Алюміній належить до металів, в яких відсутня полиморфное перетворення і тому основним фазовим перетворенням, що відбувається при термообробці є розчинення надлишкових вторинних фаз в процесі нагрівання і їх виділення в процесі охолодження. Тому для алюмінієвих сплавів застосовують всі види термообробки без поліморфних перетворень, (отжиги, гарт без поліморфного перетворення і старіння).
Алюмінієві сплави піддають трьом основним видам термічної обробки: відпалу, загартування і старіння. Основними видами відпалу є: дифузний (гомогенізація), рекрісталлізаціонний і отжиг термічно зміцнених сплавів.
Гомогенізацію застосовують для вирівнювання хімічної мікро неоднорідності зерен твердого розчину за рахунок дифузії, тобто зменшення дендритних ліквації в злитках. Так як швидкість дифузії збільшується з підвищенням температури, то для енергійного протікання дифузії необхідні висока температура (близька до температурі лінії солідусу) і тривала витримка. Тому для виконання гомогенізації алюмінієві сплави (злитки) нагрівають до 450-520 ° С і витримують при цій температурі від 4 до 40 год. Після витримки - охолодження разом з піччю або на повітрі. В результаті гомогенізації структура стає більш однорідною (гомогенної), підвищується пластичність, що значно полегшує подальшу деформацію злитка гарячої обробкою тиском. Тому гомогенизацию широко застосовують для деформуються алюмінієвих сплавів.
Для алюмінію і алюмінієвих сплавів (а також для інших кольорових металів і сплавів) відпал рекристалізації застосовують набагато ширше, ніж для сталі. Це пояснюється тим, алюміній, а також багато сплавів на його основі, не зміцнюється загартуванням і підвищення їх механічних властивостей може бути досягнуто тільки холодної обробкою тиском, а проміжної операцією при такій обробці (для відновлення пластичності) є відпал рекристалізації. Крім того, сплави, зміцнюється загартуванням, часто піддають холодній обробці тиском з наступним відпал рекристалізації для додання необхідних властивостей. Температура рекристаллизационного відпалу алюмінієвих сплавів 300-500 ° С, витримка 0,5-2 ч.
Відпал термічно зміцнених сплавів застосовують для повного зняття зміцнення, отриманого в результаті загартування і старіння; він проводиться при температурах 350-450 ° С з витримкою 1-2 год і наступним досить повільним охолодженням (зі швидкістю не більше 30 ° С / год), щоб забезпечити протікання дифузійних процесів розпаду твердого розчину і коагуляцію продуктів розпаду.
Загартування алюмінієвих сплавів дозволяє отримати високу міцність у поєднанні з достатньою в'язкістю і пластичністю. Для алюмінієвих сплавів застосовують загартування без поліморфного перетворення.
У сучасній техніці застосовують багато сплавів на алюмінієвій основі з різною кількістю легуючих елементів. Одні з них, наприклад Сu, Si, Mg, Zn, різко змінюють властивості алюмінію і його сплавів. Інші, наприклад Mn, Ni, Сr, додатково покращують властивості і вводяться тільки при наявності перелічених вище, одного або декількох, основних легуючих елементів. Частина елементів вводять в якості модифікаторів, добавок, що діють по-різному, але поліпшують (головним чином подрібнюючих) структуру; до таких добавок відносяться Na, Be, Ti, Се, Nb. Деякі елементи, що входять до алюмінієві сплави, утворюють з алюмінієм обмежені тверді розчини змінної концентрації, в яких розчинність елементів зі зниженням температури зменшується. На цьому і ґрунтується гарт алюмінієвих сплавів.
Мал. 34. Діаграма стану алюміній - мідь
Після гарту алюмінієві сплави піддають старінню, при якому відбувається розпад пересиченого твердого розчину. Якщо він проходить при нормальній температурі в природних умовах, то такий процес називається природним. Прискорити розпад твердого розчину можна підігрівом. Розпад пересиченого твердого розчину при підвищених температурах, називається штучним старінням.
При старінні в сплавах А1-Сu протікають наступні процеси.
При температурі 20 ° С (природне старіння) і при температурах до 100 ° С (штучне старіння) в пересиченому твердому розчині виникають області (тонкопластінчатой, дископодібної форми), збагачені атомами міді, названі зонами Гинье-Престона і позначаються ДП. а для цього початкового процесу ГП1. Ці зони мають товщину 5-10Å і діаметр 40-100Å. Структура їх невпорядкована, як і твердого розчину. Освіта зон ГП1 супроводжується спотворенням кристалічної решітки (рис.26.), Що призводить до підвищення механічних властивостей сплаву.
При температурах 100-150 ° С, відбувається зростання зон ГП1 до товщини 10-40Å і діаметра 200-300Å, Збагачення атомами міді до складу, близького до складу стабільної фази # 952; "(СuА12). Структура утворюються зон стає впорядкованою. Такі зони називаються зонами ГП2 або фазою # 952; ", і їх наявність обумовлює максимальну міцність сплаву.
Рис.35. Зміцнення сплавів за рахунок виділення зон ДП
При температурах 150-200 ° С утворюється метастабільна проміжна фаза # 952; ', що має такий же склад, як рівноважна # 952; фаза (СіА12). але виділення # 952; '- фази не мають кордонів розділу з зернами твердого розчину, т. Е. Когерентно пов'язані з гратами алюмінію. Таким чином, поява зон ГП1 і ГП2 - це підготовчі стадії до початку розпаду твердого розчину (виділення надлишкової фаз), а освіту # 952; '- фази - початок розпаду твердого розчину (виділення надлишкової фази).
При температурах 200-250 ° С решітка # 952; '- фази відривається від решітки твердого розчину (когерентність повністю порушується) і оформляється в решітку, відповідну з'єднанню СіАl2 (# 952; фаза).
Коагуляционное старіння (перестаріваніе).
Подальше підвищення температури призводить до коагуляції виділилася # 952; -фази, різкого зниження міцності і підвищення пластичності.
Таким чином, структура сплавів при старінні змінюється в наступній послідовності: зони ГП1> зони ГП2 (фаза # 952; ")> фаза # 952; '> фаза # 952; (CuA12).
Виділення вторинної фази на площинах ковзання ускладнює переміщення дислокацій при пластичній деформації. Для їх обходу або перерізання потрібне збільшення деформуючого зусилля, що і проявляється як збільшення міцності сплаву.
Ріс.36.Ізмененіе міцності при старінні дуралюмина
при різних температурах
Швидкість процесу старіння залежить від температури. При природному старінні воно може відбуватися протягом декількох діб. При підвищенні температури старіння може відбуватися протягом 30 хвилин. Зазвичай процес старіння ведуть до отримання max міцності, закінчуючи його другою стадією - фазовим старінням. Однак для деяких високоміцних сплавів максимальна міцність досягається при різкому зниженні пластичності і в'язкості. В цьому випадку, старіння ведуть до 3стадія, домагаючись необхідного поєднання пластичності і в'язкості.
Загартування без поліморфного перетворення і старіння може бути застосоване до всіх сплавів, в яких є легуючі елементи, які відчувають змінну розчинність в алюмінії - Cu, Mg, Zn, Li.