Влияние легирующих элементов и примесей на механические свойства алюминия и его сплавов

Способность к формообразованию. Способность к формообразованию характеризуется степенью деформации, с которой материал может быть пластически продеформирован при определенном процессе его обработки. Алюминиевые листы и профили обычно разрушаются путем образования локализованной шейки или пластичного излома. Образование шейки обусловлено комплексом свойств материала, таких как деформационное упрочнение, упрочнение в зависимости от скорости деформации, и зависит главным образом от направления деформации в процессе формообразования. В малолегированных сплавах склонность к образованию шейки или сосредоточенной деформации уменьшается при холодной деформации, упрочнении при старении, при наличии крупных дефектов, крупнозернистой структуры и легирующих элементов в твердом растворе. Пластичное разрушение имеет место в результате зарождения и слияния микропустот на частицах выделений и концентрации деформации в узких полосах сдвига. Разрушение обычно происходит при больших степенях деформации, чем соответствующие образованию шейки, и это важно в случаях, когда образование шейки подавлено. Наиболее распространенными примерами таких разрушений являются разрывы при малых радиусах гиба и при холодной протяжке, прогладке и правке растяжением вблизи надрезов или срезанных кромок.

В разработке сплавов с хорошей способностью к формоизменению достигнуты значительные успехи, но оптимизация состава не может быть обеспечена, если исходить только из этого качества. Необходимо учитывать и назначение детали, принимая во внимание, что улучшение ее функциональных характеристик, таких как прочность и простота механической обработки, часто приводит к снижению способности материала к формоизменению.

Основными сплавами, которые упрочняются путем образования твердых растворов (часто в сочетании с нагартовкой), являются сплавы системы Al-Mg (серии 5ХХХ). Содержание магния в этих сплавах находится в пределах от 0,5 до 6 % (по массе). Указанные сплавы часто содержат небольшие добавки переходных элементов, таких как хром или марганец и реже цирконий, которые вводят для регулирования зеренной или субзеренной структуры, а также примеси железа и кремния, обычно присутствующие в виде интерметаллических соединений. На рис. 6.9 показано влияние содержания магния в твердом растворе на величину предела текучести и относительного удлинения основных промышленных широко применяемых Al-Mg сплавов. Заслуживает внимания значительное начальное уменьшение относительного удлинения при введении небольших добавок магния.

Снижение способности к формообразованию, вызываемое добавками магния и меди, связано, по-видимому, с тенденцией растворенных атомов мигрировать к дислокациям (деформационное старение). Это приводит к повышению деформационного упрочнения при небольших деформациях, поскольку дислокации закрепляются растворенными атомами, но к снижению деформационного упрочнения при больших степенях деформации. Небольшие добавки магния или меди уменьшают также величину деформационного упрочнения, связанного со скоростью деформации, что в свою очередь приводит к образованию менее выраженной шейки после равномерного удлинения. Цинк в малолегированных сплавах оказывает незначительное влияние на деформационное упрочнение и не приводит к деформационному старению.

Элементы, имеющие низкую растворимость в твердом состоянии при типичных температурах технологических операций, такие как железо, кремний и марганец, присутствуют в виде частиц вторых фаз и слабо влияют как на деформационное упрочнение, так и на упрочнение в зависимости от скорости деформирования, а следовательно, и на образование шейки. Однако частицы вторых фаз играют важную роль в процессе разрушения, что следует из графиков рис. 6.10 и 6.11. В примерах, показанных на этих рисунках, повышение содержания железа, никеля или марганца приводит к увеличению количества микроскопических частиц, способствующих разрушению. С добавкой магния связано дополнительное уменьшение деформации при разрушении из-за более высокого напряжения течения при образовании и росте пустот на частицах интерметаллидов. Магний в твердом растворе способствует также локализации деформации в полосах сдвига, при этом пустоты концентрируются в тонкой плоскости с высоколокализованной энергией.

Сплавы, упрочняющиеся при искусственном старении, обычно подвергают формообразованию в естественно состаренном состоянии (Т4) или в отожженном (О) и очень редко в состоянии, состаренном на максимум прочности (Т6), поскольку пластичность в этом состоянии наиболее низкая. На рис. 6.12 показано влияние различного структурного состояния, связанного с типом образующихся выделений, на свойства сплава 2036 (2,5 % Cu, 0,5 % Mg), определяющие способность к формоизменению. Аналогичные кривые можно построить для большинства дисперсионно упрочняемых сплавов серий 2ХХХ и 6ХХХ.

Данные, приведенные на рис. 6.12, получены на листовых разрывных образцах, которые сначала были закалены, а затем состарены при температурах в интервале от комнатной до 350°С. Это позволило получить весь набор структур, которые образуются в сплаве начиная с закаленного состояния, затем в состояниях Т4 и Т6 и кончая перестаренным состоянием и стадией коагуляции выделений.

Вязкость разрушения и усталостные свойства. Применение высокопрочных алюминиевых сплавов в авиационной промышленности выдвигает повышенные требования к характеристикам усталости и разрушения. При разработке алюминиевых сплавов для авиации необходим контроль состава для получения определенной микроструктуры, способной к сопротивлению разрушению.

Расчет конструкций из таких алюминиевых сплавов, как 7475, 7050 или 2124, основывается в первую очередь на контроле микроструктуры посредством регулирования состава и технологии производства. Установлено, что на вязкость разрушения и усталостные свойства высокопрочных алюминиевых сплавов влияют три типа частиц вторых фаз:

Влияние этих частиц на вязкость разрушения и усталостные свойства обсуждается ниже.

Вязкость разрушения. Принято считать, что разрушение хрупких частиц кристаллизационного происхождения способствует образованию трещины и снижает вязкость разрушения. Поэтому для повышения вязкости разрушения высокопрочных алюминиевых сплавов часто используют снижение уровня содержания железа и кремния. Разработка сплавов с повышенной вязкостью разрушения, таких как 7475, 7050 и 2124, в большой мере основана на применении более чистого исходного алюминия, чем в сплавах 7075 и 2024. На рис. 6.13 показано влияние чистоты алюминия на сопротивление разрушению листа сплава 7050. Аналогичным образом на вязкость разрушения высокопрочных сплавов влияют частично растворимые выделения. На рис. 6.14 показано снижение вязкости разрушения плит сплава 2024 при увеличении объемной доли выделений Al2CuMg.

Для обеспечения высокой вязкости разрушения содержание элементов, образующих дисперсоиды, должно быть ограничено минимально необходимым для регулирования размера зерна, механических свойств и сопротивления коррозионному растрескиванию. Данные, полученные на листах сплавов серии 7ХХХ (рис. 6.15), свидетельствуют о значительном снижении удельной энергии распространения трещины при увеличении содержания хрома. Замена хрома цирконием или марганцем также может влиять на вязкость разрушения. Тем не менее наблюдаемое влияние различных дисперсоидов на вязкость разрушения можно с полным основанием отнести к особенностям этого параметра и связать с воздействием дисперсоидов на зеренную структуру деформированного полуфабриката.

Основное влияние упрочняющих выделений на вязкость разрушения высокопрочных алюминиевых сплавов проявляется в повышении предела текучести и зависит от технологии изготовления и режимов термообработки деформированных полуфабрикатов. Однако изменения состава, в особенности содержания магния, вызывают значительные изменения вязкости разрушения сплавов серии 7ХХХ. Эти колебания химсостава не меняют основных характеристик упрочняющих выделений, но до некоторой степени сказываются на их тонкой структуре.

Усталостные характеристики и скорость роста трещины усталости. Алюминий не имеет конкретного предела усталости, который типичен для малоуглеродистых сталей и определяется при построении усталостных кривых (о-N). При испытаниях гладких и надрезанных образцов, когда долговечность образца обусловлена в основном зарождением трещины, сопротивление усталости выражается величиной напряжения при заданном числе циклов. В случае, когда интерес представляет развитие трещины усталости, поведение алюминия оценивают посредством фиксации скорости роста трещины усталости (da/dN) в зависимости от коэффициента интенсивности напряжений (АК). Этот вид испытаний представляет первостепенную важность для сплавов, применяемых в конструкциях самолетов.

Общеизвестно, что легирование, технология изготовления или термообработка, повышающие предел прочности, вызывают увеличение и усталостных свойств алюминия. Однако разработка алюминиевых сплавов с повышенным сопротивлением усталостному разрушению не означает адекватность в изменении вязкости разрушения.

Влияние крупных частиц кристаллизационного происхождения на усталостные свойства высокопрочных алюминиевых сплавов в значительной степени зависит от типа испытания и величины приложенного напряжения. Снижение содержания железа и кремния не всегда приводит к повышению сопротивления усталостному разрушению, соразмерному с описанным выше повышением вязкости разрушения. Например, повышение чистоты материала не вызывает значительного улучшения усталостных свойств как на гладких, так и на надрезанных образцах. Никакой существенной разницы в скорости роста трещины усталости (СРТУ) у сплавов серии 7ХХХ в зависимости от чистоты не наблюдается при низких и средних значениях коэффициента интенсивности напряжений (AK). Однако СРТУ значительно уменьшается при высоких значениях AK в сплавах с низким содержанием железа и кремния. Причина такого улучшения свойств, безусловно, связана с более высокой вязкостью разрушения материала повышенной чистоты. При высоких значениях AK, когда приращение длины трещины за один цикл (da/dN) велико, локализованное разрушение и образование пустот на частицах кристаллизационного происхождения становятся доминирующими процессами в механизме роста усталостной трещины. Установлено, что в случае периодической перегрузки образцы сплавов низкой степени чистоты имеют меньшую СРТУ, чем более чистые материалы. Это связывают с локальным отклонением трещины, вызываемым нерастворимыми составляющими. Вторичные трещины на этих частицах приводят к снижению величины AK в вершине магистральной трещины и уменьшают значения замеряемой СРТУ.

Четко выраженного влияния частиц дисперсоидов на усталостные характеристики алюминиевых сплавов не установлено. В двух различных работах сделаны выводы, что дисперсоиды незначительно влияют на сопротивление росту трещины усталости и усталостную прочность надрезанных образцов сплавов серии 7ХХХ. Частицы дисперсоидов могут играть определенную роль в усталостном поведении при высоких значениях AK, когда превалируют механизмы, определяющие вязкость разрушения.

В пределах данной системы сплавов небольшие изменения в составе, влияющие на упрочняющие выделения, не изменяют сопротивления усталости. Однако значительная разница наблюдается при сравнении сплавов различных систем. Например, известно, что сплав 2024-ТЗ превосходит сплав 7075-Т6 при уровне напряжений, соответствующем небольшой базе (~10в5 циклов). Более высокие усталостные характеристики сплава 2024-ТЗ на базе 10в5 циклов являются причиной предпочтительного его использования (а не 7075-Т6) в конструкциях узлов самолетов, испытывающих в основном растягивающие нагрузки.

Сплав 2024-Т3 имеет также преимущество по сравнению со сплавом 7075-Т6 и другими сплавами серии 7ХХХ по скорости роста трещины усталости. Превосходство сплава 2024-ТЗ над сплавом 7075-Т6 во всем исследованном интервале значений AK показано на рис. 6.16. В сплавах серии 7ХХХ повышение содержания меди снижает СРТУ в условиях высокой влажности. Это связывается с улучшением коррозионной стойкости во влажной атмосфере у сплавов этой серии с повышенным содержанием меди.

Конструктора-расчетчики, связанные с проблемами усталости, сейчас начинают все шире использовать усталостные испытания при целом спектре нагрузок для прогнозирования поведения материалов в эксплуатации. Исследованием, проведенным этим методом, показано, что сплав 7475-Т76 с высокой вязкостью разрушения имеет лучшие характеристики, чем сплавы 2024-ТЗ или 7075-Т6.

Пластичность при ковке и штамповке. Из алюминия промышленной и более высокой чистоты можно легко изготовить полуфабрикаты сложной формы ковкой и штамповкой в широком температурном интервале. Легирование обычно ухудшает пластичность из-за роста предела текучести и присутствия нерастворимых фаз, нарушающих однородность структуры. Из-за более высоких значений предела текучести повышаются усилия деформации, а наличие нерастворимых фаз ухудшает однородность течения металла и способствует развитию трещин. Такие легирующие элементы, как медь, магний и кремний, значительно повышают прочность твердого раствора. Хром, марганец, титан, ванадий и цирконий образуют нерастворимые фазы. Присутствие этих элементов упрочняет алюминий при повышенной температуре, однако их действие сказывается в меньшей степени по сравнению с элементами, образующими твердые растворы. Если труднорастворимые элементы присутствуют в достаточном количестве, могут образоваться грубые выделения первичных фаз. Эти частицы могут способствовать образованию локальных трещин при ковке или другом виде горячей деформации. На рис. 6.17 показано влияние наиболее часто используемых добавок на пластичность при ковке в интервале от 370 до 455°С.

Из приведенных графиков следует, что способность к формоизменению при ковке, оцениваемая сопротивлением деформации, имеет почти линейную температурную зависимость для всех исследованных сплавов. Что же касается образования трещин при ковке, то склонность к ним резко возрастает при первых признаках оплавления сплава.

Плотные доброкачественные отливки из малолегированных сплавов можно ковать непосредственно в литом состоянии. Слитки более легированных сплавов обычно подвергают гомогенизации перед ковкой, а в случае высокопрочных сплавов при изготовлении массивных поковок и поковок сложной конфигурации для обеспечения однородной структуры желательно использовать в качестве подготовительной операции горячую прокатку, прессование или предварительную ковку заготовки. Для перевода максимального количества легирующих элементов в твердый раствор и сфероидизации оставшихся вне раствора составляющих необходимо проведение закалки.

Обрабатываемость резанием. Чистый алюминий — относительно мягкий и пластичный материал, он налипает на режущий инструмент, при этом образуются нарост на режущей кромке и длинная стружка. Необходима специальная технология обработки, чтобы избежать образования шероховатости поверхности и грубых заусенцев. Легирование алюминия улучшает его обрабатываемость резанием. Элементы, входящие в твердый раствор и делающие возможным упрощение сплава путем термообработки или нагартовки, повышают твердость алюминиевой матрицы, благодаря чему уменьшаются наволакивание на режущий инструмент, образование заусенцев, шероховатость и надрывы на обрабатываемой поверхности, а также длина стружки.

Элементы, не входящие в твердый раствор, способствуют ломкости стружки, уменьшая ее длину. Такие элементы, как свинец и висмут, образуют маленькие нерастворимые глобули и эффективно охрупчивают стружку. Если в сплаве содержится достаточное количество каждого из этих элементов (обычно около 0,5 % каждого), повышается скорость резания и уменьшается потребность в охлаждающей эмульсии. Интерметаллические соединения, такие как CuAl2 или FeAl3, также улучшают обрабатываемость резанием без существенного снижения долговечности режущего инструмента. Однако очень твердые составляющие (кремний или сложные интерметаллические соединения, содержащие хром или марганец), эффективно охрупчивая стружку, значительно уменьшают срок службы резцов. В этом отношении особенно вредны выделения первичного кремния в литейных заэвтектических Al-Si сплавах; в то же время при наличии кремния стружка снимается в виде мелких кусочков, притупление режущей кромки минимально и достигается высокая чистота обрабатываемой поверхности. Натрий, стронций, сурьма и фосфор также влияют на обрабатываемость резанием, поскольку они изменяют микроструктуру литого материала. Натрий, стронций или сурьма видоизменяют морфологию эвтектики, содержащей кремний, превращая его выделения из иглообразных в сфероидизированные или очень тонкие частицы. Фосфор оказывает рафинирующее действие на первичный кремний в заэвтектических сплавах, уменьшая размер его выделений примерно в 10 раз. Как модифицирование, так и рафинирование значительно повышают стойкость режущего инструмента.

Обобщая изложенное, можно сказать, что наихудшую обрабатываемость резанием имеют малолегированные сплавы и состояния с наиболее низкой твердостью. Холодная деформация, повышение степени легированности и (или) термическая обработка приводят к увеличению твердости сплава, улучшению качества обрабатываемой поверхности, уменьшению износа режущего инструмента, образования заусенцев и притупления режущей кромки. Элементы и выделения, не находящиеся в твердом растворе, способствуют ломкости стружки. Твердые составляющие, особенно если они крупные, могут значительно снизить долговечность режущего инструмента.