Соединения алюминия

Содержание       Введение..................................................................................................................5 1.Литературный обзор................................................................................................6   1.1.Общие сведения об алюминии .........................................................................6   1.1.1.Сплав АК4-1.....................................................................................................7   1.2.Диаграмма состояния Al-Cu-Mg......................................................................10   1.2.1.Диаграмма состояния Al-Cu..........................................................................10   1.2.2.Диаграмма состояния Al-Mg.........................................................................11   1.3.Фазовый состав сплава.....................................................................................12   1.4.Термическая обработка алюминиевых сплавов.............................................14   1.4.1. Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение)...................15   1.5. Постановка задач исследования......................................................................17 2. Материал и методики исследований...................................................................18   2.1. Материал исследования...................................................................................18   2.2.Методы эксперимента.......................................................................................18   2.2.1. Методики подготовки образцов для микроструктурных       исследований.....................................................................................................18         2.2.2.Методика травления сплава..........................................................................19         2.2.3. Методика  определения микротвердости...................................................19        2.2.4. Метод оптико-эмиссионной спектрометрии..............................................20         2.2.5.  Метод исследования структуры в просвечивающем электронном                   микроскопе.....................................................................................................20         2.2.6. Методы определения среднего размера зерна............................................20      3. Результаты исследований.....................................................................................22         3.1. Результаты оптико-эмиссионного анализа....................................................22         3.2. Результаты определения микротвердости.....................................................22         3.2.1.График микротвердости состояния поставки..............................................23         3.2.2.График микротвердости после закалки........................................................23         3.2.3.График микротвердости после старения .....................................................24         3.3.Результаты  исследования структуры  в электронном микроскопе..............24                Выводы..............................................................................................................27                Список литературы...........................................................................................28
Изм	Лист	№ докум.	Подп	Дата
Разраб.		Искандарова И.Р.			Исследование химического состава и структуры образцов сплава АК4-1	Лит.			Лист	Листов
Пров.		Караваева М.В.							4	28
Т. контр.						УГАТУ ФАТС НТ-305
Н. контр.
Утв.

 

Введение

 

Соединения алюминия составляют 80% земной коры. Алюминий является третьим по распространенности металлом после сталей с общим ежегодным выпуском 24 млн. тонн. Кроме первичной продукции, ещё более 7 млн. тонн производится из переработанного алюминия.

Основными примесями, попадающими в алюминий при его производстве, являются кремний и железо, но могут содержаться также медь, цинк, титан и др.

Максимальное содержание легирующих элементов в сплавах алюминия установлено экспериментально и не превышает: марганца-1,6%, кремния-13,0%, меди-5,3%, магния-11,5%, цинка-14,0%, лития-4,5%. Анализ диаграмм состояния показывает, что только сплавы алюминия с кремнием имеют в структуре эвтектику, остальные же имеют структуру твердого раствора и выделения интерметаллидной фазы по границам зерен.

Алюминиевый сплав АК4-1 является  деформированным жаропрочным сплавом, легированный медью, магнием, никелем и железом. Он  относится к классу жаропрочных алюминиевых сплавов. Материал устойчив к воздействию высоких температур, хорошо обрабатывается резанием, удовлетворительно сваривается точечной и роликовой сваркой. Применяется для изготовления деталей реактивных двигателей [1].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.  Литературный обзор

1.1 Общие сведения об алюминии

        Алюминий и  сплавы на его основе имеют  широкое применение в машиностроении  благодаря комплексу ценных физико-химических  свойств: малой плотности, высокой  тепло-, электропроводности, пластичности, коррозионной стойкости.

      Чистый алюминий - серебристо-белый металл с температурой плавления 6600 С, плотностью 2710 кг/ , имеет кристаллическую решетку ГЦК, полиморфных превращений не претерпевает. Механическая прочность чистого алюминия невелика (80-100 МПа).Он применяется в виде токоведущих изделий (провода, шины), конденсаторной и пищевой фольги, покрытий для зеркал, рефлекторов и др.

    Основными примесями, попадающими  в алюминий при его производстве, являются кремний и железо, но  могут содержаться также медь, цинк, титан и др. Железо присутствует в структуре алюминия в форме химического соединения FeAl3, кремний соединений не образует, а его кристаллы имеют игольчатую форму.

     Эти примеси ухудшают  пластичность алюминия и часто  нежелательны в сплавах. Относительное удлинение  для алюминия, содержащего 0,005% примесей составляет 45%, при содержании примесей =25%.

  Cтруктура алюминия технической чистоты состоит из зерен алюминия, включений частиц кремния и FeAl3 на границах.

    Для повышения прочностных  свойств в алюминий вводят легирующие элементы, наиболее распространенными из которых являются медь, цинк, кремний, магний, марганец, литий. Все эти диаграммы состояний алюминия с легирующими элементами одного типа - эвтектические с ограниченной растворимостью второго компонента [3].

              Алюминий характеризуется высокой  химической активностью: энергия  образования его соединений с  кислородом, галоидами, серой и углеродом  очень велика. В ряду напряжений  он занимает место среди наиболее  электроотрицательных элементов (нормальный потенциал его около 1,3 В).

               Обладая большим сродством к  кислороду, алюминий на воздухе  теряет блеск, покрываясь тонкой, но очень прочной окисной пленкой. Электронно-микроскопические исследования  показывают, что пленка окиси алюминия на поверхности твердого алюминия сплошная и беспористая. Она защищает алюминий от дальнейшего окисления и обуславливает его высокие антикоррозионные свойства. Толщина пленки окиси алюминия на поверхности металлического алюминия ~2· мм.

                 Присутствие в алюминии примесей  магния, кальция, натрия, кремния и  меди усиливает его окисление. Особенно легко окисляются при  нагревании алюминиево-магниевые  сплавы, на поверхности которых  образуются рыхлые окисные пленки[4].

 

 

1.1.1.Сплав АК4-1

 

                 Марка АК4-1 обозначает деформированный  алюминиевый сплав, легированный  медью, магнием, никелем и железом. Материал устойчив к воздействию  высоких температур, хорошо обрабатывается  резанием, удовлетворительно сваривается  точечной и роликовой сваркой. Сплав АК4-1 используется для изготовления плит, листов, штампованных заготовок; деталей для греющихся авиационных конструкций, в том числе для деталей двигателей, деталей реактивных двигателей; профилей с площадью сечения до 200 см2 и диаметром описанной окружности до 350 мм, предназначенных для применения в авиационной промышленности и специальных отраслях машиностроения; прессованных панелей постоянного сечения с продольным оребрением для авиастроения, изготовленных методом развертки прессованных оребренных труб в плоскость шириной полотна до 2100 мм; прессованных крупногабаритных труб. [5]

                Ниже приведена таблица химического состава АК4-1 по ГОСТУ.

         Таблица №1.  Химический состав в % сплава АК4-1[5]

Легирующие элементы		Примесные элементы
Fe	0,8-1,3	Si	до 0,35
Ni	0,8-1,3	Mn	до 0,2
Ti	0,02-0,1	Zn	до 0,3
Al	92,05-96,08	-	-
Cu	1,9-2,5	-	-
Mg	1,4-1,8	-	-

 

              Алюминий отличается высокой  электропроводностью (четвертое место  среди металлов- после серебра, меди и золота). По данным А.И.Беляева и Р.М.Гольдштейна [4] , удельная электропроводность алюминия чистотой 99,99 % при 20 ºС. равна 37,9 мкСм·м, что составляет 63,7 % от электропроводности меди (59,5 мкСм·м ). Более чистый алюминий (99,999%) обладает электропроводностью, равной 65,9 % от электропроводности меди.

            На электропроводность алюминия  влияет ряд факторов: степень  деформации, режим термической обработки  и т.д., решающую роль играет природа примесей, присутствующих в алюминии. Влияние примесей на удельное электросопротивление представлено на рисунке 1 по данным А.И.Беляева и Р.М.Гольштейна [4]. Примеси по их отрицательному влиянию на электропроводность алюминия можно расположить в следующий ряд: Cr,V,Mn,Ti,Mg,Ag,Cu,Zn,Si,Fe,Ni. [4]

             На рисунке 1 изображено влияние  примесей на электропроводность  алюминия.

Рисунок 1. Влияние примесей на электропроводность алюминия [4].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Диаграмма состояния Al-Cu-Mg

 

              Система Al-Cu-Mg является основной промышленных сплавов типа дуралюмин. Однако с учетом только тройной системы нельзя определить фазовый состав промышленных сплавов, так как они содержат марганец и в качестве неизбежных примесей- железо и кремний. Свойства промышленных сплавов типа дуралюмин также будут отличаться от свойств тройных сплавов. Однако исследование свойств тройных сплавов системы Al-Cu-Mg дает возможность судить о характере влияния меди и магния на абсолютные значения свойств и на способность сплавов к упрочнению при термической обработке[4].

 

 

1.2.1.Диаграмма состояния Al-Cu

На рисунке 2 представлена диаграмма состояния Al – Cu.

Точка D характеризует максимальную растворимость (5,7%) меди в алюминии, которая наблюдается при температуре 548º С. При комнатной температуре в равновесных условиях алюминий может растворить медь в количестве только 0,5% (точка F).

Рисунок 2. Диаграмма состояния Аl-Сu [6]

 

Любой сплав, содержащий до 5,7% Cu, соответствующим нагревом можно перевести в однофазное состояние - a- твердый раствор замещения меди в алюминии с ГЦК решеткой. Это  состояние  можно  зафиксировать быстрым охлаждением. Такой твердый раствор называется переохлажденным  или пересыщенным. Полученное состояние неустойчиво, поэтому в твердом растворе идут изменения, приводящие к выделению из S-фазы частиц CuAl2    (интерметаллидное соединение). Повышение температуры активизирует процесс выделения интерметаллидных частиц, что составляет суть искусственного старения [6].

 

 

 

1.2.2.Диаграмма состояния Al-Mg

           

              Алюминиевые деформируемые сплавы на основе системы Al—Mg являются термически неупрочняемыми. Они имеют невысокие прочностные характеристики — временное сопротивление и, в особенности, предел текучести, но отличаются высокой пластичностью, хорошей коррозионной стойкостью в различных средах [6].

              На рисунке 3 изображена диаграмма состояния Al-Mg.

Рисунок 3. Диаграмма состояния Al-Mg [6]

           Промышленные сплавы этой системы в соответствии с равновесной диаграммой состояния представляют собой α -твердый раствор с частицами второй фазы Al3Mg2. Кроме того в сплавах могут присутствовать фазы, содержащие марганец, и фаза Mg2Si [6].

 

 

1.3.Фазовый состав сплава

 

              Жаропрочный алюминиевый сплав  АК4—1 по своему  фазовому составу весьма близок к сплавам типа дуралюмин, которые основаны на системе Al—Си—Mg, и основными упрочняющими фазами при термической обработке служат фазы S-Al2CuMg и Cu

              На рисунке 4 показаны поверхности ликвидуса этой диаграммы, где сплошными линиями очерчены границы поверхностей первичной кристаллизации - алюминиевого раствора (α), Сu и фаз S (А12СuМg), Т и β.

               На рисунке 5 в большом масштабе представлены изотермические разрезы системы, отвечающие 500 и 20° С.

Рисунок 4. Поверхность ликвидуса системы Al - Cu – Mg [9]

Рисунок 5. Изометрические разрезы системы Al - Cu – Mg [9]

 

              Согласно изотермическим разрезам тройной диаграммы состояния А1 - Сu - Мg с повышением температуры область α-твердого раствора сильно расширяется и сплавы при низких температурах, будучи трехфазными (разрез при 20°С), становятся при температуре 500°С гомогенными твердыми растворами. Фазы Сu и S при этом переходят в твердый раствор. Железосодержащие фазы и марганцовистая фаза остаются нерастворенными.

                Фазовый состав сплава АК4-1 следующий: основные упрочняющие фазы при термической обработке – S-фаза и ее метастабильные модификации. Железо и никель связываются в основном в тройную фазу с алюминием : в зависимости от избытка железа или никеля против соотношения 1:1 могут образовываться соответственно фазы и .Кремний с магнием образуют фазу . Присутствие фаз , и снижает механические свойства сплавов.

                Основные упрочняющие фазы сплава - Сu и S. Никель связывается с медью и образует фазу за счет избыточных фаз Сu и S, не перешедших в твердый раствор при нагреве под закалку. Железо и кремний образуют тройную фазу α(AlFeSi), кремний с магнием может образовывать также фазу . Высокая жаропрочность сплава АК4-1 определяется прежде всего их фазовым составом, наличием упрочняющей жаропрочной фазы S- , достаточно устойчивой и менее склонной к коагуляции при повышенных температурах, чем фазы Сu и . Доказано так же положительное влияние тройной фазы на жаропрочность сплава. Меньшая легированность твердого раствора сплава АК4-1 способствует меньшей скорости его распада, а следовательно, получению структуры с более тонким строением, обеспечивающей высокие механические свойства при повышенных температурах. В сплавах АК4-1 более низкая скорость распада малолегированного твердого раствора, позволяет так же сохранять большую концентрацию остаточного твердого раствора.[17]

 

 

1.4.Термическая обработка алюминиевых сплавов

 

Термическая обработка слитков и деформированных полуфабрикатов является мощным средством воздействия на их структуру и свойства. Большое разнообразие структур, которые могут быть получены в алюминиевых сплавах после различной термообработки, - результат различной степени отклонения сплавов от термодинамически равновесного состояния при комнатной температуре.

Для алюминиевых сплавов широкое распространение в металлургическом производстве получили три основных вида термообработки: отжиг, закалка, старение [10]. Далее объяснения понятия отжига не будет приведено, так как в данной курсовой работе отжиг не проводится.

 

1.4.1. Упрочняющая термическая обработка (закалка и старение)

 

               Известен способ термической обработки сплава АК4-1, который заключается в закалке с температуры 530±5°С, выдержке при этой температуре, охлаждении в воде с температурой 10-40°С и последующем старении при температуре 190°С 7 часов.

              Цель закалки — получить в сплаве предельно неравновесное фазовое состояние (пересыщенный твердый раствор с максимальным содержанием легирующих элементов). Такое состояние обеспечивает, с одной стороны, непосредственное повышение (по сравнению с равновесным состоянием) твердости и прочности, а с другой стороны, возможность дальнейшего упрочнения при последующем старении. Закалку применяют для сплавов, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии.[11]

              Закалка без полиморфного превращения - это термическая обработка, фиксирующая при более низкой температуре состояние сплава, свойственное ему при более высокой температуре.

              После закалки АК4-1 становится более твердым и прочным, улучшаются показатели обрабатываемости изделий, но ухудшаются ударная вязкость и пластичность.

   Перерыв между закалкой и искусственным старением у сплава АК4-1 практически не влияет на его механические свойства.

           Для избежания поводок и коробления закалку изделий сложной формы и конфигурации из сплавов системы А1—Си—Мg можно производить в горячей воде, при этом механические свойства изменяются незначительно.

              Старение – это термическая обработка, при которой в сплаве, подвергнутом закалке без полиморфного превращения, главным процессом является распад пересыщенного твердого раствора . [4]

              Упрочнение при любых температурах старения происходит во времени. Выдержка необходима для развития диффузионных процессов, лежащих в основе распада пересыщенного твердого раствора. [4]

             Повышенные температуры искусственного старения обеспечивают более высокий предел текучести при пониженной пластичности и удовлетворительную коррозионную стойкость сплавов.

              В процессе старения при 180,195,200,210 и 220°С достигаются максимальные значения и и минимальная пластичность. Поэтому отношение / имеет максимальное значение (0,9). Электросопротивление резко падает, что указывает на интенсивный процесс выделения метастабильной фазы из твердого раствора. Электронно-микроскопические исследования показывают, что распад твердого раствора при этих температурах протекает по всем зернам и с выделением фазы в виде пластинок.

              При 150,160 и 170°С за время старения от 1 до 96 ч наблюдается постепенное повышение прочностных свойств без достижения максимальных значений и некоторое снижение относительного удлинения.

              Отношение / возрастает и становится равным 0,7. Удельное электросопротивление несколько снижается. Распад твердого раствора становится более интенсивным, что указывает на дальнейшее развитие фазового старения. Однако при 150-170°С сохраняется неравномерность распада. .[17]

               На рисунке 6 приведены кинетические кривые старения сплава АК4-1.

Рисунок 6. Кинетические кривые старения сплава АК4-1 при температурах, °С

1-100;2-120;3-130;4-150;5-160;6-170;7-180;8-190;9-200;10-210;11-220 [17]

 

                      Анализ этих данных в свете положений, развиваемых И.Н.Фриляндером, показывает, что кривые старения при 100,120,130°С после выдержек, начиная с 1 ч. и кончая 7 сут., характеризуются весьма слабым повышением временного сопротивления и предела текучести и практически не изменяющимся относительным удлинением. Отношение / имеет сравнительно низкие значения (0,60-0,65). [17]

 

1.5. Постановка задач исследования

 

           Анализ литературных данных показывает, что алюминиевый сплав АК4-1 являетсяперспективным материалом для исследования.

 В связи с этим целью работы является изучение  структуры сплава АК4-1 в трех  состояниях:  исходной структуры (поставки) и после термической обработки: закалки и старения.

         Для решения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Изучение химического состава   оптико-эмиссионным  методом 

2. Измерение микротвердости образцов   сплава АК4-1 в трех состояниях.

3. Исследование структуры образцов  сплава АК4-1

 

2. Материал и методики  исследований

2.1. Материал исследования

 

Материалом исследований является алюминиевый деформируемый сплав АК4-1 в 3-х состояниях:

   - исходный образец 

   - закаленный образец ( закалки 530 °С±5°С,1 час),

   - стандартная обработка(закалка 530°С±5°С ,1 час + старение 7ч при 190°С )

Рисунок 7. Схема термической обработки

 

2.2.Методы эксперимента

2.2.1. Методики подготовки образцов для микроструктурных

исследований

 

Для металлографических исследований из полученных образцов изготавливали микрошлифы. Подготовка микрошлифов включала следующие этапы:

    1) Механическая обработка.

Шлифовка проводилась на корундовых кругах различной зернистости с постепенным переходом от грубого к более мелкому абразиву. При переходе к следующему номеру круга со шлифа тщательно удаляли наждачную пыль, а направление шлифовки меняли на 90°. При этом добивались полного устранения рисок от предыдущего более грубого круга.

   2) Полировка.

    Полировка осуществлялась на алмазных пастах, нанесенных на фотобумагу, с постепенным уменьшением ее зернистости от 7/5 до 2/0. При переходе к последующему номеру пасты со шлифа тщательно удаляли остатки пасты при помощи ацетона, а направление полировки меняли на 90°.

 

 

2.2.2.Методика травления сплава

 

Травление алюминиевого сплава АК4-1 проводилось с помощью травителя Келлера, который состоит     из 0,5· HF + 2,5· HN + +1,5· HCl +1· O [16].  Выдержка образцов в травителе длилась 20 сек, далее образец промывался в дистиллированной ванне.

 

 

 

2.2.3. Методика  определения микротвердости

 

Микротвёрдость [microhardness] - это твёрдость отдельных фаз и структурных составляющих, твёрдость внутри отдельных зёрен, тонкого поверхностного слоя (после химико-термической обработки) и тонких листов и фольги. Микротвёрдость измеряется вдавливанием алмазной пирамидки под нагрузкой менее 2 н (200 гс). Выбор участка для испытания микротвёрдости и определение размеров отпечатка производят под микроскопом, затем по специальным таблицам пересчитывают на так называемое число твёрдости — отношение нагрузки к площади поверхности отпечатка. Прибор для определения микротвёрдости обеспечивает возможность выбора участка микроструктуры, где будет произведено вдавливание; благодаря малым размерам отпечатка можно измерять микротвёрдость отдельных фаз или даже отдельных зёрен. Данные о микротвёрдости используют для изучения неоднородности распределения растворимых примесей по зерну, исследования пластической деформации, построения диаграмм фазового равновесия и т.п.[14]

Микротвердость  определяли на приборе Micromer 51a, при нагрузке 100 г. и выдержке 10 секунд. В соответствие с ГОСТ 2999-75 значение твердости по Виккерсу (HV) вычисляли по формуле

                          

,                             (1)

где F – нагрузка, Н;

D – среднее арифметическое значение длин обеих диагоналей отпечатка после снятия нагрузки, мм;

α– угол между противоположными гранями пирамиды при вершине, равный 136˚.

 

 

2.2.4. Метод оптико-эмиссионной спектрометрии

 

Химический анализ проводили на оптико-эмиссионном спектрометры (ОЭС) Q4 TASMAN с системой регистрации на CCD-детекторах ( ПЗС  детекторах). Анализ проводили  четыре раза.

 

2.2.5. Методы определения среднего размера зерна

 

Количественный анализ структуры производили при помощи программы Grain Size.

Размеры структурных элементов оценивали по методу случайных секущих. Средний размер зерна (d) определяли в соответствии с ГОСТ 21.073.3-75:

                                                                                                                   (2)

где,  l - длина секущей, мкм;

 m - число точек пересечения секущей с границами зерен.

Абсолютную статистическую погрешность значений определяли как

                                                                                                     (3)

где, s(а) - среднее квадратичное отклонение арифметической выборки; t - нормированное отклонение, связанное с доверительной вероятностью Р.

                                                                                             (4)

где, n - число выборок;

ai - средние арифметические значения в каждой выборке;

a0 - средняя арифметическая всех выборочных средних;

К - поправочный коэффициент, зависящий от объема выборки.

Определение характеристик микроструктуры проводили с вероятностью Р = 0,9, при этом абсолютная ошибка измерений на превышала 5 %.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Результаты исследований

3.1 Результаты оптико-эмиссионного анализа

 

Оптико-эмиссионный анализ показал, что элементный состав исследуемого сплава АК4-1 имеет пониженное содержание меди, по сравнению с ГОСТ (табл.1). [6].

Таблица№2.Результаты оптико-эмиссионного метода

	Fe	Si	Mn	Ni	Cr	Ti	Al	Cu	Mg	Zn
По ГОСТу  4784-97	0.8 - 1.4	до   0.35	до   0.2	0.8 - 1.4	до   0.1	0.02 - 0.1	93.05 - 95.28	1.9 - 2.7	1.2 - 1.8	до   0.3
Наш образец	1.095	0.156	0.058	0.64	0.082	0.054	95.56	0.821	1.53	0.016

 

 

3.2. Результаты определения микротвердости

 

            Анализ микротвердости показал, что микротвердость сплава в состоянии поставки 1155 МПа выше по сравнению с закаленным образцом 776 МПа, что говорит о  том, что  исходные образцы  были уже сильно деформированы (таб.3). У образцов после стандартной обработки микротвердость  повысилась до 1394 МПа, предположительно за счет  образования зон Гинье -Престона.

            Ниже приведена таблица численных значений микротвердости в трех состояниях: поставка , закалка , старение.

 

Таблица 3.Среднее значение микротвердости

Поставка		После закалки		После старения
Поперечное сечение	115 ±4,75	Поперечное сечение	78 ±7,36	Поперечное сечение	139 ±4,84
Продольное сечение	111 ±6,21	Продольное сечение	75 ±6,8	Продольное сечение	140 ±4,96

 

 

 

 

 

 

 

3.2.1.График микротвердости состояния  поставки

         

              На рисунке 9 представлен график твердости состояния поставки в продольном сечении.

Рисунок 9. График твердости состояния поставки (продольное сечение)

 

 

3.2.2.График микротвердости после  закалки

 

                На рисунке 10 представлен график твердости после закалки в продольном сечении.

 

Рисунок 10. График твердости после закалки (продольное сечение)

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.3.График твердости после старения

 

              На рисунке 11 представлен график твердости после старения в продольном сечении.

Рисунок 11. График твердости после старения (продольное сечение)

 

 

3.3.Результаты исследования структуры в электронном                                      микроскопе

 

           Анализ структуры показал, что размер зерен исходного образца равен 69 мкм, образца после закалки равен 104 мкм, а после  стандартной обработки - 100 мкм. На всей микроструктурах  отчетливо видны выделения  второй фазы. Последующее старение приводит к более интенсивному выделению частиц  второй фазы.