(1) Характеристики алюмінієвих сплавів серії 7xxx
Алюмінієві сплави серії 7XXx - це алюмінієві сплави з цинком як основним легуючим елементом і термооброблені алюмінієві сплави. Коли до сплаву додається Mg, він стає сплавом Al-Zn-Mg. Сплав має хороші термодеформаційні властивості і широкий діапазон гарту. При відповідних умовах термічної обробки він може отримати високу міцність і хороші зварювальні властивості. Як правило, він має хорошу корозійну стійкість і певну схильність до корозії під напругою. Це високоміцний зварювальний алюмінієвий сплав. Сплав Al-Zn-Mg-Cu розроблений на основі сплаву Al-Zn-Mg шляхом додавання Cu. Його міцність вище, ніж у алюмінієвих сплавів серії 2Х. Його зазвичай називають надвисокоміцним алюмінієвим сплавом. Межа текучості сплаву близька до міцності на розрив, коефіцієнт міцності високий, питома міцність також висока, але пластичність і міцність при високій температурі низькі. Він підходить для несучих структурних частин, які використовуються при кімнатній температурі та нижче 120 градусів. Сплав легко обробляється, має гарну корозійну стійкість і високу в'язкість. Ця серія сплавів широко використовується в галузі авіації та аерокосмічної промисловості та стала одним із найважливіших конструкційних матеріалів у цій галузі.
(2) Легуючі та домішкові елементи та їх функції
① Сплав Al-Zn-Mg Zn і Mg є основними легуючими елементами в сплаві Al-Zn-Mg, і їх вміст зазвичай не перевищує 7,5%.
Zn і Mg: зі збільшенням вмісту Zn і Mg у сплаві його міцність на розрив і ефект термічної обробки відповідно зростають. Схильність сплаву до корозії під напругою пов'язана з сумою вмісту Zn і Mg. Для сплавів з високим вмістом Mg і низьким вмістом Zn або високим вмістом Zn і низьким вмістом Mg, якщо сума вмісту Zn і Mg не перевищує 7%, сплав має хорошу корозійну стійкість під напругою. Схильність сплаву до утворення зварювальних тріщин зменшується зі збільшенням вмісту Mg.
Слідові кількості доданих елементів у сплавах Al-Zn-Mg включають Mn, Cr, Cu, Zr і Ti, а основні домішки включають Fe та Si.
Mn і Cr: додавання Mn і Cr може підвищити стійкість сплаву до корозії під напругою. Вміст Mn становить 0,2%~
При {{0}},4% ефект значний. Ефект від додавання Cr більший, ніж від додавання Mn. Якщо Mn і Cr додати одночасно, ефект зменшення тенденції до корозії під напругою буде кращим. Відповідна кількість доданого Cr становить 0.1%~0.2%.
Zr: Zr може значно покращити зварюваність сплавів A{{0}}Zn-Mg. Коли до сплаву AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35 додається 0.2% Zr, зварювальні тріщини значно зменшуються. Zr також може підвищити кінцеву температуру рекристалізації сплаву. У сплаві AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, коли вміст Zr перевищує 0.2%, кінцева температура рекристалізації сплаву вище 500 градусів. Тому матеріал після загартування ще зберігає свою міцність. Деформована тканина. Додавання від 0,1% до 0,2% Zr до сплавів Al-Zn-Mg, що містять Mn, також може покращити стійкість сплаву до корозії під напругою, але Zr має менший ефект, ніж Cr.
Ti: додавання Ti до сплаву може покращити розмір зерна сплаву в литому стані та покращити зварюваність сплаву, але його ефект менший, ніж Zr. Якщо Ti і Zr додати одночасно, ефект буде кращим. У сплаві AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 із вмістом Ti 0.12%, коли вміст Zr перевищує 0.15%, сплав має хороші зварюваність і подовження, і можна досягти такого ж ефекту, як і при додаванні понад 0.2% Zr окремо. Ti може також підвищити температуру рекристалізації сплаву.
Cu: додавання невеликої кількості Cu до сплавів Al-Zn-Mg може покращити стійкість до корозії під напругою та міцність на розрив. Однак зварюваність сплаву знижується.
Fe: Fe може знизити стійкість сплаву до корозії та механічні властивості, особливо для сплавів із високим вмістом Mn. Тому вміст заліза має бути якомога нижчим, а його вміст має бути обмежений до 0,3%.
Si: Si може знизити міцність сплаву, трохи знизити продуктивність згинання та збільшити тенденцію до зварювальних тріщин. Вміст кремнію в сплаві має бути меншим ніж 0,3%.
② Сплав Al-Zn-Mg-Cu Сплав Al-Zn-Mg-Cu є сплавом, який піддається термообробці. Основними зміцнюючими елементами є Zn і Mg. Мідь також має певну зміцнюючу дію, але її основна функція полягає в підвищенні корозійної стійкості матеріалу.
Zn і Mg: Zn і Mg є основними зміцнюючими елементами. Коли вони співіснують, вони утворюють фази η (MgZn2) і T (Al2Mg2Zn3). Фаза η і фаза Т мають велику розчинність в AI і різко змінюються з підвищенням і падінням температури. Розчинність MgZn₂ при температурі евтектики становить 28%, що знижується до 4%~5% при кімнатній температурі. Володіє сильним ефектом старіння. Збільшення вмісту Zn і Mg може значно підвищити міцність і твердість, але це призведе до зниження пластичності, стійкості до корозії під напругою і в'язкості до руйнування.
Cu: Коли Zn/Mg перевищує 2,2, а вміст Cu перевищує Mg, Cu та інші елементи можуть утворювати зміцнену S (CuMgAlz) фазу для підвищення міцності сплаву, але в протилежному випадку можливість існування фази S дуже мало. Cu може зменшити різницю потенціалів між межею зерна та внутрішньозерновим, а також може змінити структуру фази виділення та покращити фазу виділення межі зерна, але це мало впливає на ширину зони без осадження межі зерна. Він може пригнічувати тенденцію до міжкристалічного розтріскування, тим самим покращуючи стійкість сплаву до корозії під напругою. Однак, коли вміст Cu перевищує 3%, корозійна стійкість сплаву погіршується. Cu може збільшити перенасичення сплаву, прискорити процес штучного старіння сплаву від 100 до 200 градусів C, розширити стабільний температурний діапазон зони GP та покращити міцність на розрив, пластичність і втомну міцність. У діапазоні, де вміст Cu не надто високий, стійкість до втоми при циклічній деформації та в’язкість до руйнування збільшуються зі збільшенням вмісту Cu, а швидкість росту тріщин зменшується в корозійному середовищі, але додавання Cu має тенденцію для створення міжкристалітної та точкової корозії. Вплив Cu на в'язкість руйнування пов'язаний із співвідношенням Zn/Mg. Коли співвідношення невелике, чим вищий вміст Cu, тим гірша в'язкість; коли співвідношення велике, навіть якщо вміст Cu високий, в'язкість все ще дуже хороша.
Також в сплаві є невелика кількість мікроелементів, таких як Mn, Cr, Zr, V, Ti, B. Fe і Si є шкідливими домішками в сплаві, і їх взаємодія полягає в наступному.
Mn, Cr: додавання невеликої кількості перехідних елементів, таких як Mn і Cr, значно впливає на структуру та властивості сплаву. Ці елементи можуть утворювати дисперговані частинки під час гомогенізаційного відпалу злитка, запобігати міграції дислокацій і меж зерен, тим самим підвищуючи температуру рекристалізації, ефективно запобігаючи росту зерен, подрібнюючи зерна та гарантуючи, що структура залишається нерекристалізованою або частково рекристалізованою після гаряча обробка та термічна обробка, щоб міцність покращилася, маючи кращу стійкість до корозії під напругою. З точки зору підвищення стійкості до корозії під напругою, додавання Cr краще, ніж додавання Mn.
Zr: Останнім часом спостерігається тенденція заміни Cr і Mn на Zr. Zr може значно збільшити температуру рекристалізації сплаву. Незалежно від того, чи це гаряча деформація чи холодна деформація, нерекристалізована структура може бути отримана після термічної обробки. Zr також може покращити здатність сплаву до загартовування, зварюваність, міцність на руйнування, стійкість до корозії під напругою тощо. Zr є дуже перспективним додатковим мікроелементом у сплавах Al-Zn-Mg-Cu.
Ti і B: Ti і B можуть подрібнити зерна сплаву в литому стані та підвищити температуру рекристалізації сплаву.
Fe і Si: Fe і Si є неминучими шкідливими домішками в алюмінієвих сплавах 7XxX, які в основному походять із сировини, а також інструментів і обладнання, що використовуються для плавлення та лиття. Ці домішки в основному існують у формі твердого та крихкого FeAl: і вільного Si. Ці домішки також можуть утворювати грубі сполуки, такі як (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) з Mn і Cr. FeAl3 має ефект рафінування зерен, але має більший вплив на стійкість до корозії. Зі збільшенням вмісту нерозчинної фази об’ємна частка нерозчинної фази також збільшується. Ці нерозчинні другі фази ламаються і подовжуються під час деформації, що призводить до смугової структури, а частинки розташовані по прямій лінії вздовж напрямку деформації. Оскільки частинки домішок розподіляються всередині зерен або на межах зерен, під час пластичної деформації на деяких границях частинок і матриці виникають пори, що призводить до мікротріщин, які стають джерелом макротріщин. Крім того, він має великий вплив на швидкість росту втомних тріщин. Це має певний ефект зниження локальної пластичності під час руйнування. Збільшення кількості домішок скорочує відстань між частинками, тим самим зменшуючи текучість пластичної деформації навколо вершини тріщини. Оскільки фазу, що містить Fe та Si, важко розчинити при кімнатній температурі, вона відіграє роль надрізу та легко стає джерелом тріщин, спричиняючи руйнування матеріалу, що дуже негативно впливає на подовження, особливо на в’язкість руйнування матеріалу. сплав. Тому при розробці і виробництві нових сплавів суворо контролюється вміст Fe і Si. На додаток до використання металевої сировини високої чистоти, під час процесу плавлення та лиття також вживаються деякі заходи, щоб запобігти змішуванню цих двох елементів у сплаві.