Алюминий и его сплавы (стр. 3 из 3)

В сплавах типа дуралюмин, (на основе системы Al-Cu-Mg) избыточными фазами являются Q-фаза (CuAl₂) и S-фаза (Al₂CuMg). В данной системе возможно выделение T-фазы (CuMg₄Al₆), однако содержание меди и магния в промышленных сплавах Al таково, что T-фаза не выделяется.

Помимо меди и магния, в дуралюминах всегда содержится марганец и небольшое количество примесей. Марганец находится в дуралюминах в виде дисперсных частиц фазы Т (Al₁₂Mn₂Cu), которые положительно влияют на их свойства: повышается температура рекристаллизации, измельчается структура холоднодеформированного материала, повышаются прочностные свойства при комнатной температуре, а также значительно увеличивается жаропрочность.

Кремний (до 0,05%) в сплавах с содержанием магния до 1%, повышает прочностные характеристики при искусственном старении; при более высоком содержании магния (1,5%) прочность понижается. Кроме того, кремний увеличивает склонность к трещинообразованию при литье и сварке. Железо понижает пластичность и способствует растрескиванию полуфабрикатов при деформации. Небольшое количество железа (0,2-0,25%) в присутствии кремния не оказывает отрицательного влияния на механические свойства сплавов, значительно уменьшает склонность к трещинообразованию при литье и сварке.

Таблица 5 - Типичные механические свойства термически упрочняемых сплавов после закалки и старения

Сплав	Полуфабрикаты	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ,%
Д1	Листы	400	240	20
Прессованные прутки и профили	480	320	14
Д16	Листы, плиты	440	330	18
Прессованные прутки и профили	530	400	11
Д19	Листы	425	310	18
АК4-1	Профиль прессованный	420	350	12
После естественного старения
АВ	Листы	240	160	20
	Прессованные профилиПрессованные профили	260	200	15
АД31		170	90	22
АД33		250	180	14
АД35		270	200	12
После искусственного старения
АВ	Листы	330	250	14
	Прессованные профилиПрессованные профили	380	300	12
АД31		240	190	12
АД33		340	280	11
АД35		360	290	11
АК6	Долевое направление испытаний	400	290	12
	Поперечное	370	280	10
	Высотное	360	250	8
АК8	Долевое направление испытаний	480	380	9
	Поперечное	410	300	7
	Высотное	380	280	4
В95	Листы, плиты	540	470	10
	Прессованные профили	600	560	8
В96Ц	Штамповки, трубы	670	640	7
В93	Штамповки	500	470	8

Никель уменьшает пластичность и прочность, улучшает твердость и прочность при повышенных температурах и понижает коэффициент линейного расширения.

Цинк для дуралюминов является вредной примесью, так как увеличивает склонность к трещинообразованию при литье и сварке. Бериллий в количестве порядка 0,005% предохраняет сплавы от окисления при литье и сварке. Литий сильно повышает скорость окисления расплавленного алюминия, увеличивает прочность при повышенных температурах, понижает плотность и увеличивает модуль упругости. Титан применяется для измельчения зерна литого металла, а также значительно уменьшает склонность к трещинообразованию. Небольшое количество бора (0,005-0,01%) измельчает зерно алюминия и его сплавов. Эффект модифицирования увеличивается в присутствии небольших количеств титана.

Сплавы системы Al-Cu-Mg с добавками железа и никеля (АК2, АК4, АК4-1) по назначению относятся к группе жаропрочных материалов. По своему химическому и фазовому составу они весьма близки к сплавам типа дуралюмин. Основными упрочняющими фазами при термической обработке этих сплавов, также как и у дуралюминов, служат фазы S и θ. Отличие заключается в том, что вместо марганца в качестве легирующих элементов в значительных количествах содержится железо, никель и кремний. Сплавы менее легированы по меди.

При добавке железа к сплаву 2%Al; 1,6%Mg прочностные свойства резко снижаются, железо образует с медью нерастворимое интерметаллическое соединение Cu₂FeAl₇, снижающее концентрацию меди в твердом растворе, тем самым уменьшая эффект упрочнения. Аналогичным образом влияют добавки никеля, который образует практически нерастворимую тройную с медью фазу Al₆Cu₃Ni. Однако при одновременном введении железа (до 2,5%) и никеля (1,6%) наблюдается резкое повышение прочностных свойств в закаленном и состаренном состоянии, при этом максимальные значения достигаются при содержании железа 1,6%. При других концентрациях железа и никеля максимальные значения прочностных свойств, обнаруживаются при соотношении железа и никеля, равном примерно 1:1. Железо и никель образуют тройное соединение FeNiAl₉, которое уменьшает возможность образования нерастворимых соединений AlCuFe и AlCuNi, что увеличивает концентрацию меди в твердом растворе. С увеличением содержания фазы FeNiAl₉ в сплаве повышается эффект термической обработки. Фаза FeNiAl₉ улучшает обычные характеристики механических свойств и жаропрочность сплава.

Сплавы системы Al-Mg-Si (АД31, АД33, АД35, АВ) относятся к группе материалов обладающих повышенной пластичностью. Эти сплавы широко применяют в качестве конструкционных и декоративных материалов, которые, наряду с хорошей пластичностью, обладают комплексом ценных свойств, включая высокую коррозионную стойкость, технологичность, способность подвергаться цветному анодированию и эмалированию.

Эти сплавы легированы в меньшей степени, чем дуралюмины; суммарное содержание легирующих элементов в этих сплавах колеблется в пределах от 1 до 2%. Упрочняющей фазой во всех сплавах является Mg₂Si, поэтому степень упрочнения при старении находится в прямой зависимости от количества этой фазы. С увеличением содержания кремния до 1,6%, при постоянном содержании магния, предел прочности растет, а затем практически не изменяется или несколько снижается к 2%Si.

С увеличением концентрации магния, при постоянном содержании кремния, предел прочности растет и достигает максимума при 1,2-1,4%, а затем снижается к 2%Mg. Повышение содержания магния и кремния приводит к измельчению структуры. С повышением содержания кремния улучшаются литейные свойства и свариваемость сплавов. Коррозионная стойкость снижается с ростом содержания фазы Mg₂Si и Si.

Сплавы системы Al-Mg-Si-Cu (АК6, АК6-1, АК8) являются авиалями повышенной прочности и относятся к группе ковочных материалов. Они отличаются от обычных авиалей повышенным содержанием меди. Упрочняющими фазами являются фазы W(AlCu₄Mg₅Si₄), CuAl₂, Mg₂Si. Увеличение содержания меди монотонно повышает предел прочности при комнатной и повышенных температурах, пластичность достигает максимума при концентрации меди 2,2% (см. таблицу 5).

Сплавы системы Al-Zn-Mg и Al-Zn-Mg-Cu (В95, В96, В96ц, В93) относятся к группе высокопрочных сплавов. Характерным для данного класса сплавов является образование сложной по составу T-фазы. Выделение ее по границам зерен проводит к снижению их механических свойств (к охрупчиванию сплавов).

Характерная особенность сплавов – высокий предел текучести, близкий по своему значению к пределу прочности материала, и пониженная пластичность (см. таблицу 5). Сплавы отличаются чувствительностью к надрезам и перекосам, характеризуются пониженной выносливостью при повторно-статических нагружениях, а также чувствительны к коррозионному растрескиванию под напряжением. Уменьшение содержания примесей железа и кремния способствует повышению пластичности, ударной вязкости, статической выносливости, а также резко снижает чувствительность к надрезу образцов при перекосах. По мере увеличения содержания магния, цинка и меди в сплавах, предел прочности сплавов Al-Zn-Mg в отожженном состоянии непрерывно повышается. Хром, в этих сплавах, эффективно повышает стойкость сплавов против коррозии под напряжением. Цирконий при кристаллизации образует с алюминием пересыщенный твердый раствор, который распадается, при последующей обработке слитка, с выделением дисперсных интерметаллидов. Цирконий более интенсивно, чем другие переходные металлы, повышает температуру рекристаллизации, приводит к сохранению нерекристаллизованной структуры в горячедеформированных изделиях после термообработки и тем самым обусловливает значительное структурное упрочнение. Добавки циркония препятствуют образованию крупнозернистых структур.