КРЫЛАТЫЙ МЕТАЛЛ

ОКНО В МИКРОМИР

Олгие 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.

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.