Диаграмма состояния сплавов al y. Анализ полученных результатов. Растворимость углерода, азота и кислорода в тугоплавких металлах VА и V1А-подгрупп при комнатной температуре

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.

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.

Анализ полученных результатов выбора легирующих элементов для алюминия показывает, что наибольшее упрочнение обеспечивает магний, так как для него характерно наличие двух механизмов упрочнения – твердо-растворный – за счет критерия α (18,9) и с помощью термообработки γ = 0,57. Более высокой технологической пластичностью и жаропрочностью обладают сплавы системы Al-Mn, так как критерии ω и τ для них имеют наибольшее значение. – 0,77 и 0,99, соответственно. Кроме того, в них слабее всего развита пористость, поскольку величина критерия δ минимальна. Однако они не подвергаются упрочняющей термообработке как алюминиево-магниевые сплавы: для них γ = 0,96 вместо 0,57.

Максимальной жидкотекучестью, в соответствии с определением критерия λ, обладают сплавы системы Al-Si, его значение наиболее высокое из рассмотренных легирующих добавок – 7,3 вместо 6,5 у меди и 5,3 – у магния. Силумины обладают достаточно высокой жаропрочностью – τ=0,91, что лишь немногим меньше, чем у марганца. Их существенным недостатком является низкая технологическая пластичность, ω=0,13, вместо 0,77- у марганца и 0,50 – у магния и невозможность термического упрочнения – γ=0,98.

Обобщая вышеизложенное, можно констатировать, что основными деформируемыми сплавами, не подвергающимися термической обработке, являются сплавы системы Al-Mn, термически упрочняемыми - Al-Mg, литейными - Al-Si. Эти результаты хорошо известны, и их ценность заключается в том, что предложенные Б.Б. Гуляевым критерии диаграмм состояния отражают истинное положение вещей и могут быть использованы при выборе легирующих элементов для формирования заданного уровня эксплуатационных и технологических свойств для всех без исключения основ сплавов.

4.4.5 Диаграммы состояния двойных сплавов алюминия

В качестве примера для освоения методики выбора легирующих элементов и комплексов сплавов на основе алюминия использованы наиболее известные, сведения о которых широко изложены в технической и справочной литературе .

Рисунок 4.5. Диаграмма состояния Al-Ge
Рисунок 4.6. Диаграмма состояния Al-Li

Рисунок 4.7. Диаграмма состояния Al-Ag
Рисунок 4.8. Диаграмма состояния Al-Cu
Рисунок 4.9. Диаграмма состояния Al-Zn
Рисунок 4.10. Диаграмма состояния Al-Mg
Рисунок 4.11. Диаграмма состояния Al-Mn
Рисунок 4.12. Диаграмма состояния Al-Si

Диаграмма состояния медь - алюминий построена во всем интервале концентраций методами термического, металлографического, рентгеновского анализов и представляет собой сложную диаграмму с промежуточными фазами. Диаграмма состояния медь - алюминий (рис. 1) приводится на основе работ, выполненных различными авторами на протяжении длительного времени . Область твердых растворов на основе меди (α-фаза) простирается до 9% (по массе) Al. С понижением температуры растворимость алюминия в меди повышается и при температурах 1037; 900; 800; 700; 500 °С составляет 7,4; 7,8; 8,2; 8,8; 9,4% (по массе) Al соответственно. Фаза а имеет ГЦК решетку, аналогичную решетке чистой меди, период которой увеличивается с повышением содержания алюминия и в сплаве с 10,5% (по массе) Al составляет 0,3657 нм.

Фаза β представляет собой твердый раствор на основе соединения Cu 3 Al . В сплавах β-области в зависимости от термообработки и условий охлаждения могут наблюдаться две метастабильные промежуточные фазы: β" и β.

Фаза γ 1 -твердый раствор на основе соединения Cu 3 Al 4 существует в интервале концентраций 16,0...18,8% (по массе) Al и имеет моноклинную решетку со 102 атомами в элементарной ячейке. Фаза α 2 имеет решетку, подобную решетке α-фазы.

В области до 20% (по массе) Al ликвидус сплавов состоит из четырех ветвей первичной кристаллизации фаз α, β, χ и χ 1 . При 1037 С кристаллизуется эвтектика α + β с эвтектической точкой при 8,5% (по массе) Al. При температурах 1036 и 1022 °С протекают перитектические реакции Ж + β ↔χ и Ж + χ↔γ 1 . соответственно. Фаза χ существует в температурном интервале 1036...936 °С. Фаза β кристаллизуется из расплава по кривой с максимумом при температуре 1048 °С и соответствует концентрации 12,4% (по массе) Al. В твердом состоянии в этой области имеется ряд эвтектоидных и перитектоидных превращений. При 963 °С фаза χ распадается на β- и γ 1 -фазы. Эвтектоидная точка соответствует 15,4% (по массе) Al. При 780 °С γ 1 -фаза распадается по эвтектоидной реакции на β и γ 2 -фазы. При 873 °С по перитектощцюй реакции образуется γ-фаза. Предполагается, что в γ 2 -фазе происходит фазовое превращение в интервале температур 400...700 °С при содержании алюминия в эвтектоидной точке 11,8...11,9% (по массе). В области концентрации 9...16% (по массе) Al предполагается существование еще одной стабильной фазы - χ или α 2 , образующейся по эвтектоидной реакции при 363 °С и содержании алюминия в эвтектоидной точке ∼11,2% (по массе). Концентрационные пределы области гомогенности этой фазы не установлены.

Авторы на основе литературных данных по термодинамическим свойствам компонентов и промежуточных фаз, а также на основе экспериментальных данных по фазовым равновесиям рассчитали диаграмму состояния системы Cu-Al. Значения рассчитанных температур фазовых превращений практически совпадают с данными работы .

Медь - бериллий

Диаграмму состояния медь - бериллий изучали многие исследователи. Она построена во всем интервале концентраций (рис. 2). Кривые кристаллизации сплавов состоят из четырех ветвей, соответствующих кристаллизации фаз α, β, δ и β-Ве. β-фаза кристаллизуется по кривой с минимумом при температуре 860 °С и 5,3% (по массе) Be. При 870 °С образуется β-фаза по перитектической реакции, а при 578 °С β-фаза распадается по эвтектоидной реакции. Имеются данные о более высокой температуре эвтектоидного превращения - 605 °С.

Растворимость бериллия в меди при температуре эвтектоидного превращения составляет 1,4% (по массе). С понижением температуры растворимость бериллия уменьшается и составляет: при 500 °С - 1,0% (по массе) , при 400 °С - 0,4% (по массе) , при 300 °С - 0,2% (по массе) . В интервале концентраций 50,8...64,3% (ат.) Be при 930 °С протекает перитектическая реакция образования β"-фазы, а при 1090 °С имеет место эвтектоидное превращение β ↔α-Ве +δ . Границы фазовых областей δ/δ + α-Ве и δ + α-Ве/α-Ве проходят при 1000 °С через 81,5 и 92,5% (ат.) Be, при 900 °С - 81,0 и 93,0% (ат.) Be, при 700 °С - 80,8 и 95,5% (ат.) Be соответственно.

Фаза δ образуется по перитектической реакции при температуре 1239 °С. Твердый раствор на основе меди (α-фаза) имеет ГЦК решетку с периодом α = 0,3638 нм при 2,1% (по массе) Be, δ-фаза имеет неупорядоченную ОЦК решетку с периодом α = 0,279 нм при 7,2% (по массе) Be, β′-фаза имеет упорядоченную объемно центрированную кубическую решетку типа CsCl с периодом α = 0,269...0,270 нм, δ-фаза имеет кубическую решетку типа MgCu 2 с периодом α = 0,5952 нм. Фаза β-Ве - высокотемпературная, а α-Ве - низкотемпературная модификация твердого раствора на основе бериллия.

По данным , где приведена часть диаграммы до 50% (ат.) Cu, δ-фаза (Ве 4 Cu-Ве 2 Cu) плавится конгруэнтно при 1219 °С и 22% (ат.) Cu. β-фаза имеет структуру типа MgCu 2 и меняет период решетки в области гомогенности от α = 5957 нм до α = 0,5977 нм при 25% (ат.) Cu.

Медь - железо

Диаграмму состояния медь - железо изучали многие исследователи. Результаты этих исследований подробно анализируются в работах . Основные противоречия относятся к вопросу о полной или частичной смешиваемости меди и железа в жидком состоянии. В результате экспериментов было установлено, что в системе медь - железо отсутствует расслоение, однако для переохлажденного состояния (100 °С) расслоение имеет место. Область расслоения почти симметрична оси, соответствующей эквиатомному составу, а критическая температура смешивания лежит на 20 °С ниже температуры ликвидуса при эквиатомном составе.

На рис. 3 приведена диаграмма состояния медь - железо по данным . Установлены два перитектических и одно эвтектоидное превращения при температурах 1480; 1094 и 850 °С. Растворимость железа в меди при 1025; 900; 800 и 700 °С составляет 2,5; 1,5; 0,9; 0,5% (по массе) Fe соответственно. Период решетки твердого раствора на основе меди для сплава с 2,39% (ат.) Fe составляет 0,3609 нм. Период решетки α-Fe (ОЦК) возрастает с 0,28662±0,00002 до 0,28682 нм при добавлении 0,38% (ат.) Cu.

Медь - кобальт

Диаграмма состояния системы медь - кобальт приведена на рис. 4 . Она хорошо согласуется с результатами более ранних исследований этой диаграммы. В этой системе в результате переохлаждения на 100 °С и более появляется область несмешиваемости в жидком состоянии, которая почти симметрична относительно оси, отвечающей эквиатомному составу. При этом составе критическая температура смешения лежит на 90 °С ниже кривой ликвидус.

Система Cu-Со - перитектического типа. Температура перитектической реакции 1112 °С. Данные о растворимости кобальта в твердом растворе на основе меди (β) и меди в твердом растворе на основе кобальта (а) в интервале температур 900... 1100 °С приведены в табл. 1.

Медь - кремний

Диаграмма состояния медь - кремний приведена на рис. 5 (по совокупности работ). В системе существуют α-твердый раствор на основе меди, β-, δ-, η-фазы, а также К-, γ- и ε-фазы, образующиеся по перитектоидным реакциям.

Область существования β-фазы [ОЦК решетка с α = 0,2854 нм при 14,9% (ат.) Si] находится в интервале температур 852...785 °С; она образуется по перитектической реакции с точкой перитектического превращения 6,8% (по массе) Si. Область существования β-фазы охватывает интервал температур 824...710 °С и образуется по перитектической реакции; точка перитектического превращения 8,65% (по массе) Si. Фаза η имеет две модификации: η′ и η″. В интервале температур 620... 558 °С имеет место превращение η↔η′ а в интервале 570...467 °С - превращение η′↔η″. Решетка η-фазы подобна решетке γ-латуни.

Фаза К образуется по перитектоидной реакции при +842 °С и существует до 552 °С, точка перитектоида соответствует 5,9% (по массе) Si. K-фаза имеет плотноупакованную гексагональную решетку с α = 0,25543 нм и с = 0,41762 нм при 11,8% (ат.) Si и α = 0,25563 нм и с = 0,41741 нм при 14,6% (ат.) Si. Фаза γ образуется по перитектоидной реакции при 729 °С и стабильна до комнатной температуры; перитектоидная точка соответствует 8,35% (по массе) Si.

Фаза γ имеет кубическую решетку типа решетки β-Mn с периодом α = 0,621 нм.

Фаза ε образуется также по перитектоидной реакции при 800 °С и существует в узкой концентрационной области 10,6... 10,7% (по массе) Si, стабильна до комнатной температуры. Она имеет ОЦК решетку с α = 0,9694 нм. Растворимость меди в кремнии ничтожно мала и составляет 2,810 -3 ; 2·10 -3 ; 5,5·10 -4 ; 8,5·10 -5 ; 5,3·10 -6 % (ат.) при температурах 1300; 1200; 1000; 800 и 500 °С соответственно. Растворимость кремния в меди значительна и составляет ∼5,3% (по массе) при 842 °С.

Медь - марганец

Диаграмма состояния системы медь - марганец построена во всем интервале концентраций. Здесь она приведена по данным (рис. 6). Медь и марганец образуют на кривой ликвидус минимум при содержании ∼37% (ат.) Mn и температуре 870±5 °С. Превращения в твердом состоянии связаны с процессами упорядочения в сплавах со стороны меди и аллотропическими модификациями марганца. Твердый раствор (α-Cu, γ-Mn) упорядочивается при ∼16% (ат.) Mn (МnCu 5) и 400 °С и при ∼25% (ат.) Mn (MnCu 3) и 450 °С.

Растворимость меди в α-Mn и β-Mn фазах незначительна. В системе имеет место непрерывный переход от гранецентриро-ванной кубической решетки твердого раствора на основе меди (α-Cu) в гранецентрированную тетрагональную решетку γ-Mn.

Медь - никель

Диаграмма состояния системы медь - никель представляет собой систему с непрерывным рядом твердых растворов. На рис.7 приведены результаты хорошо согласующихся между собой экспериментальных исследований. В твердом состоянии имеются превращения, связанные с магнитными превращениями в никеле. Все сплавы системы Cu-Ni имеют ГЦК решетку. Предположения о существовании в системе соединений CuNi и CuNi 3 в более поздних работах не подтвердились . Сплавы этой системы являются основой промышленных сплавов типа мельхиор.

Медь - олово

На рис. 8 приведена диаграмма состояния, построенная на основе большого количества работ . В системе установлено существование ряда фаз, образующихся как при первичной кристаллизации, так и при превращении в твердом состоянии. Фазы α, β, γ, ε, η образуются при первичной кристаллизации, фазы ζ и δ - в твердом состоянии. Фазы β, γ и η образуются по перитектическим реакциям при температурах 798, 755 и 415 °С. Период решетки α-фазы увеличивается от 0,3672 до 0,3707 нм. Фазы β и γ кристаллографически подобны и имеет ОЦК решетку.

Фаза ε существует на основе соединения Cu 3 Sn и имеет ромбическую решетку. η-фаза соответствует соединению Cu 6 Sn 5 . Она упорядочивается при 189...186 °С. Фаза ζ имеет гексагональную решетку предполагаемого состава Cu 20 Sn 6 . δ-фаза имеет структуру γ-латуни, она является электронным соединением и соответствует формуле Cu 31 Sn 8 при 20,6% (ат.) Sn.

Растворимость олова в меди, по данным рентгеноспектрального анализа, составляет, % (ат.) Sn [% (по массе) - в круглых скобках]: 6,7 (11,9); 6,5 (11,4); 5,7 (10,10) при температурах 350; 250; 150 °С соответственно. Растворимость меди в олове в твердом состоянии при эвтектической температуре составляет 0,01% (ат.) (по данным Токсеитова и др.).

Медь - свинец

Диаграмма состояния медь - свинец, построенная во всем интервале концентраций, приведена на рис. 9 по данным работы . Диаграмма состояния системы медь - свинец характеризуется наличием монотектического и эвтектического превращений. Температура монотектического превращения (955±0,5) С, а протяженность области несмешиваемости при этой температуре составляет 15,7-63,8% (ат.) Рb. Эвтектическая точка соответствует 0,18% (ат.) Рb, а по данным - температуре 326 °С и 0,2% (ат.) Рb. Кривая растворимости между монотектической температурой и температурой плавления свинца определена довольно тщательно. Установлено, что эта кривая пересекает монотектическую горизонталь при содержании свинца 67% (ат.) . Растворимость свинца в меди в твердом состоянии при температуре выше 600 °С не более 0,09% (ат.) . Растворимость меди в свинце в твердом состоянии составляет менее 0,007% (по массе).

Медь - сурьма

Диаграмма состояния медь - сурьма представлена по данным на рис. 10.

В сплавах этой системы обнаружена высокотемпературная β-фаза с ГЦК решеткой типа BiF 3 , которая плавится конгруэнтно при 684 °С и содержании в сплаве 28,6% (ат.) Sb. При 435 °С β-фаза эвтектоидно распадается на фазу к и Cu 2 Sb. Эвтектоидная точка отвечает 24% (ат.) Sb. Максимальная растворимость β-фазы 20...32%) (ат.) Sb. Другие промежуточные фазы - η, ε, ε′ и к-образуются по перитектоидным реакциям при температурах 488 °С (η), 462 °С (е). ε′-фаза имеет гексагональную решетку с периодами α = 0,992 нм, c=0,432 нм и существует в температурном интервале ∼375...260 °С. к-фаза имеет ромбическую структуру типа Cu 3 Ti, существует в интервале 450...375 °С и распадается на ε-фазу и Cu 2 Sb при температуре 375 °С или ε′-фазу и Cu 2 Sb (по данным других авторов). Фаза η имеет область гомогенности от 15,4 до 15,8% (ат.) Sb при 426 °С. Промежуточная фаза Cu 2 Sb образуется по перитектической реакции при 586 °С и имеет узкую область гомогенности 32,5...33,4% (ат.) Sb. Она имеет тетрагональную решетку . Максимальная растворимость сурьмы в меди в твердом состоянии при температурах 600; 550: 500; 450; 400; 360; 340 и 250 °С составляет 5,79; 5,74; 5,69; 5,44; 4,61; 3,43; 3,02; 1,35% (ат.) или 10,53; 10,44; 10,37; 9,92; 8,48; 6,38; 5,64; 2,56% (по массе) соответственно.

Медь - фосфор

Диаграмма состояния системы медь - фосфор приведена по данным на рис. 11. В системе по результатам более поздних работ обнаружено два соединения: Cu 3 Р и CuР 2 . Температура образования соединения Cu 3 Р непосредственно из расплава дается различными авторами по-разному: 1005; 1018 или 1023; 1022 °С. Область гомогенности соединения Cu 3 Р - 31% (ат.) Р при эвтектической температуре и 27,5% (ат.) Р при 700 °С. Соединение Cu 3 P имеет гексагональную решетку с параметрами α = 0,695 нм, с = 0,712±0,02 нм, c/α=1,02.

Соединение CuР 2 кристаллизуется непосредственно из расплава при 891 °С. Между соединением Cu 3 Р и медью происходит эвтектическая реакция при 714 °С, точка эвтектики отвечает 15,72% (ат.) Р.

Между соединениями Cu 3 Р и CuР 2 существует эвтектическое равновесие при 833 °С. Состав эвтектической точки 49% (ат.) Р.

В области диаграммы между фосфором и соединением CuР 2 предполагается существование вырожденной эвтектики при 590 °С.

Растворимость фосфора в меди приведена в табл. 2 .

(Примечание. В скобках указано содержание фосфора в процентах по массе. )

Медь - хром

Диаграмма состояния медь - хром наиболее подробно исследована в области, богатой медью. Полностью она приведена в работе Г.М. Кузнецова и др. по данным термодинамического расчета и данным о параметрах взаимодействия компонентов (рис. 12). В структуре сплавов присутствуют две фазы: твердые растворы на основе меди (α) и хрома (β). При 1074,8 °С происходит эвтектическое превращение при содержании хрома 1,56% (ат.) . Растворимость хрома в меди по данным разных авторов приведена в табл. 3.

Растворимость меди в хроме в твердом состоянии изменяется от 0,16% (ат.) при 1300 °С до 0,085% (ат.) при 1150 °С.

Медь - цинк

В сплавах меди наибольший практический интерес из элементов II группы периодической системы Д.И. Менделеева представляет цинк. Диаграмма состояния медь - цинк изучена многими исследователями во всем интервале концентраций . На рис. 13 приведена диаграмма состояния, построенная по совокупности работ, в которых использовались методы термического, рентгеновского, металлографического, электронно-микроскопического анализов, определения температуры ликвидуса.

Линия ликвидус системы медь - цинк состоит из шести ветвей первичной кристаллизации фаз α, β, γ, δ, ε и η. В системе пять перитектических превращений, % (ат.):

1) Ж (36,8 Zn) + α (31,9 Zn) ↔ β (36,1 Zn) при 902 °С;

2) Ж (59,1 Zn) + β (56,5 Zn) ↔ γ (59,1 Zn) при 834 °С;

3) Ж (79,55 Zn) + γ (69,2 Zn) ↔ δ (72,4 Zn) при 700 °С;

4) Ж (88 Zn) + δ (76 Zn) ↔ ε (78 Zn) при 597 °С;

5) Ж (98,37 Zn) + ε (87,5 Zn) ↔ η (97,3 Zn) при 423 °С.

Растворимость цинка в твердом растворе на основе меди сначала увеличивается от 31,9% (ат.) при 902 °С до 38,3% (ат.) при 454 °С, затем понижается и составляет 34,5% (ат.) при 150 °С и 29% (ат.) при 0 °С.

В области существования α-фазы определены две модификации α 1 и α 2 . Область существования фазы β находится в пределах от 36,1% (ат.) Zn при 902 °С до 56,5% (ат.) Zn при 834 °С и от 44,8% (ат.) Zn при 454 "С до 48,2% (ат.) Zn при 468 °С. В интервале температур 454...468 °С происходит превращение или упорядочение.

Фаза β′ распадается по эвтектоидной реакции β′↔α + γ при температуре ∼ 255 °С. β-фаза существует в четырех модификациях: γ′′′-фаза до температур 250...280 С, выше 280 °С устойчива γ″-фаза, которая при 550...650 °С переходит в γ′-фазу; выше 700°С существует фаза γ. Фаза δ существует в интервале 700...558 °С, распадаясь эвтектоидно по реакции δ↔γ + ε при 558°С.

Растворимость меди в η-твердом растворе на основе цинка уменьшается от 2,8% (ат.) при 424 °С до 0,31% (ат.) при 100 °С. Периоды решетки α-твердого раствора на основе меди увеличиваются с ростом концентрации цинка.

Фаза β имеет объемно центрированную кубическую решетку типа W, β′-фаза - упорядоченную объемно центрированную решетку типа CsCl. Период решетки β′-фазы увеличивается от О 2956 до 0,2958 нм в интервале концентрации 48,23...49,3% (ат.) Zn.

Фаза γ имеет структуру типа γ-латуни. Ее состав соответствует стехиометрическому составу Cu 5 Zn 8 . γ″′-фаза имеет ромбическую решетку с периодами α = 0,512 нм, b = 0,3658 нм и с = 0,529 нм.

Фаза γ″ имеет кубическую решетку с периодом α = 0,889 нм. Структура и параметры решетки фаз γ′ и γ не определены. Фаза 3 имеет ОЦК решетку с периодом α = 0,300 нм при 600 °С для сплава с 74,5% (ат.) Zn. ε-фаза имеет гексагональную решетку типа Mg.

Сплавы на основе системы медь - цинк (латуни) широко применяются в различных отраслях промышленности: они характеризуются высокой технологичностью, коррозионной стойкостью. Изготовление различных деталей и отливок из сплавов этой системы не представляет особой сложности. Сплавы марок Л96, Л90, Л85, Л80, Л75, Л70, Л68, Л66, Л63, Л59 - простые латуни - обрабатываются давлением в холодном и горячем состоянии и имеют однофазную структуру, представляющую собой твердый раствор на основе меди (а) для сплавов с содержанием меди не менее 61 % (по массе) и двухфазную (α + β) для сплава Л59. Одно- и двухфазные сплавы (α, α + β, β), легированные алюминием, железом, марганцем, кремнием, оловом, свинцом, применяются для получения отливок различными методами.

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.