Легкие металлы сосредоточены в главных подгруппах первых четырех групп периодической системы элементов. Названием они обязаны тому, что их плотность, как правило, ниже 5 т/м 3 .
Развитие производства полимерных и композиционных материалов отнюдь не отодвигает легкие металлы на второй план. Объем их производства продолжает расти, особенно это относится к алюминию и его сплавам. Но есть и «более другие» легкие металлы и сплавы.
Самые легкие — все щелочные металлы: литий, натрий, калий, рубидий, цезий и франций. Но в промышленности из них в качестве легкого материала применяют только литий, да и то в сплавах.
Литий — самый легкий из металлов, он почти вдвое легче воды. Но, к сожалению, в чистом виде применить его в качестве конструкционного материала невозможно — он слишком активен, вступает во взаимодействие и с водой, и с воздухом. А вот в сплавах, например, с алюминием, — пожалуйста.
Современные алюмо-литиевые сплавы по многим параметрам превосходят традиционные сплавы, и в ряде случаев конкурируют с пластмассами, упрочненными волокнами. Необходимую вязкость таких сплавов обеспечивают введением в них легирующих элементов — марганца, циркония и меди, соответствующей технологией изготовления материала, приводящей к образованию мелкозернистой структуры, а также применением термомеханической обработки, влияющей на равномерность выделения дисперсных фаз.
ПРОЧНЕЕ СТАЛИ И ЛЕГЧЕ АЛЮМИНИЯ…КАРБОН И ЕГО ПРЕИМУЩЕСТВО
Благодаря этому достигают необходимой комбинации прочности и вязкости, что при малой плотности и высокой жесткости позволяет рассматривать алюмо-литиевые сплавы как наиболее перспективный материал для легких конструкций.
Алюмо-литиевые сплавы интересны для авиакосмической промышленности. Это вызвано тем, что добавка лития одновременно повышает модуль упругости и понижает плотность сплава, тем самым способствуя уменьшению массы конструкций.
Из щелочноземельных металлов в конструкционных материалах используют только магний и бериллий. Кальций и стронций, несмотря на то, что они легче алюминия, практически не используют.
Сплавы магния многочисленны и делятся на две группы: литейные и деформируемые.
Благодаря низкой плотности и высокой удельной прочности их используют в авиакосмической технике в качестве конструкционных материалов. Магний придает им легкость — магниевые сплавы на треть легче алюминия.
Около пятой части выплавляемого магния используют в автомобилестроении.
Магний предпочтителен и при изготовлении композитов с металлической матрицей. Расплавленный алюминий, например, реагирует с армирующими волокнами карбида кремния, образуя карбид алюминия. Магний в отношении этих волокон инертен.
Бериллий одновременно относится и к легким, и к редким металлам, а следовательно, и к дорогим. Но основной недостаток этого металла, препятствующий его применению в технике, — высокая токсичность.
Еще один отрицательный фактор — хрупкость бериллия. Однако плюсов у него значительно больше.
Бериллий — один из наиболее легких металлов. Он в 1,5 раза легче алюминия и в 4 раза легче нержавеющей стали. По модулю упругости он превосходит и сталь, и титан, и алюминий. Важно, что его прочностные свойства не утрачиваются вплоть до температуры 800 градусов.
Как добывают алюминий или что скрывает Русал
Несмотря на высокую стоимость и токсичность, бериллий используют там, где он незаменим. Так, в США из него были изготовлены панели серии космических кораблей «Аджена», части антенны на спутнике связи «Тэксэт-1» и отражатель ядерного ракетного двигателя «Нерва-1».
Алюминий находится в третьей группе элементов. Других металлов легче алюминия в этой группе нет. В четвертой группе легче алюминия только кремний. Но значение его столь велико, что он заслуживает отдельной статьи.
Подведем итоги. Металлов легче алюминия много, больше десятка. Но не все из них, увы, могут его заменить или дополнить.
Источник: www.shkolazhizni.ru
cnc-club.ru
Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
- Отправить тему по email
- Версия для печати
Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение ebragim » 19 янв 2020, 04:37
Приветствую, уважаемое сообщество.
Есть идея — создать одну интересную деталь для спортсменов (обвес на олимпийский лук). Так как оно всё держится на вытянутой руке, то лишний вес — нежелателен.
Исходя из этой вводной, пытаюсь понять, есть ли варианты сплавов, которые будут легче алюминия? Гугл и школьный курс физики с химией вывели на сплавы титана и магния.
Как я понимаю, титан дюже дорогой, сплавы сильно отличаются по характеристикам, плохого много.
А магний — опасен в виде стружки, да и достать его в целом непросто с толщиной больше 50-60 мм?
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение Q-starь » 19 янв 2020, 05:19
Чистый титан.
Винтовка, жена и ложка — оружие строго индивидуальное!
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение Сергей Саныч » 19 янв 2020, 06:44
У титана плотность 4,5 , у алюминия 2,7. Но титан и его сплавы обычно прочнее, поэтому за счет конструктивных решений удается сделать деталь легче при сохранении прочностных характеристик. Однако, титановые сплавы довольно трудны в обработке.
ebragim писал(а): обвес на олимпийский лук
ebragim писал(а): титан дюже дорогой
Насколько я понимаю, первый пункт делает второй малозначимым — все-таки титан не золото-платина.
Чудес не бывает. Бывают фокусы.
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение molchec » 19 янв 2020, 09:51
если это чисто декоративные элементы, то может пластик какой и покрасить.
Если на принтере печатать за счет малого заполнения можно массу значительно уменьшить.
От формы зависит можно и в алюминии внутри выбрать лишнего и запенить чтобы не брякало
АМГ6 вроде один из самых легких среди доступных.
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение Mamont » 19 янв 2020, 12:00
после беглого осмотра строения олимпийского лука оценил что желательно сделать легким:
стабилизаторы и планку прицела — тонкостенные трубки алюминия в95т
плечи, само собой из углепластиков
рукоять лука — фрезерованный люминий В95т
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение Kachik » 19 янв 2020, 12:19
Какую часть лука будем облегчать ?
ИМХО: Вы опоздали лет так на 30.
П.С. Если -бы золото-платина могли что-то улучшить, то олимпийские луки делались именно из них.
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение donvictorio » 19 янв 2020, 16:40
обычно плотность материала и пределы текучести-прочности коррелируются у основных материалов-сплавов, различия лишь в полке текучести за счет легирующих элементов, поэтому чуда не произойдёт. одинаковая по весу деталь из разных материалов будет приблизительно одинакова по прочности, разница не особо большая.
на сегодняшний день выходом является только печать сотовых структур особо прочными сплавами.
Re: Сплав как алюминий, но легче? (магний, титан?)
Сообщение ebragim » 19 янв 2020, 17:39
molchec писал(а): если это чисто декоративные элементы, то может пластик какой и покрасить.
Не декоративные, да и в любом случае — лук при выстреле создаёт много вибраций сильных, пластик может в любом случае разлететься. Пробовал на 3д-принтере когда-то прицел делать, живёт редко большек одной тренировки, потом трескается. Не зря ставят стабилизаторы и прочие резинки с грузами для гашения паразитных колебаний.
Mamont писал(а): стабилизаторы и планку прицела — тонкостенные трубки алюминия в95т
Стаб гасит колебания, туда прочно вошёл в обиход карбон. Да и трубку я врядли смогу сделать, а вот тройники, например, в планах стоят (чтобы крепить 2-3 стаба под углом в одной точке). Причел — как раз в планах, но там нужна жёсткость, так что надо будет эксперементировать, и буду учиться моделировать поведение в том же солидворксе.
Mamont писал(а): плечи, само собой из углепластиков
На плечи я, само собой, даже не претендую, там композиты, и их производители давно научились делать гораздо лучше, чем я смогу в принципе)))
Mamont писал(а): рукоять лука — фрезерованный люминий В95т
И вот рукоятка тоже как раз в планах на «попробовать».
Kachik писал(а): Какую часть лука будем облегчать ?
ИМХО: Вы опоздали лет так на 30.
Идея не в «создать что-то новое и инновационное», а «сделать самому для себя». Купить можно очень и очень крутые (и дорогие) запчасти, мне ещё интересен сам процесс проектирования и изготовления. Хотел бы крутую штуку во владение — просто купил бы вместо станка сам лук)
donvictorio писал(а): обычно плотность материала и пределы текучести-прочности коррелируются у основных материалов-сплавов, различия лишь в полке текучести за счет легирующих элементов, поэтому чуда не произойдёт. одинаковая по весу деталь из разных материалов будет приблизительно одинакова по прочности, разница не особо большая.
на сегодняшний день выходом является только печать сотовых структур особо прочными сплавами.
А почему тогда так популярны «магниевые сплавы» в виде корпусов для, напрмиер, военной электроники или профессиональных фотоаппаратов? Алюминька же выходит дешевле, получается.
Источник: www.cnc-club.ru
Магний: металл легче алюминия
Подавляющая часть производимого в мире магния идет на легирование алюминиевых сплавов и только около 15 % – на конструкционные изделия, в основном в виде отливок. Магний и его сплавы применяются в виде деталей автомобилей, в том числе, колесных дисков, элементов промышленного оборудования, кухонного оборудования, деталей компьютеров и мобильных телефонов и, даже, лестниц [1].
Магний легко поддается литью, механической обработке и сварке. Он обладает относительно высокой электрической и тепловой проводимостью. Магниевые сплавы имеют очень хорошую способность к поглощению механической энергии: магниевые отливки находят применение в качестве изделий для работы в условиях высоких вибраций.
Коррозия магния
Многие годы одним из главных недостатков магниевых сплавов являлась коррозия. Магний занимает самую высокую анодную позицию в гальванической серии. Поэтому, как показано, на рисунке 1, может подвергаться сильной коррозии.
Рисунок 1 – Сильно корродированная магниевая деталь [1]
Рисунок 2 – Влияние содержания железа в магнии
на его коррозионную стойкость [1]
Рисунок 3 – Сравнение коррозионной стойкости
литейных алюминиевых и магниевых сплавов [1]
Металлургия магния
Кристаллическая структура и свойства
Чистый магний имеет гексагональную плотноупакованную кристаллическую структуру, которая ограничивает скольжение при комнатной температуре по основным плоскостям. При комнатной температуре магниевые сплавы легко поддаются нагартовке со значительным снижением пластических свойств. При повышенных температурах становятся рабочими дополнительные плоскости скольжения и поэтому деформируемые магниевые сплавы обрабатывают формовкой при температурах выше 200 ºС, обычно в интервале от 345 до 510 ºС в зависимости от сплава.
В ходе механической деформации в деформируемых сплавах образуется кристаллографическая текстура, что приводит к анизотропии механических свойств. Например, катаный лист с пределом прочности при растяжении 220 МПа и 2 % относительного удлинения, которые замерены параллельно направлению прокатки, могут показывать более высокие механические свойства (например, соответственно, 260 МПа и 8 %) при измерении их перпендикулярно направлению прокатки.
Кроме того, предел текучести при сжатии для изделий, полученных методами обработки металлов давлением, составляет только около 40-70 % от предела текучести при растяжении. В ходе горячей обработки отдельные кристаллы деформируются непосредственно по основным плоскостям скольжения и эти основные плоскости скольжения разворачиваются так, что они становятся ориентированными параллельно направлению деформационной обработки. Такое расположение зерен приводит к снижению прочности при сжатии. Поскольку в отливках такая текстура не образуется, то предел текучести при сжатии отливок примерно равен пределу текучести при растяжении. По этой причине, а также из-за того, что изделия из деформируемых сплавов имеют более высокую стоимость, чем аналогичные алюминиевые изделия, отливки из магниевых сплавов применяются намного шире, чем другие виды магниевых изделий.
Добавки алюминия, цинка и циркония
Магний имеет весьма низкую температуру плавления (650 ºC), что повышает его подверженность к ползучести при повышенных температурах. Однако, путем усовершенствованных методов легирования стойкость магниевых сплавов к ползучести может быть значительно повышена. Самыми важными легирующими добавками для магния являются алюминий, цинк и цирконий. Алюминий обеспечивает упрочнение за счет создания в магнии твердого раствора и расширения интервала затвердевания, что делает сплав более удобным для литья. При добавлении алюминия в магний его прочность постоянно возрастает до достижения содержания алюминия 10 %, но пик относительного удлинения возникает примерно при 3 % алюминия:
- Магниевые сплавы с 3 % алюминия имеют максимальную пластичность
- Магниевые сплавы с 9 % алюминия обладают максимальной прочностью.
- Магниевые сплавы с 6 % алюминия обладают лучшей комбинацией прочности и пластичности.
Цинк ведет себя аналогично алюминию:
- Пластичность достигает максимума при добавках цинка в количестве 3 %
- Хорошее сочетание прочности и пластичности достигается при 5 % цинка.
Марганец и кремний
Для повышения коррозионной стойкости магниевых сплавов Mg-Al и Mg-Al-Zn применяют добавки марганца для удаления железа за счет образования безвредных интерметаллических соединений. Количество марганца, которое может быть добавлено, ограничено 1,5 % из-за его низкой растворимости в магнии.
Кремний значительно повышает текучесть расплавленного магния, увеличивая, тем самым, его способность к литью. Однако в присутствии железа кремний снижает коррозионную стойкость магния. Кремний также обеспечивает повышение стойкости к ползучести.
Цирконий – измельчитель зерна
Цирконий является мощным измельчителем зерна, как это показано на рисунке 4. Однако цирконий нельзя применять в комбинации с алюминием или марганцем, так как он образует хрупкие интерметаллические соединения, которые «уничтожают» пластичность. Выдающаяся эффективность циркония в измельчении зерна литого магния может быть объяснена сильной схожестью кристаллической структуры и параметров атомной решетки этих двух элементов.
Рисунок 4 – Измельчение зерен магния цирконием [1]
Цирконий является такой важной легирующей добавкой, что была разработана целая серия магниево-циркониевых сплавов без присутствия в них алюминия. Циркониевые добавки обычно держат ниже 0,8 %, так как при более высоких концентрациях он легко образует соединения с железом, алюминием, кремнием, углеродом, кислородом и азотом, а также реагирует с водородом в виде гидрида, который является не растворимым в магнии.
Железо и никель
Элементы железо и никель являются вредными примесями, которые значительно снижают коррозионную стойкость. Медь также часто рассматривается, вместе с железом и никелем, как загрязнение, но в некоторых магниевых сплавах она применяется как легирующий элемент. Железо является самым проблемным из этих трех, так как никель и медь более легко контролировать путем выбора степени чистоты исходных материалов. Железо контролируют путем добавок MnCl2 в расплав в ходе литья.
Деформируемые и литейные сплавы
Хотя магниевые сплавы производят как в виде деформируемых, так и литейных сплавов, но литейные сплавы применяют намного более широко. Некоторые из деформируемых сплавов упрочняются путем холодной деформации, тогда как другие – путем термической обработки c упрочнением по механизму старения.
Литейные сплавы применяются в различных состояниях: литейном, отожженном или состаренном. Эти сплавы сами по себе обычно подразделяются на два класса: сплавы с алюминием и сплавы с цирконием. Пределы текучести при растяжении магниевых сплавов обычно находятся в интервале от 70 до 345 МПа, пределы прочности – от 140 до 380 МПа, а относительное удлинение от 1 до 15 %.
- Elements of Metallurgy and Engineering Alloys / ed. F.C. Campbell, ASM International, 2008
- ← Previous Сплавы алюминиевые деформируемые
- Сортировка алюминиевого лома по сплавам Next →
Источник: aluminium-guide.com