В 1909-1911 годах немецкий материаловед А. Вильм, изучая свойства алюминия, открыл явление, которое получило название "естествен ное старение". Оказалось, что сплав алюминия с добавками 4% меди, 0,5% магния и 0,5% марганца после закалки и резкого охлаждения с температуры 500°С, находясь при комнатной температуре в течение 4-5 суток, постепенно становится тверже и прочнее, не теряя пластичности. Этот процесс удачнее было бы назвать возмужанием, но привился термин "старение". В случае протекания старения с подогревом оно называется искусственным старением.
Явление упрочнения в результате процесса старения имеет огромное значение для развития алюминиевой промышленности.
Исследования показали, что старение свойственно не только сплаву Вильма, но и многим другим алюминиевым сплавам. Оно происходит в том случае, если вводимые в алюминий элементы образуют между собой или с алюминием интерметаллическое соединение, то есть химическое соединение двух или большего числа металлов, растворимое в алюминии при температуре закалки и стремящееся выделиться из твердого раствора при понижении температуры.
В системе алюминий - медь - магний алюминий образует соединение с медью СuАl2 и тройное соединение с медью и магнием Аl2СuMg, так называемую фазу S. Оба эти соединения растворяются в алюминии при температуре закалки; при комнатной температуре растворимость их резко падает, и сплавы с этими фазами сильно упрочняются в результате процесса старения. Промышленное производство сплавов было впервые освоено в Германии в начале 20-х годов прошлого века на заводах "Дюренметалверке". Отсюда и название "дуралюмин" или "дюраль".
Было высказано предположение, что в процессе вылеживания закаленного дуралюмина при комнатной температуре из пересыщенного твердого раствора меди в алюминии выделяются мельчайшие кристаллики соединения СuАl2, упрочняющие сплав. В конечном счете прочность сплава достигает 36-38 кг/мм2 вместо 7-8 кг/мм2 у чистого алюминия.
Казалось, что механизм старения раскрыт и можно переворачивать соответствующую страницу в науке. Однако в действительности страсти еще только разгорались. Дело в том, что при исследованиях микроструктуры через оптический микроскоп (а исследования велись преимущественно на двойном сплаве алюминий - медь, который имеет меньшую прочность, чем сплав, содержащий еще магний и марганец, но более удобен для изучения) найти частицы СuАl2 не удавалось, и реальность их существования в естественно состаренном сплаве стали подвергать сомнению. К тому же выделение частиц из твердого раствора должно обязательно снижать электрическое сопротивление. А в процессе естественного старения растут параллельно и прочность и сопротивление. Увеличение электросопротивления указывало на то, что медь остается внутри твердого раствора.
Началась острая дискуссия между сторонниками и противниками гипотезы о выделении меди из алюминия при естественном старении.
Изучению механизма старения помогли рентгеноструктурный анализ и мощные электронные микроскопы, позволяющие просматривать тонкие металлические пленки на просвет. Все оказалось значительно сложнее, чем думали. Медь не выделяется из твердого раствора и не остается внутри него. В процессе старения она собирается в дискообразных участках толщиной один-три атомных слоя и диаметром 90 А, образуя так называемые зоны Гинье-Престона (зоны Г.-П.). Это название зон обязано своим происхождением двум исследователям - Дж. Д. Гинье и А. Престону, независимо друг от друга открывшим скопления меди в решетке состаренного сплава алюминия с медью (рис. 1).
Концентрация меди в зонах Г.-П. существенно выше, чем в окружающем твердом растворе, где на каждый атом меди приходится более 50 атомов алюминия. При увеличении в 500 000 раз зоны имеют вид размытых штрихов. Хотя весь процесс передвижения атомов разыгрывается в пределах решетки алюминия, обогащение зон медью вызывает вполне определенные последствия. Медь имеет меньший атомный радиус, чем алюминий, поэтому область зон Г.-П. сжата, а прилегающие области матрицы растянуты. Число зон Г.-П. в сплавах алюминий - медь огромно: в 1 см3 число их равно цифре 5 с 17 нулями (5.1017) (рис. 1.)
Для зон характерно отсутствие собственной решетки и, следовательно, четко выявляющейся границы между зоной и твердым раствором (матрицей); они непосредственно переходят друг в друга, между ними существует когерентная связь. Для естественного старения, а точнее, зонного старения характерны средняя прочность и сравнительно низкий предел текучести, зато высокие значения вязкости разрушения и коррозионной стойкости. Этот тип старения в промышленных сплавах обозначается буквой Т.
При повышении температуры старения появляется промежуточная фаза θ', имеющая собственную решетку типа решетки фтористого кальция (рис. 2), - происходит так называемое искусственное, а точнее, фазовое старение. Важная особенность решетки θ' - наличие в ней плоскостей с квадратной сеткой атомов и параметрами, близкими к параметрам решетки алюминиевой матрицы. По этим плоскостям решетка θ' неразрывно переходит в решетку алюминиевой матрицы, здесь сохраняется когерентная связь, как в случае с зонами. По другим кристаллическим плоскостям θ' отделяется от алюминиевой матрицы и образуются границы раздела. Фазовое старение обозначает ся в промышленных сплавах буквой Т1. Для него характерны максимальные прочность и предел текучести, пониженные удлинение, вязкость разрушения и коррозионная стойкость. При дальнейшем повышении температуры старения или его длительности частицы фаз укрупняются, идет процесс коагуляции, прочность и предел текучести несколько снижаются, но коррозионная стойкость, пластичность, вязкость разрушения радикально улучшаются. Это состояние именуется коагуляционным старением и обозначается символами Т2 и Т3.
При еще большем повышении температуры термической обработки и медленном охлаждении возникает стабильная фаза θ (СuАl2), полностью отделенная от алюминиевой матрицы по всем кристаллическим областям. Происходит отжиг, обозначаемый буквой О или М (мягкий отжиг). Алюминиевый твердый раствор перешел в состояние, приближенное к равновесному, он стал пластичным, прочность и электросопротивление снизились. Сплав легко гнется, штампуется, но из-за низкой прочности не применяется в конструкциях.
Самые распространенные промышленные естественно стареющие сплавы типа дуралюмин марки Д16Т или 113Т (Россия), 2024 (США) имеют прочность 420-450 МПа, предел текучести 280 МПа, удлинение 15-20%. По сравнению со сплавом Вильма в этих сплавах содержание магния повышено с 0,5 до 1,5%. Именно из них делают во всех странах фюзеляжи пассажирских самолетов.
С особой остротой вопрос о свойствах сплавов в естественно и искусственно состаренном состояниях возник в 1954 году после серии загадочных катастроф английского пассажирского самолета "Комета". В 1949 году английской фирмой "Де-Хэвиленд" был выпущен первый в мире реактивный четырехмоторный пассажирский самолет "Комета". Крейсерская скорость этого самолета на высоте 12 км равнялась 800 км/ч. 10 января 1954 года во время регулярного рейса из Сингапура в Лондон недалеко от острова Эльба с самолетом внезапно прервалась связь. К этому моменту налет составлял 3681 час.
8 апреля 1954 года другой самолет "Комета" взлетел с< римского аэродрома, взяв курс на Каир. Через 33 минуты радиосвязь с ним прекратилась. Налет самолета составил 2704 часа. Самолеты "Комета" больше в воздух не поднимались.
Английский флот занялся поисками потерпевших аварию самолетов. Обнаруженные обломки исследовали и установили, что пожар возник после того, как самолеты разрушились в воздухе. При подъеме на высоту, когда внешнее давление снижалось, фюзеляж как бы раздувался под влиянием постоянного внутреннего давления, а при посадке на землю он возвращался в исходное состояние. Так повторялось при каждом цикле полетов. За общее время полета "Комет" фюзеляжи до 1000 раз растягивались внутренним давлением и при посадке сжимались. Этот процесс и приводил к образованию трещины. Трещины увеличивались до критической величины, воздух из салона вырывался с силой взрыва, и весь самолет разрушался. Но гипотезу надо было доказать. В английском авиационном испытательном центре Фарнборо был сооружен огромный бассейн, куда целиком помещался фюзеляж самолета. Через какое-то число циклов поднятия и снижения давления появилась усталостная трещина. Она росла и приводила к разрушению кабины самолета.
Этот страшный опыт англичан послужил уроком для всех, производящих самолеты. Построены огромные бассейны, где испытывают герметичный фюзеляж каждого нового типа пассажирского самолета. Внутрь его многократно подается давление, и столько же раз оно снижается, причем число циклов достигает многих тысяч и во< много раз превосходит любое возможное число эксплуатационных повторных нагрузок.
Было установлено, что многие важные промышленные алюминиевые сплавы в искусственно состаренном состоянии становятся весьма чувствительными к отверстиям, вырезам и другим концентраторам напряжений. Если в обшивке возникает трещина, то в искусственно состаренном сплаве она распространяется гораздо быстрее, чем после естественного старения, поэтому искусственно состаренный сплав не годится для изготовления герметичных фюзеляжей. Во всем мире фюзеляжи пассажирских самолетов изготавливают только из естественно состаренных сплавов.
Вместе с тем несколько понижено давление в пассажирском салоне - до 0,8 атм., с тем чтобы уменьшить разницу между наружным давлением воздуха и давлением в пассажирском салоне. Высота полета ограничена 10 км, ибо на высоте 12 км особенно часто возникают турбулентные потоки воздуха.
Советский дуралюмин освоили на Кольчугинском заводе при большом содействии металлурга завода В. А. Буталова, несмотря на огромное сопротивление большинства отечественных авиационных специалистов. Они утверждали: "Леса в России - море, а дуралюмин мы не освоим". Однако уже на параде 1 мая 1924 года в ряду самолетов, сделанных из дерева, летел цельнометаллический самолет Туполева, а к 1931 году листы и другую продукцию из дуралюмина полным ходом выпускал завод в Сетуни (теперь это Кунцевский район Москвы) и велись переговоры с Америкой о закупке мощного прокатного и другого оборудования для нового современного металлургического завода в Ступине (недалеко от Москвы, на р. Оке). Во всех этих делах важную роль сыграли А. Н. Туполев и И. И. Сидорин.
См. в номере на ту же тему
Е. КАБЛОВ - ВИАМ - национальное достояние.
А. ЖИРНОВ - Крылатые металлы и сплавы.
М. БРОНФИН - Испытатели - исследователи и контролеры.
Б. ЩЕТАНОВ - Тепловая защита "Бурана" началась с листа кальки.
С. МУБОЯДЖЯН - Плазма против пара: победа за явным преимуществом .
БЮРО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ.
Э. КОНДРАШОВ - Без неметаллических деталей самолеты не летают.
И. КОВАЛЕВ - В науку - со школьной скамьи .
С. КАРИМОВА - Коррозия - главный враг авиацииc.
А. ПЕТРОВА - Посадить на клей.
