным периодом (рисунок 3), сплав
сохраняет свойства свежезакаленного состояния, т.е. отличается
низкой прочностью и высокой пластичностью. В течение
инкубационного периода с меньшими затратами и лучшим качеством
проводят технологические операции, связанные с холодной
обработкой давлением (клёпка, гибка и другие).
Практическое значение имеет обработка естественно
состаренного сплава Д16 «на возврат». Обработка на «на возврат»
о
сводится к кратковременному нагреву (в течение 1-2 минут ) до 250 С
естественно состаренного сплава и последующему быстрому его
охлаждению. При нагреве зоны ГП 1, образовавшиеся в ходе
естественного старения, растворяются и переходят в твёрдый
раствор. В результате такой обработки свойства сплава возвращаются
к закалённому состоянию (низкая прочность, высокая пластичность).
С течением времени такой дуралюмин стареет, упрочняется подобно
закалённому.
9
Выполнение лабораторной работы
Группа студентов получает 8 образцов (№ 1-8) сплава Д16.
Далее студенты группы выполняют следующие операции:
1. Образец №1 отжигают при температуре 495°С в течение 15
минут, после чего охлаждают образец на воздухе и измеряют его
твёрдость.
2. Семь образцов (№ 2-8) сплава Д16 закаливают при t =495°С в
max
течение τ =15мин. Охлаждение осуществляют в воде. Требуется
выд
измерить твёрдость закалённых образцов.
3. Три закалённых образца (№ 2-4) сплава Д16 подвергают
старению при t =100°С, 150°С и 250°С в течение 10 минут.
стар
Требуется измерить твёрдость образцов после старения.
4. Четыре закалённых образца (№ 5-8) сплава Д16 подвергают
старению при t =200°С в течение 5, 10, 15 и 25 минут. Требуется
стар
измерить твёрдость образцов после старения.
5. Результаты опыта внести в протокол согласно таблице 3.
6. Построить графики НВ = f (t ) при τ =10 мин и
стар стар
НВ = f (τ ) при t =200°С
стар стар
Таблица 3 – Протокол испытания
№ п/п Вид термической обработки Твёрдость, НВ
1 Отжиг при t =495°С
нагр
2 Закалка при t =495°С
зак
Время старения, мин
Закалка при t =495°С,
зак
старение при t =
стар 5 10 15 25
100
4
150
200
250
10
