Старение алюминия: виды и эффективность

Получение лучших физических свойств в соединениях на основе алюминия достигается старением. Данный этап обработки выполняется после закалки. В зависимости от вида старения необходим определенный температурный режим и период выдержки. Применяется два метода старения, которые отличаются условиями обработки соединений на основе алюминия.

Для большого количества сплавов комнатной температуры достаточно для того чтобы после закалки произошли структурные превращения. В результате достигаются изменения механических и физических свойств. Данный процесс получил название естественное старение. Если условия характеризуются повышенной температурой и меньшим периодом выдержки, данный процесс называется искусственным старением.

Основой для получения улучшенных свойств является распад пересыщенного твердого раствора. Старение проходит несколько стадий в зависимости от температуры и периода выдержки. В результате которых атомы меди, изначально расположенные статистически равномерно в решетке твердого раствора, способны переместиться.

При естественном старении (температурный режим в пределах 20 С) распада твердого раствора я с характерным выделением избыточной фазы не наблюдается. Аналогичные процессы отсутствуют и при низкотемпературном искусственном старении (температурный режим до 100-150 С). Атомы меди перемещаются лишь внутри кристаллической решетки. В результате незначительного изменения их расположения образуются пластинчатые образования по плоскостям. Они еще имеют и другое название – Зоны Гинье-Престона (ГП-1). Более или менее равномерное распределение зон ГП-1 наблюдается в сплавах алюминия и меди. Протяженность и толщина составляют соответственно 1-10 нм и 0,5-1 нм. Медь сконцентрирована в значительно меньшем количестве в зонах ГП-1, чем в соединении CuAl₂.

При температуре выше 150 С скорость распада твердого раствора увеличивается. В зависимости от сочетания времени выдержки и температуры можно получить не только повышение прочностных характеристик, но и пластичности. Так называемый процесс коагуляции остаточных продуктов, что влияет на прочность и величину остаточных напряжений. Данная особенность характерна только для искусственного старения.

Естественно состаренный сплав алюминия можно нагреть до температуры 235-270 С максимум до одной минуты и после этого резко охладить. В результате данной обработки все полученные улучшения свойств будут устранены. Сплав останется на том уровне, который был получен после закалки. Данное аннулирование свойств получило название возврат после старения. В твердом растворе атомы меди сдвигаются к равномерному распределению в пределах кристалла. В дальнейшем вылеживание алюминиевого сплава при комнатной температуре способствует образованию зон ГП-1 и повышению прочности. Негативным моментом после данных процессом является снижение антикоррозийной устойчивости. Этот факт препятствует практической целесообразности возврата свойств с последующим старением.

Образование зон Гинье-Престона большей величины можно добиться путем длительной выдержке при температуре 100 С или нескольких часов в условиях 150 С. В твердом растворе зоны будут иметь толщину и диаметр 1-4 нм и 20-30 нм соответственно. Атомы меди концентрируются в количестве равном по содержанию CuAl₂. Зоны с такими характеристиками называют ГП-2.

Повышение температуры до 200 С влечет за собой возникновение дисперсных частиц промежуточной фазы θ’. Их еще называют тонкопластинчатыми. Благодаря частично когерентной связи с твердым раствором присуща отличная кристаллическая решетка. Увеличение температуры до 250 С характеризуется коагуляцией метастабильной фазы θ’ в стабильную θ фазу. Ей характерно наличие некогерентных границ с матрицей.

Процесс естественного старения сплавов Al-Cu позволяет получить лишь зону ГП-1. При искусственном старении соединений цепочка структурных изменений выглядит следующим образом: ГП-1 – ГП-2 – θ’ – θ. При этом, простой переход из одного состояния или фазы в другой не возможен. Для этого может потребоваться полное растворение и последующее формирование.

Приведенная выше схема распада перенасыщенного твердого раствора справедлива не только для соединений Al-Cu. Отличаться могут лишь строения зон и образующие фазы в зависимости состава сплава. Также для них существуют и свои температурно-временные зоны (ГП-1 и ГП-2) и фазовое (θ’ и θ) старение.

При закалке и последующем старении величина повышения прочности существенно зависит от:

• Размеров частиц;
• Природы фазы упрочнителя;
• Распределения частиц;
• Количества частиц.

Высокие показатели упрочнения можно получить благодаря соединениям Mg₂Si, MgZn₂ Al₂CuMg (S-фаза). Они обладают сложным составом и структурой, которые отличаются от твердого раствора.

Зонное старение в сплавах алюминия характеризуется повышенным пределом текучести, пластичности, коррозийной устойчивостью на хорошем уровне, низкой чувствительностью к разрушению (хрупкому), а также невысоким соотношением σ_0,2/σ_в*(≤0,6÷0,7). Перечисленные свойства основаны на отсутствии границ разделяющих зоны ГП-1 (ГП-2) с матричной фазой. Также  при деформации дислокации пересекают зоны, которые не создают особого сопротивления начальным этапам процесса изменений.

В результате фазового старения образуется большое количество дислокационных петель и отдельных скоплений, которые огибают частицы метастабильных фаз. Процесс коагуляции образовавшихся фаз обеспечивает прирост прочностных свойств на начальной стадии. Он возрастают до максимума, но затем снижаются. В результате пластичность, вязкость, сопротивление коррозии и хрупкое разрушение под воздействием напряжения снижаются. Отношение σ_0,2/σ_в повышается до 0,9— 0,95.

Пресс-эффект

Одной из разновидностей структурного упрочнения является пресс-эффект. При одинаковых режимах термической обработки под давлением, возможно достижение более высокого показателя прочности при растяжении прессованных изделий. Температура рекристаллизации ряда соединении переходных металлов, а также марганца, титана, циркония, никеля на основе алюминия подверженных горячей (иногда холодной) обработке давлением превышает температуру нагрева под деформацию. В результате сплав сохраняет полигонизованную структуру с большим количеством дислокаций высокой плотности.

Данная обработка позволяет повысить прочность до 40%. Особо хорошо поддаются данному повышению прочности полуфабрикаты в виде прутков, труб, арматуры и др.