Отжиг алюминиевых сплавов » Ремонт Строительство Интерьер

Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Отжиг алюминиевых сплавов

15.06.2021

Дислокационная структура, образующаяся при холодной деформации алюминия, менее стабильна, чем в отожженном состоянии. Поэтому она имеет тенденцию к превращению в более стабильное состояние. В алюминии, очищенном зонной плавкой, такое превращение может происходить при комнатной температуре, в то время как аналогичные изменения структуры в алюминии более низких сортов и в промышленных алюминиевых сплавах имеют место только в процессе отжига при повышенных температурах. Одновременно с изменением структуры меняются различные свойства, на которые влияет холодная деформация. Эти изменения проходят в несколько стадий в соответствии с длительностью и температурой нагрева и позволяют составить представление о различных механизмах отжига или процессах, происходящих при этом. Первый из них, имеющий место при наиболее низких температурах и коротких выдержках, известен как возврат.

Возврат


Структурные изменения на ранних стадиях возврата обычно трудно обнаружить с помощью обычного металлографического анализа. Исследования методами дифракции рентгеновских лучей и просвечивающей электронной микроскопии показывают, что в процессе возврата количество дислокаций значительно уменьшается, и путем их перестройки образуется субструктура с границами субзерен в виде стенок или групп дислокаций. На рис. 4.9 показано последовательное превращение структуры при отжиге сплава Al - 5 % Mg. Первую стадию процесса возврата иногда рассматривают как полигонизацию. При увеличении температуры и длительности нагрева полигонизация практически заканчивается и начинается постепенный рост субзерен. На этой стадии границы многих зерен полностью освобождаются от сплетений дислокаций.

Уменьшение плотности дислокаций при возврате приводит к снижению прочности и изменению других свойств. Влияние возврата на прочностные свойства сплава 1100 показано на рис. 4.11. При температурах до 230°С разупрочнение происходит по механизму возврата и характеризуется быстрым начальным снижением прочности и медленным, асимптотическим характером дальнейшего ее изменения. Поведение других алюминиевых сплавов при возврате аналогично описанному выше, хотя оно зависит и от состава сплава. В сплавах системы Al-Mg наблюдается повышенная тенденция к возврату.

Возврат сопровождается изменением и других свойств холоднодеформированного алюминия. Электропроводность возрастает, в то время как внутренние напряжения, запас накопленной энергии и ширина линий рентгенограммы уменьшаются. Как правило, некоторое изменение свойств можно наблюдать уже при температурах от 93 до 120°С. С повышением температуры амплитуда изменений увеличивается. Полное устранение последствий холодной деформации происходит только при рекристаллизации.

Нагартованные сплавы системы Al-Mg представляют собой особую проблему промышленной значимости ввиду их разупрочнения при вылеживании при комнатной температуре (естественного старения). На рис. 4.12 приведены графики разупрочнения сплава Al - 6 % Mg; видно, что процесс разупрочнения усиливается с повышением степени холодной деформации и содержания магния в сплаве.

Электронно-микроскопический анализ сильнонагартованных сплавов показывает, что плотность дислокаций в процессе разупрочнения при комнатной температуре не изменяется. По-видимому, снижение внутренней энергии материала происходит путем взаимодействия и релаксации дислокаций в сплетениях без заметного уменьшения их количества.

Ввиду того что разупрочнение при вылеживании затрудняет гарантирование минимальных свойств нагартованных сплавов системы Al-Mg, в практике производства вместо естественного старения для ускорения разупрочнения и повышения пластичности применяют кратковременный нагрев при 120—175°С. При этом обеспечивается также полная стабильность свойств. Материал, прошедший такую обработку, обозначается НЗХ.

Рекристаллизация


Рекристаллизация характеризуется постепенным образованием новых зерен, которые выявляются обычным металлографическим анализом с помощью светового микроскопа (рис. 4.13). Структура, полученная в процессе рекристаллизации, гораздо менее напряженна, в ней наблюдаются только отдельные дислокации внутри зерен и нет дислокационных скоплений на границах. Обычно рекристаллизация происходит при более длительных выдержках или более высоких температурах нагрева, чем возврат, хотя часто имеет место совмещение этих процессов. Металлографические исследования показывают, что рекристаллизованные зерна образуются посредством роста отдельных субзерен в деформированной структуре после возврата.

Степень рекристаллизации зависит от продолжительности и температуры нагрева. Температурно-временная зависимость начала и конца рекристаллизации в листах сплава 1100 показана на рис. 4.14. Эта зависимость может быть выражена в виде уравнения скорости типа

где t — время; T — абсолютная температура; е — основание натурального логарифма; k и а — постоянные для каждого сплава и состояния.

Постоянная а может быть заменена выражением: Q/R, где R — газовая постоянная, a Q-энергия, сходная с энергией активации. Величина Q считается равной около 214 кДж/моль для алюминия промышленной чистоты. Поведение алюминиевых сплавов при рекристаллизации обычно достаточно хорошо согласуется с уравнением (4), за исключением случаев, когда при температурах отжига происходит растворение или выделение интерметаллических фаз.

На рекристаллизацию влияют также степень и температура деформации. Обычно с повышением степени деформации уменьшаются температура и продолжительность процесса рекристаллизации. Сведения о влиянии температуры деформации неточны, однако рекристаллизация затрудняется при повышении температуры. Сплавы, деформированные при температурах вышe 400°С, как правило, очень трудно рекристаллизуются.

Химический состав сплава влияет на рекристаллизацию, что особенно заметно на примере алюминия высокой чистоты: почти любые примеси или легирующие элементы вызывают значительное повышение температуры рекристаллизации. Однако при содержании легирующего элемента выше предела растворимости влияние состава на рекристаллизацию усложняется. Дисперсные фазы в алюминии могут ускорять или замедлять процесс рекристаллизации в зависимости от их размера, взаимного расположения и стабильности при температуре отжига.

На графиках рис. 4.15 показано влияние увеличения содержания железа на рекристаллизацию алюминия высокой чистоты. Для большинства низколегированных сплавов все железо, содержащееся в сплаве, находится в твердом растворе, и с увеличением концентрации твердого раствора температура рекристаллизации повышается. При повышении содержания железа свыше предела растворимости наблюдается обратная картина и в матрице появляются дисперсные выделения фазы FeAl3. Объемная доля этих выделений возрастает с ростом концентрации железа при соответствующем снижении температуры рекристаллизации. Узкий интервал температур рекристаллизации можно связать с повышенной скоростью образования новых зерен при увеличении количества дисперсных частиц FeAl3 диаметром от 0,6 до 2,2 мкм.

При определенном размере зерна (<0,1 мкм) и расстоянии между частицами <1,5 мкм рекристаллизация может быть замедлена благодаря тому, что дислокационная структура деформированного металла закрепляется и стабилизируется частицами выделений. В исключительных случаях температура рекристаллизации может быть повышена до 500°С, при этом возможно образование более крупнозернистой структуры, чем обычно. Однако в промышленных алюминиевых сплавах, изготавливаемых по принятой технологии, как правило, не образуются ультрамелкие дисперсоиды, в присутствии которых столь существенно повышается температура рекристаллизации. Типичный интервал температур рекристаллизации для промышленных алюминиевых сплавов соответствует 340-410°C, и для значительного повышения температуры рекристаллизации необходимо использование необычных технологических приемов, например очень высоких скоростей охлаждения при кристаллизации.

Размер рекристаллизованного зерна является важной структурной характеристикой и контролируемой величиной. Для каждого конкретного сплава одним из наиболее важных факторов, влияющих на размер зерна, оказывается степень холодной деформации (рис. 4.16). При небольших степенях деформации размер рекристаллизованного зерна относительно велик. По мере увеличения степени холодной деформации размер зерна асимптотически уменьшается со скоростью, зависящей от состава сплава, технологии изготовления материала и условий отжига. Рекристаллизация не происходит, если степень холодной деформации ниже определенной минимальной величины при данных технологии производства и условиях отжига. При этой критической степени деформации имеет место образование наиболее крупнозернистой рекристаллизованной структуры при определенных условиях нагрева.

Размер рекристаллизованного зерна в алюминиевых сплавах существенно зависит от скорости нагрева до температуры отжига. Из рассмотрения графиков рис. 4.16 следует, что при медленном нагреве размер зерна больше, чем при быстром. Влияние температуры отжига также показано на рис. 4.16. Более высокая температура отжига снижает критическую степень деформации при рекристаллизации, но незначительно влияет на связь между размером зерна и степенью деформации или скоростью нагрева.

Во многих горячедеформированных полуфабрикатах, особенно из высокопрочных сплавов, рекристаллизация может быть заторможена даже при температурах нагрева под закалку. Однако в этом случае в приповерхностных слоях на небольшой глубине можно обнаружить крупные рекристаллизованные зерна. Единственным объяснением такой структуры является более высокая степень деформации поверхностных слоев по сравнению с сердцевиной (рис. 4.17). Таким образом, в процессе деформации имеет место эффективный градиент деформационного упрочнения, благодаря чему возможны колебания в величине критической степени деформации, необходимой для прохождения рекристаллизации при выбранных температуре и продолжительности нагрева. Выдержка при температуре горячей деформации после ее проведения или последующий повторный нагрев могут вызвать рекристаллизацию в поверхностных слоях при степенях деформации, превышающих критическую. В этих условиях рекристаллизованные зерна будут очень крупными.

Размер рекристаллизованного зерна зависит также от состава сплава. В общем, легирующие элементы и примеси, такие как медь, железо, магний и марганец, уменьшают размер зерна. Влияние таких элементов, как хром, железо и марганец, имеющих ограниченную растворимость в твердом алюминии, зависит от структуры составляющих, которые они образуют друг с другом и с другими элементами, и от распределения последних в структуре. Это особенно заметно на примере марганца. Распределение этих элементов определяется условиями литья слитков, предварительным нагревом слитков перед деформацией (разд. 5) и другими технологическими факторами. Указанные операции в производстве подвергают специальному контролю, чтобы обеспечить такое распределение составляющих, которое позволило бы получить мелкозернистую структуру.

Рекристаллизованные зерна в деформируемых алюминиевых сплавах сильно различаются по форме: в алюминии промышленной чистоты и в низколегированных сплавах они почти равноосные, в высоколегированных сплавах очень вытянутые или чечевицеобразные. На форму зерна влияют главным образом такие элементы, как марганец, хром и цирконий, которые неравномерно распределены в исходном литом материале и образуют очень мелкодисперсные частицы, обычно порядка около 0,1 мкм или меньше. В деформированной структуре дисперсоиды располагаются в виде перемежающихся полос или слоев. Эти полосы препятствуют росту зерен при рекристаллизации, за счет чего в высоколегированных сплавах они приобретают вытянутую форму.

В процессе рекристаллизации происходят дальнейшие изменения свойств деформированного металла, в котором прошел возврат. Эти изменения продолжаются при отжиге до полного завершения рекристаллизации. Полученный в результате рекристаллизации материал отличается от исходного недеформированного размером зерна и предпочтительной ориентировкой (текстурой). В термически упрочняемых сплавах отжиг может сопровождаться образованием выделений и изменением концентрации твердого раствора.

Изменение свойств при изотермическом отжиге и время, необходимое для начала рекристаллизации, показаны на графиках рис. 4.11. Зависимость между рекристаллизацией и разупрочнением лучше видна на изохронах рис. 4.18, из которых следует, что рекристаллизация изменяет наклон кривых разупрочнения и увеличивает скорость отжига. Скорость отжига возрастает приблизительно по экспоненциальному закону с увеличением температуры. При более высокой степени предварительной холодной деформации отжиг проходит при более низкой температуре. Рекристаллизация сопровождается дальнейшим уменьшением внутренней энергии материала, что подтверждается специальными замерами, а также полным снятием остаточных напряжений.

Собирательная рекристаллизация


Дальнейший нагрев может вызвать рост зерен, протекающий по-разному. При так называемом "нормальном" росте происходит равномерное однородное укрупнение структуры путем постепенного исчезновения малых зерен с неблагоприятными формами или ориентациями относительно соседних зерен. Указанный процесс легко происходит в алюминии высокой чистоты и в сплавах со структурой твердого раствора и может вызвать образование относительно крупного зерна. Росту зерен способствуют мелкозернистая рекристаллизованная структура, высокие температура и скорость нагрева. Укрупнение зерна по описанному механизму имеет место и в промышленных алюминиевых сплавах, но оно в значительной степени тормозится примесными фазами и интерметаллическими соединениями таких элементов, как марганец и хром, которые, блокируя границы зерен, препятствуют их дальнейшему продвижению. В листовом алюминии марки 1100 с рекристаллизованной структурой некоторое укрупнение зерна происходит только при очень малом размере исходного зерна, но в материале, содержащем 200—700 зерен на 1 мм2, оно незначительно (рис. 4.19). Такая зернистость типична для большей части промышленных листов сплава 1100 в состоянии 0.

В ряде случаев возможен другой механизм роста зерен, в частности путем ускоренного роста очень небольшого количества зерен в рекристаллизованном металле. Обычно это наблюдается при очень высоких температурах, при этом диаметр зерен может достигать нескольких миллиметров: По-видимому, в этом случае тормозящее влияние таких элементов, как Железо, марганец и хром, исчезает или уменьшается из-за растворения или изменения размеров и формы частиц. Благодаря высоким температурам некоторые зерна, которые преодолевают это сдерживающее влияние, быстро растут и поглощают другие потенциальные центры роста. Так образуется небольшое число очень крупных зерен. Для большинства сплавов высокие температуры не являются единственной причиной указанного процесса. Другими факторами, способствующими росту зерен, являются малый размер исходного зерна и хорошо развитая текстура рекристаллизации.

Имя:*
E-Mail:
Комментарий: