Научный журнал
Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований

ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,580

УПРОЧНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ПРИМЕСЕЙ

Чередник А.С. 1 Мансуров Ю.Н. 1
1 ДВФУ «Дальневосточный федеральный университет»
В зависимости от изменения механических свойств после закалки и старения сплавы делят на термические упрочняемые, например, сплавы на основе системы Al – Cu, и термические не упрочняемые, например, сплавы на основе системы Al – Mg. Прирост прочностных свойств у термических упрочняемых сплавов происходит в силу образования пересыщенного твердого раствора после закалки и последующего распада этого раствора в процессе естественного или искусственного старения, что обеспечивается химическим составом. Так, например, в сплавах системы Al –Cu основной фазой, обеспечивающей упрочнения сплавов, является CuAl2, которая легко растворяется в алюминиевом твердом растворе. При старении пересыщенный твердый раствор распадается на когерентную ɵ҆ –, затем на полукогерентную ɵ҆ ҆ – фазы. Для обеспечения эффекта термического упрочнения алюминиевые сплавы легируют, в т.ч. малыми добавками. В термически не упрочняемых, например, в алюминиево-магниевых сплавах β (Mg2Al3) – фаза не обеспечивает значимого эффекта упрочнения. Приведенные утверждения справедливы, когда речь идет о первичных сплавах.
алюминиевые сплавы
прочность
эффект упрочнения
1. Белов Н.А. Металловедениелитейныхалюминиевых сплавов / Н.А.Белов, B.C.Золоторевский. – М.: МИСиС, 2005. – 480 с.
2. Прочность сплавов. / [под ред.] M.A. Штремель. – М.: МИСИС, 1997. – 384с.
3. Механические свойства металлов / [под ред.] В.С. Золоторевский. – М.: МИСИС,1998. – 286 с.
4. Инновации в металлургии. / [под ред.] Ю.Н. Мансуров. – Ташкент, 2008. – 198 с.

Вторичные сплавы отличаются сложным химическим составом. В состав вторичных магналиев входят: железо, кремний, медь, цинк, марганец, олово, свинец, никель, хром. Кроме того, «по наследству», в их состав могут входить один или несколько элементов ряда: Ti, B, Zr, Be, Y и др. Естественно, многокомпонентные сплавы имеют сложный фазовый состав. Для определения фазового состава вторичных сплавов были приготовлены сплавы на основе системы Al – Mg с примесями, введенными порознь, попарно и вместе. Составы фаз были определенны методами микрорентгеноспектрального анализа на микрошлифах, закристаллизованных в условиях, обеспечивающих равновесную кристаллизацию. Установлено, что магний, кремний, олово и свинец образуют сложную эвтектику (Mg, Si, Sn, Pb), которая может быть описана в виде: (Mg2Si+Sn+Pb)или Mg2(Si, Sn, Pb). [1]

Известно, что первичные сплавы алюминия и магния, содержащие в качестве основных легирующих элементов цинк, кремний, медь, существенно упрочняется при старении. В связи с этим, исследуемые сплавы, содержащие примеси меди и цинка в количестве 0,3…0,6 % (каждой), решили подвергнуть старению с целью их дополнительного упрочнения.Более высокий уровень прочностных и коррозионных свойств, по видимому, должен обеспечить двухступенчатый режим старения, при котором наблюдается более высокая плотность и однородность распределения выделений.[2] Для исследования старения на механические свойства были выбраны сплавы, отличающиеся друг от друга содержанием магния (4,6,8 %Mg) при одинаковой концентрации примесей. Чтобы выяснить, насколько эффект старения зависит от примесей ( в частности цинка и меди), для сплава с 6 %Mg определение механических свойств проводили на трех уровнях содержания примесей. Старение проводили на закаленных по режиму 520˚C, 10 ч сплавах.[3]

На основании анализа литературных данных по сплавам Al-Mg-Zn старение на первой ступени проводили при 100˚C 4ч. Режим второй ступени является объектом оптимизации. Об эффекте старения судили по приросту твердости HV в сравнении с закаленным состоянием.

На первом этапе были получены зависимости твердости сплавов от температуры Tстарения при времени выдержки 2ч. У сплавов с 6 и 8 %Mg максимальный прирост HV наблюдали при 160˚C, а у сплава с 4 %Mg значение твердости после старения при различных температурах оставалась практически неименными (~HV95).У сплавов Al + 6 %Mg с различным уровнем содержания примесей наибольшая твердость была получена после старения при температуре второй ступени 140˚C для сплава с 0,6 %Si, Fe, Cu, Zn, Mn; 0,3 %Sn и Pb; 0,5 %Ni (верхний уровень) и при 160˚C с примесями на нижнем и среднем уровнях.

На следующем этапе установили зависимость твердости от времени выдержки на второй ступени старения при 140˚C и при 160˚C.Из проведенного анализа кривых старения следует, что оптимальным режимом второй ступени является: температура 160˚C, время выдержки 2ч. Такой режим обеспечивает прирост твердости ΔHV15-20.

Для доказательства того, что двухступенчатый режим старения дает большой прирост HV, чем одноступенчатый, была определенна твердость сплавов состаренных по одноступенчатому режиму, обеспечивающим максимальную твердость: 160˚C, 2ч. Значения твердости HV сплавов системы Al-Mg с различным уровнем примесей представлена таблица.

Электронномикроскопические исследования сплава Al + 6 %Mg с наибольшим содержанием примесей (для более легкого обнаружения продуктов распада), состаренного по режиму 100˚C, 4ч + 160˚C, 2ч, не позволили обнаружить продукты распада, вероятно из-за их дисперсности и малой объемной доли.

Структура перестаренного сплава в течении 10 ч при температуре второй ступени 160˚C, которую изучали с целью обнаружения продуктов распада, показана на рис. 1.

Твердость HV сплавов, состаренных по одно-и двухступенчатому режимам

Сплав

Уровень примесей

Режим старения

Твердость HV

Al + 4 %Mg

средний

одноступенчатый

двухступенчатый

89 ± 2

96 ± 3

Al + 6 %Mg

нижний

одноступенчатый

двухступенчатый

89 ± 2

96 ± 2

Al + 6 %Mg

средний

одноступенчатый

двухступенчатый

96 ± 2

103 ± 2

Al + 6 %Mg

верхний

одноступенчатый

двухступенчатый

100 ± 2

110 ± 2

Al + 8 %Mg

средний

одноступенчатый

двухступенчатый

103 ± 2

111 ± 3

cher1.tif

Рис. 1. Тонкая структура сплава Al+6 % Mg с примесями на верхнем уровне

Из сравнения тонкой структуры сплава в литом состоянии и в состаренном следует, что в сплаве, подвергнутом старению, на дислокациях видны гетерогенно зародившееся и уже грубые к этому времени старения, частицы фазы β (Al3Mg). Контраст в этом случаеполучается из-за наличия сильного поля упругих напряжений вокруг выделяющихся мелких частиц. Поле упругих напряжений сохраняется лишь вокруг когерентных или полукогерентных частиц. Вокруг же грубых частиц они отсутствуют. Вероятно, в сплаве идет распад с образованием фазы упрочнителя, объемная доля которой мала и, соответственно, она не оказывает заметного влияния на механические свойства. Идентифицировать эту фазу не удалось в виду малочисленности ее выделений.

В то же время, изучение кинетических кривых зависимости твердости от времени выдержки показали, что режимом старения на максимальную прочность для вторичного алюминиево-магниевого сплава является: 100˚C, 4ч + 200˚C, 3 ч. На образцах, обработанных по этому режиму определялимеханические свойства. Установлено, что при таком режиме старения обеспечивается повышение предела текучести по сравнению с закаленными сплавами в среднем на 85 МПа и снижение относительного удлинения на 2,4 %. Такое изменение свойств,свидетельствует о распаде пересыщенного твердого раствора. Анализ электронограмм после старения сплавов позволяет предложить, что основной фазой (фазами), определяющий характер структуры, является медьсодержащая фаза S (рис. 2).

а б

cher2.tif

Рис. 2. Тонкая структура (а) и электронограмма (б) сплава, состаренного на максимальную твердость, ПЭМ

Таким образом, изменение твердости, предела текучести, относительного удлинения при старении сплавов системы Al – Mg с повышенным содержанием примесей (в том числе меди и цинка до 0,6 %) показывает, что сплавы этой группы возможно упрочнить за счет термической обработки.

Однако высокотемпературная термическая обработка сплавов с повышенным содержанием примесей и последующее старение с целью улучшения механических свойств сплавов, с точки зрения организации производства, вызывают неудобства. Длительность выдержек сплавов при различных температурах, даже с учетом сменности промышленного производства (чего нет на предприятиях перерабатывающих вторичные алюминиевые сплавы), сводят на нет возможность их применения. Поэтому, а так же с целью экономии энергетических затрат при термической обработке, было изучено влияние термоциклической обработки на структуру и свойства алюминиевых сплавов с повышенным содержанием примесей [4].


Библиографическая ссылка

Чередник А.С., Мансуров Ю.Н. УПРОЧНЕНИЕ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ С ПОВЫШЕННЫМ СОДЕРЖАНИЕМ ПРИМЕСЕЙ // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 8-1. – С. 28-30;
URL: https://www.applied-research.ru/ru/article/view?id=7033 (дата обращения: 24.06.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074