Чистый алюминий – мягкий и пластичный
Чистый алюминий, с содержанием алюминия 99,8 %, в отожженном состоянии имеет предел текучести менее 20 МПа (2 кГ/мм2) и относительное удлинение более 40 %. Чтобы сделать такой алюминий пригодным для применения в качестве конструкционного материала к нему применяют различные методы упрочнения.
Пластическая деформация алюминия
Все металлы – и алюминий тоже – имеют кристаллическую атомную решетку. Пластическая деформация металлов происходит благодаря существованию в их атомной решетке линейных дефектов – дислокаций. Пластическая деформация происходит путем движения этих дислокаций, так, например, как показано на рисунке 1.
Рисунок 1 – Пластическая деформация путем движения дислокации
через атомную решетку пластичного металла
Три механизма упрочнение алюминия
Сущность упрочнения металла заключается в том, что в его решетку тем или другим образом вводятся препятствия для движения дислокаций.
Для алюминия эффективными являются три основных механизма упрочнения. Это:
- деформационное упрочнение (наклеп, нагартовка);
- упрочнение за счет образования твердого раствора легирующего элемента в алюминии (закалка)
- упрочнение в результате выделения в алюминии вторичных фаз (старение).
В свою очередь, алюминиевые сплавы могут классифицироваться по преобладающему механизму их упрочнения.
Деформационное упрочнение алюминия
Дислокации двигаются по наиболее плотно упакованным плоскостям атомной решетки. Эти плоскости называются плоскостями скольжения. Так как кристаллическая решетка алюминия является гранецентрированной кубической, то у него имеется четыре эквивалентных плоскости скольжения с тремя направлениями скольжения каждая. Это дает в сумме 12 систем скольжения. В зависимости от преобладающего напряженного состояния обычно активными являются несколько систем скольжения. Поэтому при деформации алюминия постоянно происходит взаимодействие дислокаций различных плоскостей скольжения. В результате этого формируются плотные клубки дислокаций, которые представляют собой препятствия для дальнейшего движения дислокаций. Около этих препятствий возникают поля интенсивных локальных напряжений. Этот механизм работает для всех металлических сплавов, которые подвергаются пластической деформации.
Деформационное упрочнение путем холодной прокатки, волочения или растяжения является эффективным способом повышения прочности алюминиевых сплавов, которые не поддаются термическому упрочнению. Кривые деформационного упрочнения – холодной прокатки – отожженных листов из таких алюминиевых сплавов, 1100, 3003, 5050 и 5052 показаны на рисунке 2. Хорошо видно, что увеличение прочности сплавов сопровождается снижением пластичности, которая измеряется в процентах относительного удлинения при испытаниях образцов на растяжение.
Рисунок 2 – Кривые деформационного упрочнения алюминия (1100),
алюминиево-марганцевого сплава 3003 и
алюминиево-магниевых сплавов 5050 и 5052.
Упрочнение путем образования твердого раствора
Легирующие элементы в твердом растворе взаимодействуют с дислокациями в основном путем полей локальных напряжений, которые обеспечивают дополнительные силы трения при движении дислокаций. Этот упрочняющий механизм повышает эффективность деформационного упрочнения (наклепа, нагартовки). Алюминиевые сплавы серий 3ххх и 5ххх являются типичными примерами сплавов, которые получают упрочнение в результате образования твердого раствора соответственно марганца и магния в атомной решетке алюминия.
На рисунке 3 показано влияние содержания магния в твердом растворе алюминия на предел текучести и относительное удлинение для наиболее популярных алюминиево-магниевых промышленных сплавов.
Рисунок 3 – Корреляция между пределом текучести, относительным удлинением и содержанием магния в алюминиевых сплавах серии 5ххх
Упрочнение за счет выделения вторичной фазы
Выделившиеся частицы вторичных фаз в алюминии является очень эффективными препятствиями для движения дислокаций. Эффективность частиц как препятствий для движения дислокаций зависит как от размера частиц, так и от расстояния между ними.
Малые когерентные выделения не являются существенным препятствием для дислокаций – они их просто перерезают. С увеличением размеров частиц вторичной фазы, а также потерей их когерентности с атомной решеткой алюминиевой матрицы, степень сопротивления частиц движению дислокаций возрастает. Возрастание твердости до определенного максимума при искусственном старении алюминиевых сплавов объясняется именно прогрессирующим выделением вторичной фазы. С другой стороны, снижение твердости при перестаривании алюминиевого сплава происходит из-за увеличения расстояния между частицами вторичной фазы.
Упрочнение алюминиевых сплавов за счет старения – естественного или искусственного – происходит именно по механизму упрочнения за счет выделения вторичных фаз из перенасыщенного твердого раствора (рисунок 4). Этот перенасыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии создается путем нагрева алюминиевого сплава до полного растворения легирующих элементов и быстрого его охлаждения, например, до комнатной температуры.
Рисунок 4 – Кривые естественного и искусственного старения
прессованных профилей из сплава 6082
В интервале температуры от комнатной до 60 °С происходит образование «кластеров», которые остаются когерентными с атомной решеткой алюминия. Этот процесс называется «естественным старением». Он приводит к состояниям алюминиевых сплавов Т1 и Т4.
В интервале температуры от 60 до 220 °С происходит образование промежуточных когерентных и полукогерентных вторичных фаз. Это процесс называется «искусственным старением». Он дает состояния алюминиевых сплавов Т5 и Т6.
Кривые старения на рисунке 4 показывают влияние температуры старения на прочностные свойства и удлинение прессованного сплава 6082. Отметим более высокую пластичность и более низкую прочность после старения при комнатной температуре.
Источники:
Handbook of Aluminum: Vol. 1: Physical Metallurgy and Processes / Ed. by George E. Totten, D. Scott MacKenzie
Aluminum and Aluminum Alloys (ASM Specialty Handbook)
