Промышленные сплавы системы Al-Cu-Mg
Конструкционные дюралюминиевые сплавы (дюраль, дуралюмин) Д1, Д16, Д19, ВД17, 2024 и др. упрочняют термической обработкой, они обладают высокими характеристиками механических свойств. Упрочнение дуралюмина при термической обработке достигается в результате образования зон Гинье-Престона сложного состава или метастабильных фаз S’ и θ’.
Дюралюминий получают легированием алюминия медью и магнием. Система легирования Al-Cu-Mg была открыта А. Вильмом, когда он получил сплав Д1. Дюралюмины остаются важнейшим сплавом для машиностроения и авиации. Самые значимые для промышленности сплавы в группе дюралюминов Д16 или 2024 и его модификации Д16ч и 1163 используют в термически упрочненном состоянии. Стадия старения после закалки проходит в естественных условиях при комнатной температуре (20°С) и обозначается буквой «Т» после марки сплава — Д16Т, Д16чТ, 1163Т по ГОСТ или «Т4» (близкий «Т3511») в импортной маркировке — 2024Т4 (2024Т3511). Такая термообработка создает хорошее сочетание характеристик вязкости разрушения, выносливости и скорости роста усталостной трещины. Дюралюминий Д16 уступает по прочности и коррозионной стойкости сплавам системы Al-Zn-Mg-Cu (В95, В95пч, В95оч), но превосходит по сопротивлению трещинообразованию при одинаковых относительно прочности напряжениях. Плотность Д16 равна 2,78 г/см³, что ниже плотности В95 — 2,85 г/см³. Сплавы 1163 и Д16ч применяются для деталей, от которых требуется повышенная выносливость в условиях растягивающих напряжений.
Сплавы типа дуралюмин упрочняются при термической обработке, состоящей из закалки с 490—525°С (в зависимости от состава сплава) и естественного (зонного) или искусственного (фазового) старения.
В наиболее легированных сплавах (Д16, Д19, ВД17 и ВАД-1) содержание меди и магния превышает предельную растворимость этих элементов в твердом растворе или приближается к ней, что обуславливает гетерогенное состояние сплавов при температурах нагрева перед закалкой. Ограничение верхнего предела по содержанию легирующих элементов позволяет уменьшить количество растворимых избыточных фаз и повысить вязкость разрушения без снижения прочности.
Различие естественного и искусственного состаренных сплавов
Температура эксплуатации сплавов Д16, Д16ч, 1163 в естественно состаренном состоянии ограничена 80°С из-за снижения коррозионной стойкости в случае нагревов при более высоких температурах.
Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии имеют улучшенную коррозионную стойкость, которая не снижается при нагревах, более высокие прочностные свойства, особенно предел текучести, однако более низкие значения относительного удлинения, вязкости разрушения, выносливости по сравнению с естественно состаренным состоянием.
Существенное улучшение вязкости разрушения в искусственно состаренном состоянии достигается в результате снижения содержания железа, кремния, а также легирующих элементов. Поэтому для деталей в искусственно состаренном состоянии используются улучшенные модификации сплава Д16 — Д16ч и 1163. Эти сплавы в искусственно состаренном состоянии могут применяться в температурно-временных областях, в которых не рекомендуется применять сплавы в естественно состаренном состоянии: при эксплуатационных нагревах при температурах выше 80°С или технологических нагревах выше 125°С, а также при повышенной опасности коррозии под напряжением. При изготовлении деталей из сплавов Д16ч и 1163 в искусственно состаренном состоянии необходимо выбирать конструктивные формы с минимальной концентрацией напряжений, отрабатывать плавность переходов при изменении сечения деталей, уменьшать эксцентриситеты. Кроме того, ограничиваются допустимые деформации при формообразовании и правке в зависимости от состояния термообработки, величины зазора перед сборкой, не рекомендуется ударная клепка.
Сплавы системы Аl-Сu-Mg превосходят по жаропрочности сплавы систем Аl-Mg, Аl-Mg-Si, Аl-Zn-Mg-Cu. Их преимущество перед высокопрочными алюминиевыми сплавами проявляется при температурах выше 100°С и особенно при длительных выдержках. Сплавы Д1, Д16 склонны к образованию кристаллизационных трещин и поэтому относятся к категории несваривающихся плавлением сплавов. Cвариваемым сплавом является сплав ВАД-1.
Возврат при старении
В естественно состаренных сплавах типа дуралюмин при быстром и кратковременном (2 мин) нагреве до 250—300°С происходит снижение прочности до значений, свойственных свежезакаленному состоянию. Это явление называется возвратом при старении. Искусственное старение уменьшает явление возврата.
Зависимость свойств дюралюминия от степени рекристаллизации
Механические свойства горячедеформированных полуфабрикатов из сплавов типа дуралюмин сильно зависят от степени рекристаллизации в процессе нагрева при деформации и термической обработке. Разница в прочности закаленного и состаренного рекристаллизованного и нерекристаллизованного материалов достигает 200 МПа.
Полуфабрикаты с нерекристаллизованной структурой по сравнению с рекристализованной при повышенных прочностных свойствах в долевом направлении имеют преимущество по вязкости разрушения, выносливости при одинаковом по абсолютной величине уровне напряжения, сопротивлению коррозии под напряжением, но обладают более низким относительным удлинением в долевом направлении; выигрыш по прочностным свойствам уменьшается на образце с отверстием.
Листовой материал, изготовленный методом горячей и последующей холодной прокатки, а также проволока и трубы, изготовленные холодной прокаткой и волочением, в закаленном состоянии имеют полностью рекристаллизованную структуру. Профили и прутки, полученные горячим прессованием, после термической обработки могут иметь структуру от полностью нерекристаллизованной до полностью рекристаллизованной. Возможно получение преимущественно нерекристаллизованной структуры и в плитах. Сохранению нерекристаллизованной структуры способствует повышение температуры и уменьшение степени горячей деформации изделий, понижение температуры и времени выдержки при нагреве под закалку, увеличение содержания элементов (Мn, Cr, Zr и др.), повышающих температуру рекристаллизации.
