Strain-hardened aluminium

Деформационное упрочнение является естественным следствием большинства деформационных операций алюминия и его сплавов. Иногда его называют еще “work hardening”. Деформационное упрочнение дополнительно повышает прочность сплава, которая была достигнута в результате легирования и упрочняющей термической обработки. Для термически упрочняемых сплавов деформационное упрочнение может также повышать скорость выделения упрочняющей фазы.

Степень деформационного упрочнения

Нагартовку применяют для повышения прочностных свойств термически неупрочняемых алюминия и алюминиевых сплавов серий 1ххх, 3ххх и 5ххх. Основным параметром того или другого нагартованного состояния являются степень нагартовкию Степень нагартовки зависит от количества пластической холодной деформации, которое поглотил сплав (рисунок 1).

Fig. 1 – Influence of strain hardening on mechanical properties [1]

Отжиг

Деформационное упрочнение может быть снято или уменьшено путемотжига. Умягчение материала, то есть снижение прочности и повышение пластичности завист от выбранной комбинации параметров время-температура (рисунок 2).

Частичный отжиг

Частичный отжиг выполняют для частичного снижения уровня прочностных свойств и повышения пластических для приведения материала готового изделия в заданное состояние. Его также называют умягчающим или восстановительным.(рисунок 3).

Полный отжиг

Полный отжиг применяют для полного снятия нагартовки материала и приведения материала к состоянию с минимальными прочностными характеристиками и максимальными пластическим свойствами. Он также называется рекристаллизационным отжигом. Во время этоо отжига образуется новая зеренная структура (рисунок 3)..

Fig. 2 –

Fig. 3 –

Обозначение состояний

Для обозначения всех состояний алюминия и алюминиевых сплавов (и не только нагартованных) во всем мире широко применяется американская система обозначений, разработанная в свое время Американской Алюминиевой Ассоциацией.

Первоначальная система обозначений состояний деформируемых алюминиевых сплавов изложена в американском стандарте ANSI H35.1.
Эта система почти «один в один» принята международным стандартом ISO 2107 и европейским стандартом EN 515.

Состояние материала в горячепрессованном состоянии без дополнительных обработок – термических или деформационных – обозначается стандартах EN и ISO буквой F и никакие цифры за ней не следуют.

Состояние полностью отожженного материала обозначается буквой «О» (не ноль) по международной классификации состояний алюминия и алюминиевых сплавов. Буква O с дополнительной цифрой (например, O1 относится к отжигу со специальными условиями.

Все обозначения нагартованных состояний начинаются с латинской буквы «Н» – Hardened. За ней могут идти от 2 до 3 цифр.

H1 – Только деформационное упрочнение

Чисто нагартованные состояния без дополнительных обработок образуют серию Н1. Полностью нагартованным состоянием материала, которое обозначают Н18, называют состояние, полученное при холодной деформации эквивалентной относительному обжатию при прокатке 0,75. Относительное обжатие – это отношение разности толщин исходного и конечного листа к исходной толщине листа. Относительная вытяжка 0,75 будет достигаться, например, при исходной толщине 10 мм и конечной толщине 2,5 мм: (10 – 2,5)/10 = 0,75. Состояние Н19 обозначает изделия с еще большей степенью нагартовки, чем в состоянии Н18. Оно применяется, например, для ленты толщиной 0,30 мм из алюминиевого сплава 3104 для изготовления корпуса пивной банки. Состояния Н16, Н14 и Н12 получают при меньшем количестве холодной деформации и они представляют, соответственно, тричетвертинагартованное, полунагартованное и четвертьнагартованное состояния.

H111 и H112 – “почти отожженое”

При указании требований к механическим свойствам алюминия и алюминиевых сплавов часто употребляют обозначения состояний Н111 и Н112 из той же серии Н1. Состояние Н111 отличается от отожженного состояния О только небольшой степенью нагартовки, которую мог получить материал при правке или других технологических операциях. Состояние Н112 отличается от состояния F только небольшой степенью нагартовки (при горячей или холодной обработке), а также обязательным контролем механических свойств.

H2 – Деформационное упрочнение и частичный отжиг

Серия Н2 относится к материалам, которые были упрочняют холодной деформацией до более высокой степени, чем это нужно для заданных прочностных свойств, а затем снижают эту «лишнюю» прочность с помощью частичного отжига. С увеличением степени нагартовки вторая цифра возрастает от 2 до 8 аналогично чисто нагартованным состояниям: Н22, Н24, Н26 и Н28.

На рисунке 1 схематически показаны деформационно упрочненные состояния серий Н1 и Н2 при различной степени упрочнения и различных длительностях отжига при постоянной температуре.

У состояний с одинаковыми вторыми цифрами пределы прочности – одинаковые, а предел текучести у состояний с частичным отжигом ниже, чем у чисто нагартованных состояний.
График роста прочности от степени холодной деформации имеет выпуклость вверх. Это отражает тот факт, что первые стадии холодной деформации дают максимальный прирост прочности.

Fig. 4 – Деформационно упрочненные состояния серий Н1 и Н2 при различной степени упрочнения и
различных длительностях отжига при постоянной температуре [4].

H3 – деформационное упрочнение и стабилизирующий низкотемпературный отжиг

Серия Н3 – состояния с деформационным упрочнением и стабилизирующим отжигом. Н32, Н34, Н36 и Н38. Эту серию состояний применяют только для алюминиево-магниевых сплавов – сплавов серии 5ххх. Дело в том, что в нагартованном состоянии эти сплавы в течение некоторого времени могут терять, достигнутые нагартовкой прочностные свойства, за счет механизма естественного старения. Поэтому, если стабильность прочностных свойств важна, их часто нагревают до умеренных температур, например, 220 °С, чтобы завершить этот процесс старения, при этом несколько снизить прочность, но повысить пластичность и, тем самым, обеспечить последующую стабильность механических свойств и рабочих характеристик.

Нагартовка и лакировка – серия Н4

Серия Н4 применяется для нагартованных изделий с дополнительной лакировкой поверхности. Например, при изготовлении крышек пивных банок применяют ленту толщиной 0,26 мм из алюминиевого сплава 5182 в состоянии Н48 – полностью деформационно упрочненную и лакированную.

Цифры после H1, H2, H3 и H4

Цифра после Н1, Н2, Н3 и H4 указывает степень деформационного упрочнения (рисунок 5):

Самое упрочненное состояние. Обозначается добавлением цифры 8 (т. е. HX8).
Степень холодного деформационного упрочнения, которая равна примерно половине степени для состояния HX8. Обозначается состоянием HX4.
Степень холодного деформационного упрочнения примерно посередине между уровнями прочности для состояния O и состояния HX4. Обозначается HX2.
Степень холодного деформационного упрочнения посередине между HX4 и HX8. Обозначается HX6.
Цифры 1, 3, 5 и 7, аналогично, обозначают промежуточные состояния между указанными выше.
Цифра 9 используется для обозначения состояния, которое превышает по упрочнению состояние HX8 на 14 МПа или более.

Таблица 1 показывает прирост прочности на растяжение деформируемых сплавов в отожженный отпуск, когда они обработаны до состояния HX8.

Fig. 5 – Metallurgic states and work hardening [1]

Table 1 – Gains in the tensile strength of wrought alloys in the annealed temper
when they are treated to the HX8 temper [3]

Источники:

The metallurgy of aluminium // Corrosion of aluminium /Chrisian Vargel – Elsevier, 2004
Aluminum and Aluminum Alloys – ASM Handbook – 1996
Introduction to Aluminum Alloys and Tempers – J. Gilbert Kaufman
Design of aluminium structures – Introduction to Eurocode 9 with worked examples – European Aluminium Association – 2020