ЛАБОРАТОРНА РОБОТА № 9

   ТЕРМІЧНА ОБРОБКА АЛЮМІНІЄВИХ СПЛАВІВ

Мета роботи: вивчення режимів термічної обробки алюмінієвих сплавів (гартування і штучне старіння), структурних перетворень, що протікають при термічній обробці, і зміни властивостей сплавів залежно від цих перетворень.

Матеріали тв обладнання. При виконанні даної лабораторної роботи потрібні такі матеріали та обладнання: зразки аюмінієвого сплаву “дуралюмін”, термічна піч, термопара з приладом реєстрації температури, прилад Брінеля для вимірювання твердості.

Теоретичні відомості. Вироби з алюмінієвих сплавів піддаються в більшості випадків термічній обробці: відпалу, загартуванню, старінню. Структура і властивості сплавів істотно залежать від режимів термічної обробки, які для алюмінієвих сплавів є досить різноманітними.

Вироби і напівфабрикати з алюмінієвих сплавів виготовляються або методом лиття (силуміни, А1-Сu – сплави та ін.), або шляхом пластичного деформування (дуралюміни А1-Сu-Mg, сплави А1-Mg-Si та ін.). При холодному деформуванні, як відомо, відбувається наклеп (нагартування). Тому в марці алюмінієвих сплавів при необхідності обумовляється, яким методом рекомендується виготовляти вироби і яка (%) залишкова нагартовка: М – м’ягкий відпалений сплав; Н – нагартованный (АМцН); П – напівнагартований (дротовий сплав АМцП); H1 – умовно нагартований на 15...20 % (АМцН1).

В і д п а л у піддаються сплави, що знаходяться в нерівноважному стані — ливарні, холоднодеформовані або попередньо термічно оброблені — з метою отримання в них рівноважної структури.

Гомогенізувальний відпал зливків усуває хімічну неоднорідність (ліквацію) твердого розчину. Відпал для стабілізації розмірів ливарних виробів проводиться у випадку, коли вироби при роботі не мають великих навантажень, але потрібно збереження їх розмірів в процесі експлуатації (наприклад, деталі приладів із сплаву АЛ9). Відпал при 290°С забезпечує у виробах стабільно рівноважну структуру, в якій ніякі перетворення потім не протікають.

Рекристалізаційний відпал пластично деформованих виробів усуває текстуру сплаву і зменшує наклеп. В результаті утворюється рівновноважна високопластична структура. Знеміцнювальний відпал термічно оброблених виробів із нерівноважною зміцненою структурою повертає їх до вихідної, рівноважної структури. Відпал для алюмінієвих сплавів в більшості випадків не є остаточною операцією, а проміжною або підготовчою в технологічному процесі виробництва виробів.

Г а р т у в а н н ю піддаються алюмінієві сплави з метою одержання в них шляхом швидкого охолодження нерівноважної структури – пересиченого твердого розчину легувальних елементів в алюмінії. Гартують сплави тих систем, у яких спостерігається змінна розчинність хоча б одного з елементів в основному розчині, яка збільшується при підвищенні температури (рис. 9.1).

Рисунок 9.1 – Схема діаграми стану системи Al – легувальний елемент В

Сплави зі структурою пересиченого твердого розчину характеризуються порівняно високими пластичністю і міцністю. У більшості випадків їх міцність може бути додатково підвищена за рахунок наступного старіння. Проте ряд сплавів системи А1-Mg, наприклад АЛ8 (9,5...11,5 % Mg) і особливо сплави А1-Si і А1-Мn, підвищують міцність в основному не в результаті дисперсійного твердіння, а при загартуванні за рахунок легування основного розчину. Оскільки в таких сплавах при наступному старінні міцність підвищується незначно, а пластичність істотно знижується, то як остаточна термічна зміцнювальна обробка для них застосовується загартування з охолодженням на повітрі або в підігрітому маслі залежно від розмірів і конфігурації виробів. Охолодження з такими швидкостями забезпечує достатню міцність сплавів при високій пластичності і попереджає утворення гартівних тріщин.

Нагрівання сплавів під загартування у випадку їх наступного старіння здійснюють в однофазну область твердого розчину до допустимо високої температури, близької до початку оплавлення, що необхідно для повного розчинення фаз зміцнювачів (див. рис. 9.1). Охолодження ведеться з максимальною швидкістю для фіксації атомів елементів, що розчинилися в ґратці алюмінію. Наприклад, дуралюмін Д20 (6,5 % Сu; 1,6 % Mg; 0,4 % Мn) гартується у воді або маслі з температури (535 ± 5)°С. Дуралюмін Д16 (4,4 % Сu; 1,5 % Mg; 0,6 % Mn), що має в литому стані структуру a-твердого розчину і фази зміцнювачів (CuAl₂), (Al₂MgCu), що входять у евтектику, нагрівають до 495...502 °С. Температура плавлення евтектики дорівнює 506 °С.

С т а р і н н я або д и с п е р с і й н е т в е р д н е н н я (deterioration) – процес розпаду нестабільного перенасиченого твердого розчину, отриманого гартуванням, шляхом дифузійного перерозподілу атомів і поступового наближення структури до рівноважного стану. В одних сплавах він починається при кімнатній температурі відразу ж після охолодження і посилюється з часом. Цей процес, що протікає при порівняно низьких температурах, називається природним старінням (низькотемпературне старіння). В інших сплавах розпад можливий при підвищених температурах – штучне старіння (високотемпературне старіння ).

Швидкість зміцнення сплавів збільшується з підвищенням температури старіння (рис. 9.2).

Велике технологічне значення має період часу, протягом якого загартовані алюмінієві сплави зберігають свою пластичність. У цей період проводяться такі остаточні операції, як розклепка заклепок, згинання і правка виробів і т. п. Він може бути подовжений перенесенням загартованих виробів у контейнери з низькою (нижче 0 °С) температурою.

Тривалість процесу старіння гартованих алюмінієвих сплавів може бути різною залежно від необхідних механічних властивостей – міцності і пластичності.

Рисунок 9.2 – Зміна межі міцності загартованих дуралюмінів залежно від тривалості витримки та температури старіння

Завдання на роботу

1.     Навести стислий виклад основних теоретичних положень термічної обробки алюмінієвих сплавів.

2.     Вивчити, замалювати і пояснити мікроструктуру відпаленого сплаву Д16, зазначити його хімічний склад і область застосування.

3.     Провести загартування зразків перерізом 10ґ15 мм; температура нагрівання 495±5 °С, витримка 20...30 хв, охолодження у воді.

4.     Виміряти твердість зразків після загартування.

5.     Провести штучне старіння гартованих зразків при температурах 100, 200, 300°С з витримками в 10, 20 і 30 хв.

6.     Виміряти твердість штучно зістарених зразків.

7.     Скласти таблицю твердостей загартованих і зістарених зразків.

8.     Побудувати графічні залежності твердості від тривалості старіння при всіх досліджуваних температурах (за вихідну прийняти твердість гартованого зразка).

9.     Описати мікроструктуру зістарених зразків і структурні перетворення, що викликали зміну їх твердості.

10. Сформулювати висновки і написати звіт по роботі відповідно до вищезазначених пунктів завдання.

Контрольні питання для самопідготовки

1. Яким видам термічної обробки піддають алюмінієві сплави?

2. В чому полягає зміцнювальна термічна обробка алюмінієвих сплавів?

3. До якого фазового стану нагрівають алюмінієві сплави при їх гартуванні?

4. З якою метою проводиться “старіння” алюмінієвих сплавів?

5. Які види старіння існують для алюмінієвих сплавів?

6. В чому полягає механізм старіння?

7. З якою метою проводять гомогенізувальний відпал?

8. З яких алюмінієвих сплавів виготовляють вироби методом лиття?

9. З яких алюмінієвих сплавів виготовляють вироби методом пластичного деформування?

10. За рахунок чого протікає природне старіння алюмінієвих сплавів?

11. За рахунок чого протікає штучне старіння алюмінієвих сплавів?