Дюралюмины

 

 

Содержание:

 

 

Вступление…………………………………………….……………..2

1. Открытие дюралюминия……………………………....3
2. Используемые названия сплава…………………..…..4

3. Свойства…………………………………………...……..5

4. Состав и применение дюралюминов…………………6

5. Упрочняемая термическая обработка………………..7
6. Упрочнение старением……………………………..…..11
7. Отжиг……………………………………………………..13
8. Закалка и старение Al-4% Cu……………..….………….21

Выводы………………………………………………………….....…23

Использованная  литеретура……………………………………....24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вступление

 

 

 

Дюралюминий — торговая марка одного из первых упрочняемых старением алюминиевых сплавов. Основными легирующими элементами являются медь (4,5 % массы), магний (1,6 %) и марганец (0,7 %). Типовое значение предела текучести составляет 450 МПа, однако зависит от состава и термообработки.

Дюралюмины маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, обозначающая условный номер сплава. Термическая обработка дюралюминов состоит в закалке, естественном или искусственном старении. Для закалки сплавы нагревают до 500°С и охлаждают в воде. Естественное старение производят при комнатной температуре в течение 5—7 сут. Искусственное старение проводят при 150 —180°С в течение 2—4 ч.

При одинаковой прочности  дюралюмины, подвергнутые естественному старению, более пластичны и коррозионностойки, чем подвергнутые искусственному старению. Особенностью нагрева алюминиевых сплавов при закалке является строгое поддержание температуры (±5°), чтобы не допустить пережога и достичь наибольшего эффекта термической обработки.

Дюралюмины не обладают необходимой коррозионной стойкостью, поэтому их подвергают плакированию. Дюралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дюралюмины в авиационной .промышленности и строительстве.

      В качестве  примесей в дуралюмине имеются  железо и кремний. Железо, (Mn,Fe)Al6 образуя соединение , кристаллизующееся в виде грубых пластин, понижает прочность и пластичность дуралюмина. Кроме того, железо образует соединение AL2Cu2Fe нерастворимое в алюминии, связывая медь в этом соединении, железо снижает эффект упрочнения при старении. Поэтому содержание железа не должно превышать 0,5—0,7%.

      Кремний  образует фазы Mg2Si и W(AlxMg5Cu6Si4), которые  растворяются в алюминии, и при последующем старении упрочняют сплав. Однако упрочнение от Mg2Si и W-фаз невелико, поэтому примесь кремния, уменьшая количество основных упрочняющих фаз S и θ, способствует снижению прочности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Открытие дюралюминия

 

 

 

      Сегодня  алюминий по выплавке уверенно  удерживает среди металлов второе  место вслед за железом. Ни  у кого нет сомнений в важности  и нужности этого легкого материала. Но долгое время отношение к нему было весьма сдержанным: «Что же можно ожидать от металла, который разрушается слабыми щелочами и кислотами, в то время как едва ли существует жидкость, не содержащая несколько кислоты или щелочи и поэтому легко разрушающая прекрасную наружность алюминия или уничтожающая всю его массу. Чай, вино, пиво, кофе и все плодовые соки уничтожают алюминий, и даже пот снимает с него палитру, обращая часть металла в обыкновенный глинозем…

      Следовательно,  алюминий сам по себе не  представляет больших надежд  на употребление в дело. Но  вполне может быть, что он доставит  пользу в виде сплавов».

      Это —  характеристика алюминия из книги «Подвиги человеческого ума», вышедшей в 1870 году. Судя по тону изложения, кажется странным, что алюминий вообще попал в книгу с подобным названием. Однако последняя фраза оказалась пророческой…

      В начале  века немецкий химик Альфред  Вильм возглавил сектор металлургии в исследовательском институте, расположенном в пригородах Берлина. Он  экспериментировал, пытаясь найти высокопрочный сплав алюминия, и в сентябре 1906 года испытывал очередной сплав, в который, помимо алюминия, входило 4% меди и по 0,5% марганца и магния. Никаких особенных оснований рассчитывать на успех не было. Прочность сплавов оценивали по измерениям твердости. В час дня в субботу твердость была измерена и составила 70(условных единиц). После этого все сотрудники отправились проводить выходной в Берл. Немцы — люди аккуратные, и, поскольку в предвкушении отдыха измерения могли быть проведены недостаточно тщательно, в понедельник Вильм распорядился их повторить. Ко всеобщему удивлению, твердость составляла уже 100. Субботняя ошибка? Нет, так как в последующие дни твердость продолжала возрастать.

      Ситуация  выглядела довольно странной. Представьте,  что перед вами лежит кусок металла, который внешне совершенно не меняется, но по прошествии дней становится все прочнее и прочнее. Как будто внутри металла работают невидимые строители и, не торопясь, цементируют слабые места в здании кристалла...

      Эффект  самопроизвольного упрочнения сплавов назвали старением. Но среди алюминиевых сплавов стареющие выделялись по прочности, и это Вильм быстро использовал:рецепт сплава был запатентован. А в 1911 году немецкие промышленники уже выпустили первую партию сплава Вильма, который нарекли дюралюминием или дуралюмином по названию города Дюрена, где развернулось его производство.

2. Используемые названия сплава

 

Фирменное название дюра́ль (Dural®) в русском языке стало по преимуществу разговорным и профессионально-жаргонным. Иногда встречаются также старая (основная до 1940-х) форма дуралюми́ний и англизированные варианты дуралюми́н, дюралюми́н, дюралеалюми́ний, крайне редко также дура́ль. Название происходит от немецкого города Дюрен, нем. Düren, где в 1909 году было начато его промышленное производство.

Дюралюминий разработан германским инженером-металлургом Альфредом Вильмом (Alfred Wilm), сотрудником металлургического завода Dürener Metallwerke AG. В 1903 году Вильм установил, что сплав алюминия с добавкой 4 % меди после резкого охлаждения (температура закалки 500 °C), находясь при комнатной температуре в течение 4—5 суток, постепенно становится более твердым и прочным, не теряя при этом пластичности. Дальнейшие эксперименты со сплавами этой системы привели к освоению в 1909 году заводом Dürener Metallwerke сплава дюралюминия. Обнаруженное Вильмом старение алюминиевых сплавов позволило повысить прочность дюралюминия до 350—370 МПа по сравнению с 70—80 МПа у чистого алюминия. Распространённые в Европе (Швейцария и Великобритания) алюминиевые сплавы марок Avional и Hiduminium являются близкими по составу к дюралюминию сплавами других производителей.

Дуралюминами называют сплавы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дуралюмином является сплав Д1, однако вследствие сравнительно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Свойства

Плотность сплава 2500—2800 кг/м³, температура плавления около 650 °C. Сплав широко применяется в авиастроении, при производстве скоростных поездов (например поездов Синкансэн) и во многих других отраслях машиностроения (так как отличается существенно большей твёрдостью, чем чистый алюминий).

После отжига (нагрева до температуры около 500 °C и охлаждения) становится мягким и гибким (как алюминий). После старения (естественного — при 20 °C — несколько суток, искусственного — при повышенной температуре — несколько часов) становится твёрдым и жёстким.

В настоящее время сплавы алюминий — медь — магний с добавками марганца — известны под общим названием дюралюмины. В их число входят сплавы следующих марок: Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1. Дюралюмины упрочняются термообработкой; подвергаются, как правило, закалке и естественному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450—500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150—175 °C) температурах, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения^[3].

Недостаток дюралюминов — низкая коррозионная стойкость, изделия требуют тщательной защиты от коррозии. Листы дюралюминов, как правило, плакируют чистым алюминием

Сплавы алюминия с медью и  магнием называются дюралюминами (Д1, Д3, Д6, Д16, Д18 и т. д.); для увеличения прочности эти сплавы подвергают закалке при температуре 500-510° С и естественному старению в течение 4-6 суток.

Чтобы увеличить прочность и  вязкость, алюминиевые сплавы АК2, АК4, АК6, АК8, кроме меди и магния, еще дополнительно легируют никелем. Сплавы АК2, АК4, АК6 и АК8 применяют для изготовления поршней двигателей, лопастей, винтов, картеров и осевых колес компрессоров газотурбинных двигателей и других деталей. Для увеличения прочности эти сплавы подвергают закалке при температуре 510-530° С и последующему старению при температуре 150-170° С в течение 12-15 часов. Предел прочности при растяжении этих сплавов после термической обработки составляет около 42 кГ/мм2.

 

 

4. Состав и применение дюралюминов

 

 

Дуралюмины щироко применяют в авиации. Из сплава Д1, например, изготовляют лопасти воздушных винтов, из Д16 - шпангоуты, нервюры, тяги управления и др. Кроме того, их используют для строительных конструкций, кузовов грузовых автомобилей, обсадных труб и др. Сплав Д18 - один из основных заклепочных алюминиевых сплавов. Заклепки из сплава Д18 ставят в конструкцию после закалки и естественного старения.

Дюралюмины представляют собой группу важных промышленных сплавов, сыгравших большую роль в развитии самолётостроения и других областей техники. Современные дюралюмины - это многокомпонентные сплавы на основе системы А1-Cu-Mg с добавками марганца и других эл.

Первое применение дюралюминия — изготовление каркаса дирижаблей жёсткой конструкции, с 1911 года — более широкое применение.Благодаря высокой удельной прочности дюралюминий начиная с 1920-х годов становится важнейшим конструкционным материалом в самолётостроении.

Все дюралюмины, применяющиеся в настоящее время в промышленности, можно разделить на четыре подгруппы:

1. классический дюралюмин (Д1), состав которого практически не изменился с 1908 года;
2. дюралюмин повышенной прочности (Д16), отличающийся от сплава Д1 более высоким содержанием магния;
3. дюралюмины повышенной жаропрочности (Д19 и ВД17), главным отличием которых является увеличенное отношение Mg/Сu;
4. дюралюмины повышенной пластичности (Д18), которые отличаются пониженным содержанием меди и магния.

Помимо меди и магния в  дюралюминах всегда содержатся марганец и примеси железа и кремния.Медь и магний - основные компоненты, обеспечивающие упрочнение сплавов. Марганец является обязательной присадкой, измельчающей структуру, повышающей прочность и коррозионную стойкость.

Наибольшее применение среди  дюралюминов нашли сплавы Д1 и Д16, которые широко используют в авиационной промышленности. Из сплава Д1 изготовляют листы, профили, трубы, проволоку, штамповки и поковки. Такие же полуфабрикаты, кроме поковок и штамповок, получают из сплава Д16.

Дюралюмины повышенной пластичности (Д18) имеют узкое назначение - из них изготовляют заклёпки для авиастроения. Из сплавов ВД17 и Д19 можно получать различные деформированные полуфабрикаты, предназначенные для работы при повышенных температурах.Сплав Д16 при комнатной температуре обладает наиболее высокой прочностью по сравнению с другими дюралюминами.

 

5. Упрочняемая термическая обработка

 

 

 

Для обеспечения высокой  прочности дюралюмины подвергают закалке и естественному или искусственному старению. Чтобы уяснить причины упрочнения сплавов при термической обработке, рассмотрим фазовый состав и превращения в двухкомпонентном сплаве, состоящем из алюминия и 4% меди (рис1.).

Равновесная структура сплава при комнатной температуре представляет собой - твёрдый раствор, содержащий около 0,5% меди, и включения интерметаллидов типа СuАl2, При такой структуре сплавы обладают низкой прочностью и хорошей пластичностью. Для максимального упрочнения сплавов термической обработкой необходимо решить две задачи:

1. Повысить прочность основной части структуры, т.е. кристаллов - твёрдого раствора;

2. Обеспечить образование  вместо относительно крупных  избыточных кристаллов интерметаллида СuАl2,большого количества мельчайших вторичных выделений, препятствующих движению дислокаций. Известно, что напряжение, необходимое для «проталкивания» дислокации между частицами, разделёнными расстоянием L, равно:

 

, где 
 
G - модуль сдвига, в - вектор Бюргерса дислокации.  

Следовательно, чем мельче частицы, тем больше их количество, меньшее расстояние L между ними и большее напряжение «проталкивания». Отсюда, чем мельче частицы, тем больше их упрочняющее воздействие.

Первой упрочняющей операцией  для дюралюмина является закалка. Возможность применения закалки основана на наличии переменной растворимости меди в алюминии. Её цель - получить в сплаве неравновесную структуру пересыщенного твёрдого раствора с максимальной концентрацией меди. Закалка заключается в нагреве сплава несколько выше линии переменной растворимости (но не выше солидуса) с последующим резким охлаждением в холодной воде.