Цель работы: изучение диаграмм фазового равновесия и фазовых превращений в бинарных сплавах алюминия с другими элементами.

Необходимое оборудование, приспособления, инструмент, материалы: муфельные печи, твердомер ТК-2М, образцы дуралюминов, стенд «Микроструктуры цветных сплавов», металлографический микроскоп.

Теоретические сведения

Алюминий является важнейшим металлом, широко применяемым для изготовления разнообразных алюминиевых сплавов.

Цвет алюминия серебристо-белый со своеобразным тусклым оттенком. Кристаллизуется алюминий в пространственной решетке гранецентрированного куба, аллотропических превращений у него не обнаружено.

Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см 3), высокую электропроводность (составляющую около 60 % электро-проводности чистой меди) и значительную теплопроводность.

В результате окисления алюминия кислородом воздуха на его поверхности образуется защитная оксидная пленка. Наличием этой пленки объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия и многих алюминиевых сплавов.

Алюминий достаточно стоек в обычных атмосферных условиях и против действия концентрированной (90-98 %) азотной кислоты, однако он легко разрушается при действии большинства других минеральных кислот (серная, соляная), а также щелочей. Он обладает высокой пластичностью как в холодном, так и горячем состоянии, хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием и отличается низкими литейными свойствами.

Для прокатанного и отожженного алюминия характерны следующие механические свойства:  в = 80-100 МПа,  = 35-40 %, НВ = 250…300 МПа.

При нагартовке прочность алюминия повышается, а пластичность снижается. Соответственно по степени деформации различают отожженный (АД-М), полунагартованный (АД-П) и нагартованный (АД-Н) алюминий. Отжиг алюминия для снятия наклепа проводится при 350…410 С.

Чистый алюминий находит разнообразное применение. Из технического алюминия АД1 и АД, содержащего соответственно не менее 99,3 и 98,8 % Al, изготовляют полуфабрикаты – листы, трубы, профили, проволоку для заклепок.

В электротехнике алюминий служит для замены более дорогой и тяжелой меди при изготовлении проводов, кабелей, конденсаторов, выпрямителей и т. п.

Важнейшими элементами, вводимыми в алюминиевые сплавы, являются медь, кремний, магний и цинк.

Алюминий с медью образует твердые растворы переменной концентрации. При температуре 0 С растворимость меди в алюминии равна 0,3 %, а при температуре эвтектики 548 С она увеличивается до 5,6 %. Алюминий и медь в соотношении 46:54 образуют стойкое химическое соединение CuAl 2 .

Рассмотрим состояние сплавов алюминия с медью в зависимости от их состава и температуры (рис. 1). Линия CDE на диаграмме представляет собой линию ликвидуса, а линия CNDF является линией солидуса. Горизонтальный участок линии солидуса NDF называется также эвтектической линией.

Линия MN показывает переменную по температуре растворимость меди в алюминии. Следовательно, линия MN является границей между ненасыщенными твердыми растворами и растворами насыщенными. Поэтому эту линию часто называют также линией предельной растворимости.

В области I любой сплав будет представлять собой однородный жидкий раствор алюминия с медью, т. е. AlCu.

Р
ис. 1. Диаграмма состояния системыAl–CuAl 2

В областях II и III сплавы будут находиться частично в жидком и частично в твердом состояниях.

В области II твердой фазой будет твердый раствор меди в алюминии, а жидкой – жидкий раствор алюминия и меди, т.е. Al(Cu) + (AlCu), если твердый раствор ограниченной растворимости меди в алюминии условимся обозначать как Al(Cu).

В области III жидкой фазой будет являться также жидкий раствор алюминия и меди, а твердой – металлическое соединение CuAl 2 , т. е.
+ (AlCu). Индекс «I» (первичный) показывает, что CuAl 2 образовалось при кристаллизации из жидкого состояния.

В остальных областях полностью затвердевшие сплавы будут иметь следующее строение:

В области IV – однородный твердый раствор меди в алюминии, т. е. Al(Cu);

В области V – твердый раствор меди в алюминии и вторичный
;

В области VI – твердый раствор меди в алюминии, вторичный CuAl 2 и эвтектика, т.е Al(Cu) +
+Al(Cu) + CuAl 2 ;

В области VII – первичный CuAl 2 и эвтектика, т. е.
+Al(Cu) + CuAl 2 .

Эвтектика этих сплавов представляет собой особую механическую смесь чередующихся мельчайших кристаллов твердого раствора меди в алюминии и металлического соединения CuAl 2 , т.е. Al(Cu) + CuAl 2 .

Все сплавы системы Al – CuAl 2 по структуре и концентрации можно разделить на четыре группы:

1-я группа содержит меди от 0 до 0,3 %;

2-я группа содержит меди от 0,3 до 5,6 %;

3-я группа содержит меди от 5,6 до 33,8 %;

4-я группа содержит меди от 33,8 до 54 %.

Рассмотрим строение сплавов системы Al – CuAl 2 .

На рис. 2, а показана структура сплава первой группы, состоящая из зерен твердого раствора меди в алюминии. Структура сплава второй группы приведена на рис. 2, б : видны зерна твердого раствора меди в алюминии и кристаллы вторичного CuAl 2 ,

Структура доэвтектического сплава (твердый раствор меди в алюминии, кристаллы вторичного CuAl 2 и эвтектика) приведена на рис. 2, в . Структура эвтектического сплава – эвтектика, состоящая из мельчайших кристалликов твердого раствора меди в алюминии и CuAl 2 дана на рис. 2, г . На рис. 2, д приведена структура заэвтектического сплава, состоящая из первичных кристаллов CuAl 2 и эвтектики.

В сплавах, содержащих эвтектику, можно по структуре определить содержание меди. Однако в этом случае надо учитывать количество меди, находящееся в эвтектике и в твердом растворе. Например, в доэвтектическом сплаве, содержащем 30 % эвтектики и 70 % твердого раствора, количество меди в эвтектике

,

а в твердом растворе

.

Следовательно, исследуемый сплав содержит k x + k y = 14,06 % меди, что соответствует точке А, лежащей на оси абсцисс диаграммы состояния системы Al – CuAl 2 (рис. 1).

При определении состава заэвтектических сплавов рассчитывают количество меди, находящееся в эвтектике и в химическом соединении
. Сумма этих количеств будет соответствовать содержанию меди в заэвтектическом сплаве. Химическое соединениеCuAl 2 отличается большой твердостью и хрупкостью.

В технике применяются преимущественно алюминиевые сплавы, содержащие 2…5 % меди, которые называются дуралюминами. Они хорошо обрабатываются давлением и имеют высокие механические свойства после термической обработки и нагартовки.

Дуралюмины применяют для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности ( в = 420…520 МПа), требующих долговечности при переменных нагрузках, в строительных конструкциях.

Из дуралюмина изготовляют обшивки, шпангоуты, стрингеры и лонжероны самолетов, силовые каркасы и кузова грузовых автомобилей и т. д.

Сплавы Al с Si называют силуминами. Они обладают хорошими литейными свойствами и содержат 4…13 % Si. Из диаграммы состояния этих сплавов (рис. 3) следует, что силумины представляют собой доэвтектические или эвтектические сплавы, содержащие в структуре значительные количества эвтектики.

Однако при литье в обычных условиях эти сплавы приобретают неудовлетворительное строение, так как эвтектика получается грубопластинчатой, с крупными включениями хрупкого кремния, что сообщает сплавам низкие механические свойства.

На рис. 4, а представлена структура силумина марки АЛ2, содержащего 11…13 % Si. В соответствии с диаграммой состояния алюминий – кремний сплав такого состава имеет эвтектическое строение. Эвтектика состоит из  -твердого раствора кремния в алюминии (светлый фон) и игольчатых крупных и хрупких кристаллов кремния. Игольчатые выделения частиц кремния создают внутренние острые надрезы в пластичном алюминии и приводят к преждевременному разрушению при нагружении.

Рис. 3. Диаграмма состояния системы Al–Si

Рис. 4. Силумин: а – до модифицирования, грубоигольчатая эвтектика (Al-Si) и первичные выделения кремния;б – после модифицирования, мелкодисперсная эвтектика

(Al-Si) и дендриты твердого раствора кремния и других элементов в алюминии

Введение модификатора меняет характер кристаллизации. Происходит смещение линий диаграммы состояния так, что сплав с 11…13 % кремния становится доэвтектическим.

В структуре появляются избыточные светлые зерна  -твердого раствора (рис. 4, б ).

Модификатор изменяет форму частиц кремния: вместо игольчатых выпадают мелкие равноосные, не создающие опасных концентраций напряжений при нагружении.

В результате модифицирования предел прочности у данных сплавов повышается с 130 до 160 МПа, а относительное удлинение с 2 до 4 %.

В сплавах, обрабатываемых давлением, содержание кремния менее 1%. В алюминиевых сплавах, содержащих магний, кремний связывается с ним в устойчивое металлическое соединение Mg 2 Si; оно образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа с ограниченными твердыми растворами (рис. 5).

Соединение Mg 2 Si отличается высокой твердостью, его переменная растворимость в алюминии позволяет достигать значительного упрочнения при термической обработке.

В электротехнике применяют алюминиевые сплавы типа альдрей, легированные магнием и кремнием. При старении закаленных сплавов Mg 2 Si выпадает из твердого раствора и упрочняет его. В результате такой обработки удается получит предел прочности до 350 МПа при относительном удлинении 10-15 %. Существенно, что электрическая проводимость такого сплава составляет 85 % электрической проводимости проводникового алюминия. Это обусловлено тем, что из твердого раствора при старении почти полностью удаляется Mg 2 Si и сплав состоит из чистого алюминия и упрочняющей фазы (Mg 2 Si).

Р
ис. 6. Диаграмма состояния системыAl–Mg

Магний образует с алюминием твердые растворы, а также  -фазу на основе соединения Mg 2 Al 3 . В большинство алюминиевых сплавов вводится магния не более 3 %, но в некоторых литейных сплавах типа магналия содержание его доходит до 12 %.

Как видно из рис. 6, в сплавах алюминия с магнием образуется эвтектика. Растворимость магния в алюминии сильно меняется с изменением температуры.

В качестве примера можно привести сплав АЛ8. В литом состоянии он имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора магния в алюминии и включений хрупкого соединения Al 3 Mg 2 .

После литья проводится гомогенизация при температуре 430 С в течение 15…20 часов, затем следует закалка в масле.

В процессе гомогенизации включения Al 3 Mg 2 полностью переходят в твердый раствор. Закаленный сплав приобретает достаточную прочность ( в = 300 МПа) и большую пластичность. Одновременно сплав приобретает высокую коррозионную стойкость. Старение для сплава АЛ8 является вредным: резко снижается пластичность и ухудшается коррозионная стойкость.

Цинк вводится в некоторые высокопрочные алюминиевые сплавы в количестве до 9 %. В двойных сплавах с алюминием при температуре выше 250 С цинк (в этих пределах) находится в твердом растворе (рис. 7).

Рис. 7. Диаграмма состояния системыAl–Zn

Все высокопрочные сплавы имеют сложный химический состав. Так, сплав В95 содержит 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Cu, 0,4 % Mn и 0,15 % Cr. Цинк, магний и медь образуют с алюминием твердые растворы и металлические соединения MgZn 2 , Al 2 CuMg – S-фаза, Mg 4 Zn 3 Al 3 – T-фаза. При нагревании эти металлические соединения растворяются в алюминии.

Например при температуре 475 ºС растворимость MgZn 2 в алюминии повышается до 18 % (рис. 8).

После закалки и искусственного старения сплав В95 имеет  в = 600 МПа,  = 12 %. Марганец и хром усиливают эффект старения и повышают коррозионную стойкость сплава.

(мас.)

Рис. 8. Диаграмма состояния системы Al–MgZn 2

Правила техники безопасности

1. Соблюдать все меры предосторожности и правила техники безопасности при приготовлении микрошлифов.

2. При шлифовании микрошлифа следует чаще охлаждать образец, чтобы не допускать ожогов пальцев рук.

3. При травлении шлифов пользоваться резиновыми перчатками.

4. При изучении структуры сплава на микроскопе следует убедиться, что он надежно заземлен.

5. Следует пользовать только исправным инструментом и оснасткой.

Порядок выполнения работы

1. Изучить диаграмму состояний алюминиевых сплавов.

2. Дать характеристику заданного сплава (структуру, фазовые превращения, состав, свойства, область применения).

3. Зарисовать структуру исследуемого сплава.

Зарисовки микроструктур изученных сплавов с указанием фаз и структурных составляющих.

Копирование диаграммы фазового равновесия, указанной преподавателем.

Для сплава заданного состава описание всех фазовых превращений при нагреве или охлаждении и определение химического состава фаз.

Контрольные вопросы

Почему коррозионная стойкость многих алюминиевых сплавов ниже коррозионной стойкости чистого алюминия?

Можно ли по микроструктуре сплава определить тип сплава – литейный или деформируемый?

Какова структура деформируемых алюминиевых сплавов, не упрочняемых термической обработкой?

Каким путем достигается упрочнение однофазных алюминиевых сплавов?

Какова упрочняющая термическая обработка двухфазных алюминиевых сплавов?

Что является целью закалки дуралюмина?

Каковы основные механические свойства дуралюмина?

Какие сплавы называются силуминами?

Какова удельная прочность алюминиевых сплавов?

Основные легирующие элементы в алюминиевых сплавах.

Al-Mg (Aluminum-Magnesium) J.L. Murray The equilibrium solid phases of the Al-Mg system are (1) the fcc (Al) solid solution, with a maximum solubility of Mg in (Al) of 18.9 at.% at a eutectic temperature of 450 C; (2) the cph (Mg) solid solution, with a maximum solubility of Al in (Mg) of 11.8 at.% at a eutectic temperature of 437 C; (3) the b compound of approximate stoichiometry Al3Mg2, with a complex fcc structure (at low temperature, b transforms martensitically to another structure that may be a distortion of the b structure, but the equilibrium phase relations have not been investigated); (4) the line compound R (often designated e), of composition 42 at.% Mg; and (5) the compound g, with the aMn structure (at 450 C, g has a maximum composition range of approximately 45 to 60.5 at.% Mg, but the ideal crystal structure has the stoichiometry Al12Mg17 at 58.6 at.% Mg). The phase boundaries in the assessed phase diagram were obtained from thermodynamic calculations, with the exception of the single-phase b field. For the b phase, a line compound was used in the calculations, although b is known to exist over a range of composition. The present diagram is based on a review of the work of , , , , , , [ 45But], , and . Supersaturated (Al) solid solutions are readily obtained, and decomposition proceeds by the formation of spherical GP zones. A possible spinodal ordering mechanism has been proposed for the transformation. Continued decomposition of the supersaturated solution occurs by the formation of a nonequilibrium phase denoted b› and a solid solution with less Mg content than the equilibrium, and then the formation of the equilibrium b phase. By rapid quenching techniques, the solubility of Mg in (Al) can be extended significantly beyond the equilibrium maximum solid solubility. extended the solid solubility to 36.8 at.% Mg; in a 40 at.% Mg alloy, the b phase was obtained. solidified alloys of composition 25 to 55 at.% Mg at cooling rates ranging from 102 to 108 C/s. At the lower cooling rates, b, g›, and g were formed; at higher cooling rates, a new phase, denoted f, was observed. [ 78Sur], using a "liquisol" quench, found that a metastable solid solution and a metastable phase appeared in a 30 at.% Mg alloy. Based on the structure, the new phase was identified as having the stoichiometry Al2Mg. found only a, g›, or g in splat-cooled specimens of composition between 0 and 63 at.% Mg, and no b or R phase. Specimens were fully (Al) up to 38.35 at.% Mg, beyond which the g› phase appeared. 33Sch: E. Schmid and G. Siebel, Z. Phys., 85, 37-41 (1933) in German. 35Hau: J.L. Haughton and R.J.M. Payne, J. Inst. Met., 57, 287-298 (1935). 35Zak: M.I. Zakharowa and W.K. Tschikin, Z. Phys., 95, 769-774 (1935) in German. 38Hum: W. Hume-Rothery and G.V. Raynor, J. Inst. Met., 63, 201-226 (1938). 38Kur: N.S. Kurnakov and V.I. Micheeva, Izv. Sekt. Fiz-Khim. Anal., 10, 37-66 (1938) in Russian. 39Sie: G. Siebel and H. Vosskuehler, Z. Metallkd., 31(12), 359-362 (1939) in German. 45But: E. Butchers and W. Hume-Rothery, J. Inst. Met., 71, 291-311 (1945). 64Luo: H.L. Luo, C.C. Chao, and P. Duwez, Trans. AIME, 230, 1488-1490 (1964). 70Ban: J. Bandyopadhyay and K.P. Gupta, Trans. Indian Inst. Met., 23(4), 65-70 (1970). 73Gud: V.N. Gudzenko and A.F. Polesya, Izv. V.U.Z. Tsvetn. Met., (4), 144-148 (1973). 78Pre: B. Predel and K. Hulse, Z. Metallkd., 69(10), 661-666 (1978) in German. 78Sur: C. Suryanarayana, S.K. Tiwari, and T.R. Anantharaman, Z. Metallkd., 69, 155-156 (1978). 79Sti: W. Stiller and H. Hoffmeister, Z. Metallkd., 70(12), 817-824 (1979). Published in Phase Diagrams of Binary Magnesium Alloys, 1988, and Bull. Alloy Phase Diagrams, 3(1), Jun 1982. Complete evaluation contains 4 figures, 15 tables, and 112 references. Special Points of the Al-Mg System

К сплавам системы Al-Mg относится большая группа широко используемых в промышленности сплавов: АМг0,5; ; ; ; ; ; . Из них изготавливают почти все виды полуфабрикатов: листы, плиты, поковки, штамповки, прессованные изделия (прутки, профили, панели, трубы) и проволоку. Все сплавы рассматриваемой группы хорошо свариваются всеми видами сварки.

Полуфабрикаты из этих сплавов имеют относительно высокий уровень прочностных характеристик по сравнению с другими термически неупрочняемыми сплавами. Так, минимальные значения предела текучести для листового материала (толщина ~2 мм) в отожженном состоянии для указанного ряда сплавов соответственно равны 30, 40, 80, 100, 120,150 и 160 МПа. Временное сопротивление, как правило, в два раза выше предела текучести, что свидетельствует об относительно высокой пластичности этих сплавов. Однако они довольно быстро нагартовываются, что отрицательно влияет на их технологическую пластичность. Последняя значительно понижается с увеличением концентрации магния. Поэтому сплавы с содержанием магния более 4,5 % можно отнести к «полутвердым» и даже «твердым» сплавам.

Отрицательная роль повышенного содержания магния в большей степени проявляется при изготовлении прессованных изделий. Сплавы с высоким содержанием магния прессуются с низкими скоростями (в десятки раз меньшими, чем, например, некоторые сплавы системы Al-Zn-Mg или Al-Mg-Si), что существенно понижает производительность прессовых цехов. Производство катаных полуфабрикатов из сплава АМг6 - процесс трудоемкий. Поэтому в последнее время высоколегированные магналии стали заменять более технологичными сплавами, например, сплавами на основе системы Al-Zn-Mg (1935, 1915, 1911), которые значительно превосходят сплав АМг6 по прочностным свойствам (особенно по пределу текучести) и не уступают ему по многим коррозионным характеристикам.

Низколегированные магналии с содержанием магния до 3 % найдут еще более широкое применение вследствие их высокой коррозионой стойкости и пластичности. Согласно диаграмме состояния сплавов Al-Mg, при температуре эвтектики в алюминии растворяется 17,4 % Mg. При понижении температуры эта растворимость резко снижается и в области комнатных температур составляет примерно 1,4 %.

Таким образом, сплавы с большим содержанием магния в обычных условиях имеют пересыщение по этому элементу (зависящее от марки сплава), и, следовательно, в них должен проявляться эффект старения. Однако структурные изменения, протекающие в этих сплавах в процессе распада твердого раствора, практически не оказывают никакого влияния на уровень прочностных характеристик и в то же время резко изменяют коррозионную стойкость полуфабрикатов. Причина такого аномального поведения заключается в характере распада твердого раствора и фазовом составе выделений. Поскольку для сплавов Al-Mg верхняя температурная граница образования зон ГП (или критическая температура растворимости зон ГП - t K) значительно ниже комнатной температуры, то распад твердого раствора происходит по гетерогенному механизму с образованием переходной (В`) и равновесной (В-Mg 2 Al3) фаз. Эти выделения зарождаются гетерогенно на границах раздела (зерна, интерметаллидные частицы и т. п.), а также дислокациях и поэтому их вклад в процесс упрочнения невелик и полностью компенсируется степенью разупрочнения, обусловленного снижением концентрации магния в твердом растворе. По этой причине на практике и не наблюдается эффекта упрочнения сплавов этой группы при распаде твердого раствора в процессе естественного или искусственного старения пли при различных режимах отжига.

Фаза В в нейтральном водном растворе хлоридов (3 % NaCl) имеет отрицательный потенциал коррозии, равный - 0,930 В. В этом же растворе, но при меньших значениях рН, т. е. в кислой среде, разница потенциалов между фазой и твердым раствором хотя и уменьшается, но остается достаточно большой: (-0,864 В) - - (-0,526 В) =0,338 В. И, наоборот, в щелочной среде (3% NaCl+1% NaOH) алюминий и сплавы алюминия, содержащие 1- 9 % Mg, становятся отрицательнее В-фазы, и разница потенциалов для крайних значений указанной области концентрации магния соответственно составляет +0,24 и +0,18 В. Рассмотренные особенности изменения электрохимических характеристик отдельных структурных составляющих сплавов А1-Mg в зависимости от внешней среды в основном и определяют сопротивление этих сплавов МКК, РСК и КР.

Из изложенного следует, что сплавы с содержанием магния более 1,4% потенциально могут быть чувствительны к одному, двум или всем указанным ранее видам коррозии. Однако большой опыт эксплуатации конструкций и многочисленные эксперименты показывают, что практически сплавы с концентрацией магния, не превышающей 3,5% (AMrl, АМг2 и частично АМг3), не проявляют чувствительности к КР и РСК (рис. 56).

Электронно-микроскопические исследования показывают, что это связано с дискретным распределением частиц В-фазы по границам зерен в связи с малым пересыщением твердого раствора. Поэтому процесс коррозии в нейтральных и кислых средах ограничивается лишь только электрохимическим растворением тех частиц, которые выходят на поверхность сплава, непосредственно контактирующего с электролитом.

Такие сплавы коррозионно устойчивы и в нагартованном состоянии, т. е. хотя нагартовка и ускоряет распад твердого раствора, однако она не изменяет характера распределения выделений на границах зерен. В то же время за счет благоприятного в этом случае влияния структурной анизотропии сопротивление коррозионному питтингу существенно возрастает. Сплавы с содержанием магния более 3,5 % (АМг3, АМг4) и особенно более 5 % (АМг5, АМг6) в определенном структурном состоянии и при определенных условиях внешней среды могут быть чувствительны к МКК и РСК, а также и к КР.

Для сплавов системы Al-Mg электрохимические факторы в коррозионном растрескивании играют значительно большую роль, чем для сплавов других систем. Поэтому предотвращение образования пленки В-фазы по границам зерен целесообразно и для повышения сопротивления КР. В производственных условиях именно такой способ повышения сопротивления КР среднелегированных магналиев нашел широкое распространение.

Для малолегированных сплавов с содержанием магния более 1,4 % использование методов термической и термомеханической обработки, способствующих равномерному распределению В-фазы играет меньшую роль, чем для средне- и высоколегированных. Однако в полунагартованном состоянии, полученном с использованием эффекта НТМО, кроме появления структурной анизотропии, тормозящей распространение коррозии вглубь, положительное влияние оказывает, по-видимому, также более равномерное распределение В-фазы. Например, глубина коррозии на листах из сплава АМг2, подвергнутых ТМО, значительно уменьшается по сравнению с глубиной коррозии на обычных нагартованных листах.

Рост глубины локальных поражений у сплава АМг2 в отожженном состоянии в условиях морской атмосферы можно также частично связать с неоднородностью выделений В-фазы. Таким образом, для сплава АМг2 целесообразно использовать технологию, позволяющую получать равномерное распределение избыточной фазы. Однако и при использовании обычной технологии малое содержание легирующих элементов оказывается решающим фактором в определении коррозионной стойкости этого сплава. Подтверждением этому служит достаточно высокая коррозионная стойкость сплава АМг2 в разных средах.

Характерным примером является поведение магналиев в морской воде. Сплав типа АМг2 после 10 лет испытаний имел коррозионную стойкость, весьма близкую к той, которую он имеет в морской атмосфере (табл. 30).

Сплав типа АМг4 имеет значительно большую глубину коррозионного питтинга в морской воде, чем сплав типа АМг2. Для сплава типа АМг5 максимальная глубина питтинга возрастает еще более резко.

Таким образом, в морской воде существует четкая корреляция между чувствительностью к структурной коррозии (т. е. коррозионному растрескиванию и расслаивающей коррозии) и обычным питтингом. С ростом степени легированности возрастает пересыщение твердого раствора и соответственно чувствительность к структурной коррозии, связанная с тенденцией к избирательному выделению В-фазы. В этой связи для сплавов АМг4, АМг5 и особенно АМг6 возрастает роль технологических факторов, обусловливающих равномерное распределение В-фазы в сплаве.

Одним из эффективных способов повышения коррозионной стойкости среднелегированных магналиев является ТМО. В соответствии с этим максимальное сопротивление РСК и КР может быть достигнуто лишь при формировании в полуфабрикатах полигонизованной структуры в сочетании с равномерным распределением второй фазы. Положительных результатов можно добиться, используя также на окончательной стадии обработки режимы отжигов с температурой ниже линии растворимости магния в алюминии. При этом следует учитывать, что полуфабрикаты с разной степенью рекристаллизации ведут себя по-разному. В настоящее время конструкции изготавливают из отожженных полуфабрикатов с частично (прессованные и горячекатаные полуфабрикаты) и полностью рекристаллизованной (холоднокатаные листы и трубы) структурой. Поскольку в зависимости от характера структуры изменяются корреляционные связи между технологическими параметрами и коррозионными свойствами, рассмотрим влияние отжига раздельно для холодно- и горячедеформированных полуфабрикатов.

Отличительная особенность алюминия - небольшая плотность (2,7 г/см 3), невысокая температура плавления (660°С), сравнительно небольшое электросопротивление, всего в 1,51 раза больше, чем у меди. Алюминий обладает гранецентрированной кубической решеткой и в чистом виде является очень мягким пластичным металлом. Как химический элемент алюминий должен был бы медленно разлагать воду подобно кальцию, однако имеющаяся на его поверхности окисная пленка надежно защищает металл от взаимодействия как с водой, так и с кислородом воздуха. Благодаря этой прочной, очень тонкой и прозрачной окисной пленке алюминий способен длительное время сохранять блестящий вид.

Чистый алюминий широко применяется в качестве электропроводящего материала; на основе алюминия создано большое число сплавов, используемых, главным образом, в авиации. В последние годы алюминиевые сплавы активно внедряются в автомобилестроение, пищевую промышленность (упаковочный материал) и бытовую технику. Особенно бурно растет применение алюминия в строительстве как отделочного и декоративного материала, очень стойкого в условиях атмосферной коррозии. Мировое производство алюминия увеличивается очень быстро: за 18 лет (с 1955 по 1973 г.) оно возросло в 4 раза. Стоимость алюминия примерно в 5 - 10 раз выше, чем углеродистой стали.

Промышленностью выпускается несколько сортов алюминия, различающихся общим содержанием примесей - от 0,001 до 1,0%. Основные естественные примеси в алюминии - железо и кремний. На диаграмме состояния алюминий - кремний (рис. 55) имеется эвтектическая точка при 577°С и 11,7% Si. Растворимость кремния в твердом алюминии при этой температуре составляет 1,6%. С понижением температуры до 200°С она уменьшается до 0,05%. Диаграмма состояния алюминий - железо сложная, с несколькими промежуточными фазами. Наиболее богатым алюминием является соединение FeAl 3 . Между ним и алюминием имеется эвтектическая точка при 655°С и 1,8% железа (рис. 56). Растворимость железа в твердом алюминии при эвтектической температуре составляет 0,05%, ниже 400°С она падает до нуля. Это означает, что в двойных доэвтектических сплавах алюминия с железом последнее всегда выделяется в виде включений фазы FeAl 3 , которые имеют либо эвтектическое происхождение, либо появляются из-за распада твердого раствора. Эвтектические выделения могут образовываться при значительно меньших концентрациях железа чем 0,05% из-за неравновесной кристаллизации.

В алюминии, содержащем одновременно железо и кремний, кроме указанных фаз, характерных для двойных систем, могут появляться и сложные тройные соединения -α-FeAlSi и β-FeAlSi. Они могут появляться непосредственно при кристаллизации в случае больших содержаний примесей или в результате распада твердого раствора. Примеси железа и кремния в алюминии являются вредными, так как существенно снижают его пластические свойства. Обе эти примеси не только содержатся в первичном алюминии, их количество непрерывно увеличивается в алюминиевых сплавах при переплавах из-за взаимодействия с кремнеземом огнеупоров и стальным плавильным инструментом (ложками, скребками). Однако имеется много сплавов, куда кремний и иногда железо вводят намеренно.

Особенность алюминия как основы сплавов состоит в том, что он ни с одним металлом не дает непрерывных твердых растворов. Только в системе с цинком (рис. 57) при повышенных температурах имеется достаточно большая область твердых растворов. В подавляющем большинстве случаев в двойных системах алюминий - металл появляются хрупкие промежуточные фазы. Следовательно, упрочнять алюминий посредством образования твердых растворов возможно лишь в ограниченной степени. Поэтому используют другой путь упрочнения - посредством образования частиц соединений в матрице твердого раствора. Этот путь неизбежно предопределяет использование закалки и старения. Ограниченность же области твердых растворов на основе алюминия вынуждает задавать такое содержание каждого легирующего компонента, которое не приводило бы к появлению излишнего количества хрупких промежуточных фаз.

Деформируемые алюминиевые сплавы, как правило, содержат 2 - 3 и более легирующих компонентов в количествах от 0,2 до 2 - 4% каждого. Исключение составляет лишь двойной сплав АМц с 1,0 - 1,6% Мn. Марганец входит в состав большинства деформируемых алюминиевых сплавов в количестве 0,2 - 1,5%. Его назначение состоит в том, что он существенно замедляет рекристаллизацию, повышает температуру этого процесса и тем самым упрочняет сплав при повышенных температурах, измельчает рекристаллизованное зерно, входит в состав сложных соединений, которые придают сплавам жаропрочность.

Большинство деформируемых алюминиевых сплавов способно воспринимать закалку (без полиморфного превращения) и старение и в результате этого существенно упрочняться. Типичные легирующие компоненты рассматриваемых сплавов, кроме марганца, - медь, магний, кремний, цинк. В специальных жаропрочных сплавах содержатся железо, никель, хром, титан в количестве 0,2 - 1%. Во всех алюминиевых сплавах введение 0,1 - 0,2% титана вызывает сильное измельчение зерна в литом состоянии. Этот эффект частично сохраняется и после рекристаллизации. В некоторые сплавы вводят бериллий (0,001 - 0,002%) для уменьшения окисления при плавке.

На рис. 58 и 59 представлены двойные диаграммы состояния алюминия с медью и магнием. В обоих случаях с повышением температуры наблюдается существенное изменение растворимости легирующих элементов в алюминии. Подобное же изменение растворимости отмечается и в многокомпонентных системах, что и обеспечивает возможность упрочняющей термообработки. Однако в сложных сплавах в равновесии с алюминиевым раствором будут находиться сложные по составу и строению фазы согласно соответствующим диаграммам состояния.

Типичными деформируемыми алюминиевыми сплавами являются так называемые дюралюмины - сплавы алюминия с медью, магнием и марганцем. Составы некоторых типичных деформируемых алюминиевых сплавов приведены в табл. 5. Там же приведен состав по примесям одной из марок алюминия.

Таблица 5. Состав некоторых алюминиевых деформируемых сплавов

Механические свойства указанных сплавов в различном состоянии приведены в табл. 6. Как видно, в результате легирования, нагартовки и термической обработки удается в несколько раз повысить прочность (со 100 до 560 МПа) и твердость НВ (20 - 150) алюминия. У высокопрочных алюминиевых сплавов удельная прочность, т. е. отнесенная к плотности, оказывается больше, чем у сталей и других сплавов. Именно это и предопределяло их применение в летательных аппаратах.

Деформируемые алюминиевые сплавы, кроме закалки и старения, часто подвергают отжигу-гомогенизации. Это объясняется тем, что из-за неравновесной кристаллизации в сплавах возникает очень сильная дендритная ликвация и появляются неравновесные эвтектические составляющие. Особенно сильно ликвируют магний и медь. Так, по равновесной диаграмме состояния эвтектическая составляющая в сплавах алюминий - медь должна была бы появляться только при 5,65% Сu, а она появляется уже при 1,6 - 2% Сu. Особенностью нагрева под закалку алюминиевых сплавов является необходимость очень строгого поддержания температуры (±5°), чтобы не допустить пережога (оплавления) и чтобы достичь наибольшего эффекта термической обработки. Так, сплавы Д16 и АК8 закаливают с температуры 495 - 505°С, а сплав В95 - с 465 - 480°С. Закалка проводится в воде. Алюминиевые сплавы после закалки подвергают естественному (20°С, 4 - 5 сут) или искусственному старению. Искусственное старение в зависимости от состава сплава проводят при 120 - 195°С 6 - 12 ч. Рекристаллизационный отжиг ведут при 300 - 350°С (чистый алюминий) и при 350 - 420°С (сплавы).

Как уже отмечалось, чистый алюминий обладает большой стойкостью против атмосферной коррозии. Сплавы алюминия, содержащие медь и цинк, значительно хуже в этом отношении. Двойные сплавы с марганцем и магнием (АМц и АМг) очень хорошо сопротивляются атмосферной коррозии.

Таблица 6. Механические свойства алюминия и некоторых деформируемых сплавов в различном состоянии

Литейные алюминиевые сплавы содержат почти те же легирующие компоненты, что и деформируемые, но в значительно большем количестве и на соответствующих диаграммах состояния литейные сплавы расположены ближе к эвтектическим концентрациям. Как было показано в § 18, только такие сплавы обладают необходимыми литейными технологическими свойствами, позволяющими получать из них здоровые фасонные отливки.

Многие литейные алюминиевые сплавы построены на основе системы алюминий - кремний (см. рис. 55) и называются силуминами . Двойная эвтектика алюминий - кремний имеет очень грубую структуру, кремний выделяется в виде больших пластин (на шлифах - в виде игл) (рис. 60, а). Поэтому такие сплавы подвергают модифицированию, которое заключается в том, что в расплав перед разливкой вводят натрий, образующийся в результате обменной реакции с флюсом, содержащим фтористый натрий. Под действием тысячных долей процента натрия выделения кремния резко измельчаются (рис. 60, б), а прочность и пластичность сплава возрастают.

Значительная группа алюминиевых литейных сплавов основана на тройной системе алюминий - кремний - медь и на двойной системе алюминий - магний. Особую группу составляют жаропрочные алюминиевые сплавы, содержащие 4 - 5% меди и небольшие добавки переходных металлов. Литейные свойства таких сплавов очень невысоки.

Многие алюминиевые литейные сплавы подвергают различным видам термической обработки. Приняты следующие обозначения режимов термообработки: Т1 - старение (после литья без закалки), Т2 - отжиг, Т4 - закалка, Т5 - закалка и частичное старение, Т6 - закалка и полное старение до наибольшей твердости, Т7 - закалка и стабилизирующий отпуск, Т8 - закалка и смягчающий отпуск. Свойства алюминиевых литейных сплавов существенным образом зависят от способа литья, где решающую роль играют скорость охлаждения при затвердевании отливки и в процессе охлаждения (для сплавов, воспринимающих закалку). В общем случае увеличение скорости отвода тепла вызывает повышение прочностных и пластических свойств. Поэтому механические свойства отливок, полученных литьем в песчано-глинистые формы и по выплавляемым моделям, оказываются более низкими, чем при литье в кокиль, а при литье под давлением свойства настолько повышаются из-за очень резкого охлаждения, что, например, для силуминов оказывается ненужным модифицирование натрием. По этой же причине при литье в кокиль и под давлением допускается большее содержание вредной примеси железа.

Таблица 7. Состав некоторых литейных алюминиевых сплавов

В табл. 7 приведены составы некоторых наиболее распространенных литейных алюминиевых сплавов, а в табл. 8 - их механические свойства.

Сплав AЛ2 - простой двойной силумин эвтектического состава, не воспринимающий закалку. Термообработка его сводится к отжигу после литья для снятия напряжений. Сплав АЛ4 - силумин доэвтектического состава, в который введен магний, что обеспечивает возможность закалки и старения в результате переменной растворимости соединения Mg 2 Si в алюминии. Оба эти сплава подвергаются модифицированию натрием. Сплав АЛ10В (АК5М7) построен на основе системы алюминий - кремний - медь с добавками магния. Закалка и старение сплава обеспечиваются переменной растворимостью в алюминии сложных соединений, а хорошие литейные свойства - достаточным количеством двойной эвтектики А1-Si и тройной эвтектики А1-Si-Al 2 Cu. Сплав АЛ8 является практически двойным сплавом алюминия с магнием. Он по составу находится далеко от эвтектической точки, имеет большой интервал кристаллизации и поэтому обладает невысокими литейными свойствами. Однако хорошие механические свойства - пониженная плотность (2,55 г/см 2), отличная коррозионная стойкость - обусловливают достаточно широкое его применение. Увеличение содержания магния и приближение к эвтектическому составу позволило бы улучшить литейные свойства, однако при этом становится невозможной обычная плавка без покровных флюсов, так как расплав сильно окисляется. Сплав АЛ 19 - это типичный высокожаропрочный материал, способный работать при 300°С.

Таблица 8. Механические свойства литейных алюминиевых сплавов

Во всех литейных алюминиевых сплавах допускается 0,8 - 1,2% железа как примеси, неизбежно попадающей в металл при переплавках. Поэтому во всех сплавах оговорено содержание марганца, который ослабляет вредное действие железа, переводя иглообразные выделения железной составляющей в компактные.

Имеется очень большая группа алюминиевых сплавов, получаемых путем переплавки отходов и выпускаемых в виде чушек. Раньше эти сплавы называли вторичными. По составу они почти не отличаются от обычных алюминиевых литейных сплавов, но в них содержится повышенное количество железа и некоторых неконтролируемых примесей, в частности кислорода в виде пленок окиси алюминия. Эти сплавы обозначают марками с добавлением буквы "ч" (в чушках).

В последние годы появились антифрикционные двойные сплавы на основе алюминия, содержащие сурьму, олово, медь, свинец в количестве 3 - 6%. Сплавы предназначены для вкладышей подшипников скольжения. Алюминиевые сплавы этого типа получают в виде слоя на стальной ленте обработкой давлением. Вкладыши из сплава алюминий - свинец получают методом порошковой металлургии. Характерной особенностью антифрикционных алюминиевых сплавов (как и вообще антифрикционных сплавов) является двухфазная структура, причем фазы обладают существенно разной твердостью. В процессе работы при трении с шейкой стального вала мягкая фаза вырабатывается сильнее и образующиеся зазоры служат естественными каналами, по которым смазка распределяется по всей поверхности трения. В сплаве алюминия с сурьмой и медью твердой фазой являются соединения AlSb и А1 2 Сu, а мягкой - сам алюминий. В сплавах с оловом и свинцом именно эти металлы образуют мягкие прослойки по границам более твердых зерен алюминия.

На основе алюминия производится большое количество разнообразных сплавов, отличающихся малой плотностью (до 3 г/см 3), высокими коррозионной стойкостью, теплопроводностью, электропроводностью, жаропрочностью, прочностью и пластичностью при низких температурах, хо­рошей светоотражательной способностью. На изделия из алюминиевых сплавов легко наносятся защитные и декоративные покрытия, они легко обрабатываются резанием и свариваются контактной сваркой.

Алюминиевые сплавы наряду с основным металлом-алюминием могут содержать один или бо­лее из пяти основных легирующих компонентов: медь, кремний, магний, цинк и марганец, а также железо, хром, титан, никель, кобальт, серебро, литий, ванадий, цирконий, олово, свинец, кадмий, висмут и др. Легирующие компоненты при достаточно высокой температуре полностью растворяются в жидком алюминии. Растворимость в твердом состоянии с образованием твердого раствора для всех элементов ограничена. Нерастворившиеся частицы или образуют в структуре сплава самостоятельные, чаще всего твердые и хрупкие кристаллы, или присутствуют в виде чистых эле­ментов (кремния, олова, свинца, кадмия, висмута), или в виде интерметаллических соединений с алюминием (А 2 Cu; Al 3 Mg 2 ; Аl 6 Mn; АlMn; Al 3 Fe ; А 7 Сг; Al 3 Ti ; Al 3 Ni ; AlLi ).

В сплавах с двумя или тремя легирующими компонентами интерметаллические соединения входят в состав двойных (Mg 2 Si , Zn 2 , Mg ), тройных [ α (AlFeSi )] и более сложных фаз.

Образующийся твердый раствор и наличие гетерогенных структурных составляющих опреде­ляют физические, химические и технологические свойства сплавов. Влияние легирования на структуру сплавов описывается диаграммой состояния, по которой определяется характер проте­кания процесса затвердевания, состав образующихся фаз и возможность различных превращений в твердом состоянии. На рис. 1 - 9 рассмотрены диаграммы состояния двойных и тройных алюминиевых сплавов.

Сплав системы Al -Cu. Из диаграммы видно, что при содержании меди от 0 до 53% имеет место простая эвтектическая система Аl(α ) – Аl 2 Cu(θ) с эвтектикой при температуре 548°С и содержании 33% Cu. Максимальная растворимость (при эвтектической температуре) меди в α -твердом растворе - 57%. Растворимость меди уменьшается с понижением температуры и при температуре 300°С составляет 0,5%. Нерастворившаяся медь находится в равновесном состоянии в виде фазы А 2 Cu. При средних температурах в результате распада пересыщенного твердого рас­твора образуются метастабильные промежуточные фазы (θ " и θ ").

Сплав системы Al - Si . Система чисто эвтектическая, существующая при температуре 577°С и содержании 12,5% Si . В α -твердом растворе при этой температуре растворяется 1, 6 % Si . На кристаллизацию эвтектического кремния может влиять незначительная добавка натрия. При этом происходит зависимое от скорости затвердевания переохлаждение и смещение эвтектической точки с соответствующим измельчением эвтектической структуры.

Сплав системны Al - Mg . Область содержания магния в сплаве от 0 до 37,5% является эвтектической. Эвтектика существует при температуре 449°С и содержании 34,5% Mg . Рас­творимость магния при этой температуре максимальная и составляет 17,4%. При температуре 300°С в α -твердом растворе растворяется 6,7% Mg ; при 100°С - l ,9% Mg . Нерастворившийся магний находится в структуре чаще всего в виде β -фазы (Al 3 Mg 2 ).

Сплав системы Al - Zn . Сплавы этой системы образуют эвтектическую систему при температуре 380°С с богатой цинком эвтектикой при содержании 97% Zn . Максимальная растворимость цинка в алюминии - 82%. В области α -твердого раствора ниже температуры 391°С имеется разрыв. Обогащенная цинком α -фаза при температуре 275°С распадается с образованием эвтектической смеси алюминия с 31,6% Zn и цинка с 0,6%Аl. Далее растворимость цинка понижается и при температуре 100°С она составляет всего 4%.

Диаграммы состояния сплавов систем Al -Mn , Al - Fe свидетельствуют о существовании эвтектики при очень малых концентрациях легирующих элементов. За исключением марганца растворимость элементов в твердом состоянии незначительна, например, железа < 0,05%.

В сплавах систем Al - Ti (см. рис. 1.14), Аl- C r растворимость элементов составляет десятые доли процента.

В сплаве системы Al -Рb с понижением температуры происходит разделение компонентов уже в расплаве с образованием двух жидких фаз. Затвердевание начинается практически при температуре плавления алюминия и заканчивается при температуре плавления легирующего элемента (моноэвтектическая кристаллизация).

Сплав системы Al - Mg - Si состоит из двух тройных эвтектик. Тройная эвтектика Al - Mg 2 S i - Si , содержащая 12% Si и 5% Mg , плавится при температуре 555°С. Эвтектика Al - Mg 2 Si - AlbMg 2 с температурой плавления 451°С почти не отличается от двойной системы Al - Al 3 Mg 2 . Линия ликвидуса, соединяющая обе тройные эвтектические точки, переходит через максимум при температуре 595°С точно по квазибинарному сечению (8,15% Mg и 4,75% Si ). Благодаря избытку магния (по отношению к Mg 2 Si ) растворимость кремния в α -твердом растворе сильно уменьшается. Сплавы Al - Mg , особенно литейные, содержат несколько десятых процента кремния и поэтому относятся к частичной системе Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .

Сплав системы Al - Cu - Mg . Диаграмма состояния этой системы показывает, что наряду с двойными фазами A 3 Mg 2 (β ) и Аl 2 Cu(θ) в равновесии с твердым раствором α могут находится две тройные фазы S и Т. За перитектическим превращением при высоком содержании меди образуется близко к квазибинарному сечение A l- S (температура эвтектики 518°С) и частичная эвтектическая область Al - S - Al 2 Cu (температура эвтектики 507°С). Богатая магнием фаза Т (Al 6 Mg 4 Cu ) возникает на основе фазы S в результате перитектической четырехфазной реакции при температуре 467°С. При температуре 450°С происходит последующая перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в β.

Сплав системы Al - Cu - Si . Диаграмма состояния сплава показывает, что алюминий образует с кремнием и фазой А 2 Cu простую тройную эвтектическую частичную систему (температура эвтектики 525°С). Совместное присутствие меди и кремния не влияет на взаимную растворимость их в α -твердом растворе.

Сплав системы Al - Zn - Mg . В построении алюминиевого угла системы участвуют двойные фазы Al 3 Mg 2 , MgZn 2 и тройная фаза Т, отвечающая среднему химическому составу Al 2 Mg 3 Zn 3 . Сечения Al - MgZn 2 и Al -Т остаются квазибинарными (температура эвтектики 447°С). В частичной области Al - T - Zn при температуре 475°С имеет место перитектическая четырехфазная реакция, по которой фаза Т превращается в фазу MgZn 2 . В дальнейшем при прохождении четырехфазной реакции при температуре 365°С из фазы MgZn 2 при высоком содержании цинка образуется фаза MgZn 5 , которая вместе с алюминием и цинком кристаллизуется по эвтектической реакции при температуре 343°С.

В сплавах на основе алюминия легирование основными компонентами предусматривается та­ким образом, чтобы их суммарное содержание находилось ниже максимальной растворимости. Исключение составляет кремний, который благодаря благоприятным механическим свойствам эвтектики используется в эвтектической и заэвтектической концентрациях.

Примеси и добавки могут видоизменить диаграмму состояния лишь незначительно. Эти элементы чаще всего слабо растворяются в твердом растворе и образуют гетерогенные выделения в структуре.

Вследствие неполного выравнивания концентрации внутри первичных кристаллов алюминиевого твердого раствора во время его затвердевания в структуре могут появиться эвтектические участки при концентрации ниже максимальной растворимости, особенно в литом состоянии. Они располагаются по границам первичных зерен и препятствуют обрабатываемости.

Поскольку легирующие добавки растворяются в твердом растворе, гетерогенные структурные составляющие могут быть устранены длительным нагреванием при высоких температурах (гомо­генизации) дуффузионным путем. При горячем деформировании хрупкие выделения по границам зерен механически разрушаются и распределяются в структуре в строчечном режиме. Этот про­цесс характерен при превращении литой структуры в деформированную.

Алюминиевые сплавы по способу обработки подразделяются на деформируемые и литейные.