В данный момент признанной популярностью пользуются рамы из сплавов на основе алюминия, которые значительно выигрывают в весе, по сравнению с остальными применяемыми материалами. Удельная прочность алюминия значительно выше, чем у остальных применяемых материалов. Алюминиевые рамы могут весить всего 1.3 – 2 кг , что позволяет велосипедам , собранным на их основе, быстро набирать скорость, превосходно "чувствовать дорогу ”, быстрее взбираться на подъемы и легче проходить повороты. В последнее время используются различные алюминиевые сплавы с добавлением магния, кремния, цинка. Самыми распространенными являются Al 7005 и Al 6061. Изделия из данных сплавов, при соответствующей обработке , способны выдерживать все характерные нагрузки, обладают некоторым запасом прочности, а цена готового изделия невысока. Многокомпонентные сплавы алюминия и их широкий диапазон свойств наиболее интересны для изучения с точки зрения материаловедения. Предметом исследования в данной работе будут являться два наиболее характерных сплава на основе алюминия: Al 7005 и Al 6061. При изготовлении рам, профили подвергаются термообработке Т6. (Закалка и полное искусственное старение 5-6часов при 200 градусах). После чего из них сваривается готовая конструкция.

 

 

Эти сплавы хорошо известны под названием «авиаль». Средний состав промышленных сплавов системы А1-Мg-Si (основа — алюминий)

 

Содержание компонентов, %
АДЗЗ (Al 6061)

Mg 1

Si  0.6

Cu 0.3

Мn 0.7

Сг 0.25

Деформируемые сплавы системы А1—Мg—Si легированы в меньшей степени, чем дуралюмины; суммарное содержание легирующих компонентов в этих сплавах обычно колеблется в пределах от 1 до 2%. Промышленные сплавы системы А1—Мg—Si менее прочны, чем дуралюмины, но более пластичны и обладают лучшей коррозионной стойкостью. Как следует из диаграммы состояния А1—Мg—Si, магний и кремний характеризуются переменной растворимостью в твердом алюминии. В связи с очень малой растворимостью кремния в алюминии при низких температурах (200 °С) все сплавы, имеют в равновесных условиях гетерогенную структуру. Фазовый состав АДЗЗ α + Мg2 Si. При температуре 550 °С все сплавы гомогенны, т.е. фазы Мg2Si и Si при нагреве полностью растворяются, что служит предпосылкой для упрочнения сплавов термообработкой. Для ориентировочного выбора температуры нагрева под закалку можно пользоваться квазибинарным разрезом А1-Мg2Si. Критическая скорость охлаждения (при закалке) у сплавов А1-Мg-Si меньше, чем у дуралюминов, и тем меньше, чем менее легирован сплав. Закаленные сплавы системы А1—Мg—Si упрочняются при естестественном и искусственном старении. Естественное старение протекает несколько медленнее, чем в дуралюминах, прирост прочности продолжается в течение двух недель после закалки. На практике чаще применяют искусственное старение, так как оно дает больший прирост прочности. Оптимальные механические свойства обеспечивает старение по режиму: 160...170 °С, 12...15 ч. Механические свойства искусственно состаренных сплавов системы А1-Мg-Si (это впервые было показано С.М.Вороновым) чувствительны к перерыву между закалкой и искусственным старением. Другими словами, естественное старение, предшествующее искусственному, обусловливает уменьшение эффекта упрочнения при искусственном старении, причем это уменьшение возрастает по мере увеличения перерыва до 15 сут и далее уже не изменяется. Для получения максимальной прочности сплавов системы необходимо проводить искусственное старение сразу после закалки. Чувствительность сплавов А1—Мg—Si к перерыву между закалкой и искусственным старением связана с явлением возврата в естественно состаренном сплаве при его последующем искусственном старении. В первый период искусственного старения происходит растворение зон ГП (образовавшихся в процессе вылеживания), а также связанное с ним разупрочнение, и только потом, в последующие периоды искусственного старения, - упрочнение. Увеличивая выдержку при искусственном старении, можно частично компенсировать снижение прочности, обусловленное перерывом между закалкой и старением. Сочетание достаточной прочности с высокой технологичностью и хорошей коррозионной стойкостью, удовлетворительная свариваемость определяют широкое применение сплавов системы А1—Мg—Si.

 

 

Интерес к тройным сплавам системы А1-Zn-Мg резко возрос во второй половине прошлого века в связи с потребностью промышленности в более прочных, чем А1-Мg, свариваемых сплавах. В последние годы на основе системы А1-Zn -Мg разработан высокопрочный свариваемый сплав Al 7075 , содержащий добавки Cr и Si. Сплав активно внедряется в производство велосипедных рам,поскольку при низкой стоимости обладает высокими конструкционными свойствами. По комплексу основных характеристик - статической прочности , свариваемости, коррозионной стойкости, вязкости разрушения и сопротивления усталости - сплав превосходит все другие термически упрочняемые свариваемые сплавы. Относительно низколегированные сплавы системы А1-Zn-Мg имеют исключительно хорошую свариваемость. Пересыщенный твердый раствор в этих сплавах может быть получен при сравнительно малых скоростях охлаждения с высоких температур, например при охлаждении на воздухе. Таким образом, обычное охлаждение сварного соединения на воздухе (после сварки) достаточно для получения в шве и околошовной зоне пересыщенного твердого раствора, а следовательно, упрочнения в результате последующего старения (естественного или искусственного). Типичный представитель этой группы - сплав 7005, состав которого приведен ниже. Сплав Содержание компонентов, %
Al 7005

Mg 1.5

Si 0.1

Cu 0.3

Мn 0.4

Сг 0.14

Zn 3.7

Равновесный фазовый состав сплава 7005 (без учета тугоплавких компонентов и примесей) α + Т (А12Мg3Zn3). Фаза Т- упрочняющая, т.е. позволяющая упрочнять сплав термообработкой (закалкой и старением). Вместе с тем, хотя в сплаве 7005 нет фазы (МgZn2), при распаде твердого раствора во время старения эта фаза образуется в качестве промежуточной. В сплаве 7005 и в других аналогичных сплавах системы А1-Zn-Мg пересыщенный твердый раствор при старении распадается по следующей схеме: α - зоны ГП1 - зоны ГП2 –θ1 –θ - Т. Изделия из сплава 7005 подвергают закалке с последующим естественным или искусственным старением. Нагрев под закалку проводят при температуре 450 ± 10 °С. Температурная область гомогенности для сплава 7005 весьма широка - пережог происходит лишь при температуре около 600 °С, однако закалка с более высоких, чем 450 °С, температур нежелательна. Критическая скорость охлаждения при закалке для сплавов системы А1—Zn—Мg меньше, чем для авиалей. Тонкостенные изделия из сплава 7005 закаливаются при охлаждении на воздухе. Естественное старение в закаленных сплавах системы А1—Zn—Мg происходит очень медленно, основной прирост прочности и твердости наблюдается в течение 1 мес, дальнейшее, очень медленное повышение прочности продолжается десятки лет. Характеристики пластичности при этом изменяются незначительно, например, после десятилетнего естественного старения относительное удлинение сплава типа Al 7005 остается выше 12...14%.  Перерыв между закалкой и искусственным старением положительно влияет на эффект искусственного старения. Искусственное старение (по сравнению с естественным) обеспечивает более высокий предел текучести. Сочетание указанных механических свойств с хорошей свариваемостью и высокой технологичностью при горячей обработке давлением делает сплав 7005 ценным и перспективным конструкционным материалом.