Наклеп алюминиевых сплавов

Холодная деформация широко применяется для получения нагартованных состояний термически неупрочняемых сплавов (табл. 4.1). Высокая степень нагартовки или полунагартованное состояние (состояние Н18) обычно соответствуют степени деформации около 75 %.

В состоянии Н19 нагартованные полуфабрикаты имеют гораздо более высокую прочность благодаря большей степени деформации. Состояния Н16, Н14 и Hl2 соответствуют меньшим степеням холодной деформации, и они применяются для обозначения материала, нагартованного на 3/4, 1/2 и 1/4 соответственно. Сочетание нагартовки с частичным отжигом используется для получения серии состояний: Н28, Н26, Н24 и Н22; степень нагартовки полуфабрикатов в этих состояниях выше необходимой для обеспечения желаемых свойств, поэтому для снижения прочности их подвергают частичному отжигу. Серия состояний, включающих нагартовку и стабилизирующий отжиг (Н38, Н36, Н34 и Н32), используется для сплавов системы Al-Mg. В нагартованном состоянии эти сплавы склонны к разупрочнению при вылеживании при комнатной температуре. Поэтому их, как правило, подвергают низкотемпературному нагреву для завершения процесса разупрочнения и обеспечения стабильных механических свойств и улучшенных технологических характеристик.



Деформация алюминия и его сплавов осуществляется посредством скольжения вдоль кристаллографических плоскостей. Наличие такого скольжения подтверждается на шлифах монокристаллов и крупнозернистого материала, отполированных перед деформацией. Линии скольжения и полосы деформации в некоторых сплавах можно наблюдать также, если при нагреве или в процессе старения происходит образование выделений вдоль этих линий и полос. На рис. 4.1. показаны полосы деформации и изменения формы зерен при деформации прокаткой.

Деформация изменяет и тонкую структуру материала, образуя дефекты структуры, которые можно наблюдать с помощью просвечивающего электронного микроскопа (разд. 3). Влияние различных степеней холодной деформации на тонкую структуру алюминия чистотой 99,99 % показано на рис. 4.2. На этих электронных микрофотографиях видны скопления дислокаций, образующих сетчатую структуру. Более высокие степени деформации создают большую плотность дислокаций и приводят к дальнейшему уменьшению размера ячейки дислокационной сетчатой структуры. Искажения кристаллической решетки, связанные с дислокациями, и напряжения, вызываемые взаимодействием дислокаций, являются основными причинами деформационного упрочнения при холодной деформации.



Описанные выше изменения микроструктуры влияют на механические свойства алюминия и его сплавов, особенно на прочностные характеристики при растяжении. Кривые деформационного упрочнения нескольких термически неупрочняемых сплавов (рис. 4.3) показывают повышение прочности, связанное с холодной деформацией. Увеличение прочности сопровождается уменьшением пластичности, определяемой относительным удлинением, и снижением способности к формообразованию при таких операциях, как гибка и вытяжка. По этой причине нагартованные материалы обычно не применяются в случаях, когда необходимы высокие пластичность и технологичность при обработке давлением. Исключение составляет сплав 3004-Н19, используемый в нагартованном состоянии для изготовления консервных банок благодаря своей уникальной технологичности.

Влияние повышения степени легирования на механические свойства и величину деформационного упрочнения алюминия также показано на рис. 4.3. На этом рисунке представлены два типа сплавов: 1 — сплавы, легированные магнием, который в значительном количестве растворяется в алюминии, и 2 — сплав, содержащий марганец, выделяющийся из твердого раствора в виде алюминиево-марганцевых дисперсоидов. Графики рис. 4.3 показывают, что магний, находящийся в твердом растворе, упрочняет алюминий более эффективно, чем такое же количество марганца в виде мелкодисперсных частиц второй фазы. Из приведенных графиков следует также, что легирование алюминия магнием или марганцем увеличивает степень деформационного упрочнения. Электронно-микроскопические исследования показывают, что более высокая степень упрочнения легированного алюминия связана с повышением плотности дислокаций.

Холодная деформация повышает сопротивление срезу, предел ползучести при низких температурах и предел усталости гладких образцов. Незначительно влияя на предел усталости надрезанных образцов, нагартовка увеличивает прочность надрезанных образцов при растяжении в такой же степени, как и предел прочности гладких образцов.

Характеристики деформационного упрочнения термически упрочняемых сплавов в состояниях О и Т4 сходны с термически неупрочняемыми сплавами. Кривая деформационного упрочнения сплава Al-Mg-Si (рис. 4.4) в состоянии Т4 характеризуется таким же быстрым начальным ростом предела текучести, эквидистантным изменению предела прочности, как и для термически неупрочняемых сплавов (см. рис. 4.3). В искусственно-состаренном состоянии (Т6) прирост пределов текучести и прочности при нагартовке меньше, чем в состоянии Т4, кроме очень больших степеней деформации.

Применение нагартовки для повышения прочности термически упрочняемых сплавов ограниченно. В основном это касается прессованных полуфабрикатов, проволоки, прутков, труб. Термически упрочняемые сплавы системы Al-Mg-Si широко используются в виде таких полуфабрикатов, которые подвергают волочению в термообработанном состоянии для повышения прочности и улучшения качества поверхности. Низкие пластичность и технологичность других искусственно стареющих сплавов ограничивают применение нагартовки для повышения прочностных свойств. Однако сплавы системы Al-Cu после закалки подвергают небольшой холодной деформации для увеличения эффекта искусственного старения (разд. 5).

Кривые деформационного упрочнения отожженных рекристаллизо ванных алюминиевых сплавов в координатах истинное напряжение — истинная деформация близки к параболическим и могут быть описаны уравнением



где о — истинное напряжение; k — напряжение, соответствующее деформации, равной 1; е- истинная или логарифмическая деформация; n — показатель степени деформационного упрочнения.

Графики деформационного упрочнения нескольких отожженных алюминиевых сплавов, построенные в соответствии с уравнением (1), приведены на рис. 4.5.

С достаточной точностью можно утверждать, что в интервале степеней деформации, используемых при нагартовке, все сплавы подчиняются приведенной выше зависимости. Наклон кривых уменьшается по мере повышения исходной прочности сплава, что указывает на снижение значений n. В то же время значения k возрастают. Замеры графиков на рис. 4.5 показывают, что n уменьшается с 0,24 до 0,17, в то время как k увеличивается от 146 до 479 МПа.

Параметры деформационного упрочнения показаны в таблице.

Скорость деформации может быть выражена в виде первой производной уравнения (1):

Термически неупрочняемые сплавы в холодно- или горячедеформированном состоянии имеют значительно более низкие скорости деформационного упрочнения по сравнению с отожженным материалом. Если деформация предварительно нагартованного материала равна е0, то уравнение деформационного упрочнения принимает вид

Аналогичная ситуация имеет место в случае, когда нагартовке подвергается предварительно горячедеформированный материал. За величину деформационного упрочнения при горячей деформации или формообразовании принимается эквивалентное упрочнение при определенной степени холодной деформации. Величину эквивалентной холодной деформации для горячедеформирбванного материала можно установить, используя кривую деформационного упрочнения для отожженного состояния.

Характеристики деформационного упрочнения алюминиевых сплавов в большой мере зависят от температуры. Деформационное упрочнение при криогенных температурах выше, чем при комнатной. На рис. 4.6 приведены кривые наклепа сплава 1100, прокатанного при комнатной температуре и при — 195°С. Повышение прочности в результате нагартовки при — 195°С составляет около 40 %, однако при значительном снижении пластичности.

Исследования показывают, что предел текучести алюминиевых сплавов повышается с увеличением скорости деформации. При комнатной температуре влияние скорости деформации незначительно: для существенного повышения предела текучести необходимо изменение скорости деформации на несколько порядков. При повышенных температурах относительный прирост предела текучести гораздо больше, что подтверждается графиками зависимости максимального сопротивления срезу при кручении от скорости деформации для сплава 3003 системы Al-Mn при различных температурах (рис. 4.7). Хотя предел текучести алюминия возрастает с увеличением скорости деформации, это нельзя рассматривать как безусловное увеличение деформационного упрочнения. Кроме случая ударного нагружения, влияние скорости деформации может быть скомпенсировано явлением возврата, вызванным нагревом за счет теплоты, выделяющейся при быстрой пластической деформации.



Характеристики деформационного упрочнения алюминиевых сплавов при повышенных температурах зависят как от температуры, так и от скорости деформации. На графиках рис. 4.8 показаны прочностные свойства сплава Al — 5 % Mg, прокатанного при различных температурах. Степень деформационного упрочнения постепенно снижается по мере повышения температуры прокатки до 370°С; при более высоких температурах оно незаметно вообще. Полученные результаты подтверждаются на практике при многих производственных операциях, хотя закономерность изменения прочности от температуры деформации различна в зависимости от способа и степени деформации, длительности выдержки при температуре деформации и других факторов. Поковки, прессованные профили и в некоторых случаях плиты являются теми важными видами промышленных полуфабрикатов, окончательное формообразование которых производят при повышенных температурах.

Механизм пластической деформации алюминия и алюминиевых сплавов при горячем наклепе исследован достаточно полно. Величина деформационного упрочнения уменьшается при повышенных температурах вследствие разупрочнения путем термически активируемого возврата, происходящего во время деформации и непосредственно после нее. Исследования показывают, что при таком динамическом возврате образуется субструктура, сходная с имеющей место в предварительно холоднодеформированном алюминии после нагрева (рис. 4,9, б, в). В результате деформации при постоянных температуре и скорости (равномерная деформация) образуется субструктура, размер зерна которой зависит от скорости и температуры деформации. Сопротивление высокотемпературной деформации обратно пропорционально размеру образующихся субзерен. Чем ниже температура или выше скорость деформации, тем меньше размер субзерен и, следовательно, выше напряжение, вызывающее деформацию.

Быстрое охлаждение после горячей деформации может затормозить рекристаллизацию, при этом в материале сохраняется ранее образовавшаяся субструктура. В этом случае прочностные свойства горячедеформированного алюминия при комнатной температуре зависят от размера субзерен. На рис. 4.10 показана такая зависимость на примере твердости алюминия и нескольких двойных сплавов системы Al-Mg. Прочность материала с субструктурой выше, чем у полностью рекристаллизованного, при одинаковом составе.

Физические и химические свойства алюминия и его сплавов изменяются под влиянием нагартовки. Как правило, эти изменения малы и представляют чисто научный интерес. В некоторых случаях нагартовка имеет практическое значение благодаря значительному повышению сопротивления коррозионному растрескиванию под напряжением.

Нагартовка незначительно влияет на электропроводность алюминия, значения которой для многих алюминиевых сплавов в нагартованном состоянии ниже, чем в закаленном или полностью термообработанном. Типичная электропроводность проводникового алюминия составляет 63 % от электропроводности международного медного эталона в отожженном состоянии и 62,5 % в нагартованном состоянии H19.

Холодная деформация несколько уменьшает плотность, это снижение составляет около 0,2 % для сильно нагартованного алюминия. Информация о влиянии нагартовки на плотность других сплавов очень ограниченна. Данные табл. 4.2 показывают, что плотность нагартованных вхолодную сплавов системы Al-Mg меняется в большей степени по сравнению с чистым алюминием. Это позволяет предположить, что магний увеличивает число дислокаций и точечных дефектов, образующихся при холодной деформации.

Дислокации и точечные дефекты, имеющиеся в металле после холодной деформации, повышают его внутреннюю энергию. Эта накопленная энергия, являющаяся движущей силой для структурных превращений при отжиге, может быть замерена специальными приборами. Экспериментальные данные показывают, что величина накопленной энергии постепенно возрастает с повышением степени деформации и составляет около 13 и 16 кДж/кг-атом (3 и 4 кал/г-атом) для средне- и сильнонагартованногj алюминия соответственно.

Холодная, деформация оказывает незначительное влияние на модуль упругости алюминия и его сплавов. Причиной этих несущественных изменений является разница в текстуре и кристаллографической ориентации. В результате такие упругие константы, как модули сдвига и упругости, имеют одинаковые значения в отожженном и нагартованном состояниях.

Нагартовка влияет на неупругие свойства материала — внутреннее трение и демпфирующую способность. Демпфирующая способность у отожженного алюминия выше, чем у нагартованного, однако величина ее зависит от условий испытания и величины приложенного напряжения. При высоком приложенном напряжении и наличии механического гистерезиса демпфирующая способность отожженных сплавов выше по сравнению с нагартованными. Если действующее напряжение мало, а механический гистерезис отсутствует, холодная деформация. может повышать демпфирующую способность.

Как правило, нагартовка очень незначительно изменяет химические свойства алюминия, и ее действие является вторичным, поскольку при холодной деформации изменяется структура сплава. Можно предположить, что в нагартованном состоянии скорость реакции алюминиевых сплавов в определенных коррозионноактивных средах будет выше из-за более высокого уровня энергии, накопленной в результате деформации. Однако экспериментальные данные показывают, что холодная деформация незначительно влияет на коррозионную стойкость большинства алюминиевых сплавов в различных коррозионных средах.

В некоторых особых случаях возможно снижение коррозионной стойкости определенных алюминиевых сплавов под влиянием холодной деформации. Холодная деформация может вызывать остаточные растягивающие напряжения и, как следствие, коррозионное растрескивание некоторых термически упрочняемых сплавов в коррозионно активных средах. В термически неупрочняемых сплавах системы Al-Mg холодная деформация может вызвать или ускорить процесс образования выделений по границам зерен; по этой причине сплавы с содержанием Mg больше 4% становятся чувствительными к коррозионному растрескиванию под напряжением. Обычно только длительное вылеживание при комнатной температуре или нагрев при повышенных температурах приводят к интенсивному распаду по границам зерен, вызывающему склонность к коррозии под напряжением. Однако для большинства промышленных сплавов системы Al-Mg степень холодной деформации намеренно ограничивается и для применения рекомендуются только специальные коррозионностойкие состояния.