СТРОЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

СТРОЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

Долгие годы попытки человека узнать внутреннее строение металлов были тщетны. Кузнец проковывал раскалённый кусок, слесарь разрубал его зубилом, лекальщик шлифовал и полировал грани изделия, но вся эта обработка велась без достаточного знания внутреннего строения металла. А изучить его было необходимо. Только в этом случае удалось бы использовать каждый из металлов в соответствии с его свойствами, придавать металлам качества, нужные человеку.

По-новому позволил взглянуть на давно известные человеку материалы микроскоп.

Свыше столетия назад, в 1831 году русский металлург П. П. Аносов первый в мире применил этот прибор для исследования металлов. Теперь микроскоп стал обычным прибором для изучения строения металлов и сплавов. Для этого образец предварительно полируют до блеска, затем протравливают—обрабатывают в растворе кислоты или щёлочи — и устанавливают под объектив металломикро-скопа (рис. 3).

Рассмотрим и мы отполированную и протравленную поверхность чистого алюминия. Перед нами откроется увеличенный в сотни раз внутренний вид металла. Мы увидим белое поле, разделённое тёмными изогнутыми

линиями на участки самых причудливых очертаний. Каждый участок—это одно из многочисленных зёрен металла.

Зёрнам тесно и они давят друг на друга. Именно поэтому их форма неправильна и угловата. В тесноте зёрна не могли вырасти в кристаллы строгих геометрических очертаний. Структура чистого алюминия выглядит примерно так, как показано на рис. 4.

Как и любой металл, алюминий — кристаллическое вещество. Его атомы разместились в строгом порядке, образуя своего рода решётку, которую называют кристаллической. Каждый атом находится в ней на определённом месте (рис. 5). В этом состоянии их удерживают силы межатомного взаимодействия. Единственное движение, доступное его атомам — колебание. Если оно происходит медленно, металл холоден, а если быстро — горяч. Алюминий, помещённый в печь, разо-

гревается благодаря тому, что колебания атомов усиливаются. Чем выше температура, тем сильнее раскачиваются мельчайшие частицы вещества. Наконец, силы взаимодействия уже не могут удержать атомы на прежних местах. Кристаллическая решётка разрушается, и металл из твёрдого состояния переходит в жидкое. Это происходит при достижении температуры плавления.

Природа алюминиевых сплавов сложнее. Ведь в них имеются и добавки других металлов, которые растворяются в алюминии, как сахар в воде.

Если расплавить алюминий, добавить в него медь и тщательно размешать сплав, то получится вполне однородный жидкий раствор меди в алюминии. Охладив этот раствор до комнатной температуры, мы получим кристаллическое вещество — твёрдый раствор меди в алюминии.

Рис. 4. Структура чистого алюминия (увеличено в 100 раз).

Рис. 5. Расположение атомов в кристаллической решётке алюминия.

Рассматривая структуру такого твёрдого раствора под микроскопом, дающим увеличение в десятки тысяч раз, мы не обнаружим никакой разницы между строением сплава и чистого алюминия. Но, несмотря на это, их свойства далеко не одинаковы. Застывший раствор твёрже и прочнее чистого металла, он обладает большим электрическим сопротивлением и пониженной теплопроводностью.

Микростроение (микроструктура) сплава алюминия с медью будет таким же, как у чистого металла, пока содержание меди не превышает 5,5%. Дальнейшие порции меди уже изменят видимое строение сплава: в светлых зёрнах твёрдого раствора появятся мельчайшие тёмные точечки (рис. 6). Они расположатся в первую очередь на границах зёрен. Это — новое химическое соединение из двух атомов меди и одного атома алюминия.

Прочность и твёрдость сплава алюминия с медью сильно зависят от величины и характера распределения в нём этих частичек медноалюминиевого соединения. Чем они мельче и чем равномернее распределены по объёму основной массы сплава, тем он прочнее. Но самое главное состоит в том, что количество частичек и их размер можно регулировать, нагревая сплав до 500°, а затем охлаждая с различными скоростями до комнатной температуры. ...Такая термическая обработка алюминиевого
сплава по существу не отличается от обычной закалки стали, сообщающей ей новые свойства. Люди, работающие со сталью, знают много способов закалки. Подобная картина имеет место и при обработке алюминиевых сплавов. Чем медленнее охлаждение, тем полнее произойдёт разложение твёрдого раствора. Медленно охлаждённый сплав алюминия с медью содержит в растворённом виде

всего 0,3% меди. Вся остальная медь образует с алюминием уже знакомое нам химическое соединение. Если же сплав, нагретый до 500°, охладить в холодной воде, то времени для образования химического соединения окажется недостаточно и получится пересыщенный твёрдый раствор меди в алюминии.

Такой раствор неустойчив. Пластичный и непрочный в первые часы после закалки, он постепенно начинает упрочняться, твердеть и через пять-семь суток становится совершенно неузнаваемым. Как говорят инженеры, сплав стареет. Причина перемен, происходящих при старении, связана с внутренними превращениями. Из неустойчивого твёрдого раствора меди в алюминии выделяются мельчайшие, невидимые даже при самых больших увеличениях микроскопа, частички того химического соединения, о котором мы уже говорили.

Эти частички располагаются на плоскостях кристаллической решётки и при растяженни, сжатии или изгибе

сплава мешают перемещению одной плоскости по другой. Они как бы заклинивают кристаллическую решётку, являются своеобразными шипами. В этом и заключается сущность упрочнения алюминиевых сплавов при их естественном старении.

Если быстро охлаждённый (с 500°) неустойчивый твёрдый раствор алюминиево-медного сплава выдерживать не при комнатной температуре, а, например, при 100—150° тепла, то процесс его упрочнения пройдёт не за 7 суток, а в более короткое время. Уже через 10—12 часов такого искусственного старения твёрдость и прочность достигают наивысшего значения.

Способностью упрочняться в результате термической обработки обладают не только сплавы алюминий-медь. Магний и кремний, добавленные в небольших пропорциях к алюминию, также образуют между собой химическое соединение, обладающее способностью упрочнять сплав. При одновременном введении в алюминий меди, магния и кремния степень упрочнения сплава становится ещё больше. Вот почему в алюминиевые сплавы, кроме меди, добавляют обычно магний и кремний.

Законы упрочнения сложных алюминиевых сплавов при их термообработке впервые были сформулированы советскими учёными-металловедами — академиком А. А. Боч-варом и профессором Д. А. Петровым.

Рис. 6. Структура сплава алюминия с 8% меди

содержание .. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 ..