Каковы свойства алюминия и его сплавов

Алюминий и его сплавы имеют малую плотность 2,64— 2,89 г/см 3 . Прочностные же свойства зависят от легирования, тер­мической обработки, степени деформирования и могут достигать высоких значений. По прочности многие алюминиевые сплавы не уступают конструкционным сталям.

Для сплавов алюминия электропроводность составляет 30—50% электропроводности меди, а для чистого алюминия 62—65% электропроводности меди.

Алюминий окисляется с образованием окисной пленки Аl203, которая защищает его от дальнейшего окисления,Химический состав деформируемых и литейных алюминиевых сплавов по ГОСТам 4784—65 и 2685—63.

Из алюминиевых сплавов в основном изготовляют конструк­ции, работающие при сравнительно низких температурах не свыше 350° С. Так дуралюмин используют для работы при темпе­ратурах не более 200° С, сплавы типа В95 до 125° С, авиали до 80—100° С при длительной работе и до 200° С при кратковре­менной. Специальные сплавы САП (спеченный алюминиевый поро­шок) применяют и для работы при более высоких температурах. До температуры 100° С кратковременные механические свойства меняются мало. Обращает внимание высокое относительное удли­нение алюминиевых сплавов при низких температурах.

Обучающее видео Алюминий и его сплавы

Характеристики длительной проч­ности термически не упрочняемых сплавов обычно ниже, чем тер­мически упрочняемых.

Длительные выдержки сплавов типа авиаль при температурах свыше 80—100° С приводят к их упрочнению и снижению пласти­ческих свойств. Исследованиями, проведенными авторами, уста­новлено, что относительное удлинение снижается при указанных условиях с 20—25% (исходное состояние после закалки и есте­ственного старения) до 1—2%. Подобное ухудшение свойств, при которых возможно хрупкое разрушение конструкций, яв­ляется существенным препятствием применения сплавов такого типа для работы при температурах выше 80° С.

Циклическая прочность

Циклическая прочность деформируемых сплавов при симме­тричном изгибе на базе 5*10 8 циклов составляет 3,5 кГ/мм 2 для сплава А ДМ, 4,2—6,3 кГ/мм 2 для сплава АДН, 5—6,5 кГ/мм 2 для сплава АМцАМ, 15 кГ/мм 2 для сплава В95.

Области применения литейных сплавов различны. Сплавы группы I рекомендуют для литья в песчаные формы, кокиль и для литья под давлением. Сплав АЛ22 обычно применяют в закален­ном состоянии, а сплав АЛ23 и АЛ29 — в литом.

Сплавы группы II имеют высокие литейные свойства благодаря наличию в сплавах двойной эвтектики, которая уменьшает также литейную усадку и склонность к образованию горячих трещин. Сплавы AЛ2, АЛ4 и АЛ9 обладают повышенной коррозионной стойкостью, поэтому их применяют для изделий, работающих во влажной и морской средах. С целью получения заданных механических свойств отливки подвергают термической обработке по различ­ным режимам.

Сплавы группы III обладают высокими механи­ческими свойствами, особенно пределом текучести и повышенной жаропрочностью. У этих сплавов пониженные литейные свойства и коррозионная стойкость, кроме того, они склонны к образова­нию горячих трещин. Для выполнения отливок сложной формы такие сплавы не рекомендуют. Сплав АЛ7 применяют для деталей, испытывающих средние нагрузки и температуры не свыше 200° С. Сплав АЛ 19 по сравнению с АЛ 17 имеет более высокую жаропроч­ность (в 2 раза), и применяют его для силовых деталей в условиях статических и ударных нагрузок при температурах до 300° С.

Про алюминий интересно

Сплавы группы IV применяют для всех способов литья. По ли­тейным свойствам они менее технологичны, чем сплавы II.

Сплавы группы V применяют для самых разнообразных дета­лей, работающих при высоких температурах. К этой группе относятся также самозакаливающиеся сплавы.

Механические свойства

Механические свойства всех вышеуказанных, литейных спла­Wow зависят от режимов термической обработки, определяющей структурное и фазовое состояние сплавов.

Высокая коррозионная стойкость алюминия объясняется обра­зованием окисиой пленки Аl203. Коррозионная стойкость алю­миния зависит от влияния агрессивной среды на растворимость защитной окисной пленки, от чистоты обработки поверхности и режима термической обработки. Чистый алюминий обладает высокой стойкостью в сухом и влажном воздухе.

В азотной кислоте концентрации 30—50% при увеличении температуры скорость коррозии алюминия возрастает. При концентрации азотной кис­лоты выше 80% коррозия резко снижается. Алюминий обладает высокой стойкостью в разбавленной серной кислоте и в концен­трированной при 20° С. Средние концентрации серной кислоты (более 40%) наиболее опасны для алюминия.

При комнатных тем­пературах алюминий устойчив в фосфорной и уксусных кислотах. Такие, как муравьиная, щавелевая, трихлоруксусная и другие хлороорганические кислоты значительно разрушают алюминий. В растворах едких щелочей окисная пленка алюминия раство­ряется. Растворы углекислых солей калия и натрия оказывают меньшее влияние на скорость коррозии алюминия.

Алюминий при температурах до 300° С обладает хорошей стойкостью в жидких металлических средах, например, натрии.

Коррозионная стойкость алюминия в воде и водяном паре при повышенных температурах (выше 200° С) зависит от чистоты алюминия. Если происходит движение среды, то скорость корро­зии повышается в 10—60 раз.

Основными видами коррозии алюминиевых сплавов является межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением. Для повышения коррозионных свойств применяют защитные покрытия, такие, как плакирование, оксидные пленки, лакокрасочные по­крытия, смазки, хромовые или никель-хромовые гальванические покрытия.

Технология производства

Технология производства и термическая обработка могут оказывать существенное влияние на коррозионные свойства спла­Wow. Сплавы АД, АД1, АМц, АМг2 и АМгЗ мало чувствительны к методам производства. Коррозионная стойкость сплавов АМг5, АМгб во многом зависит от методов производства. У этих сплавов при длительном нагреве на 60—70° С проявляется склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.

Сплавы Д1, Д18, Д16 и типа В95 имеют пониженную корро­зионную стойкость. Подобные сплавы применяют с соответствую­щей защитой от коррозии. Сплавы типа авиаль обладают высокой коррозионной стойкостью в воде высокой чистоты с до­бавлением углекислого газа при температурах до 100° С.

При изучении влияния облучения на некоторые характеристики алюминия установлено, что после облучения интегральным пото­ком 1,1 х 10 19 нейтрон/см 2 при 80° С критическое напряжение сдвига увеличивается в 5 раз. При этом электросопротив­ление алюминия повышается на 30%. Влияние облучения на электрическое и критическое сопротивления сдвигу снимается при температуре около 60° С.

Из разработанных свариваемых, термически обрабатываемых, самозакаливающихся при сварке сплавов, наиболее характерны сплавы системы Аl—Zn—Mg. Однако, обладая удовлетвори­тельными прочностными свойствами, они склонны к коррозии под напряжением и замедленному разрушению. Такая склонность вызвана переходом от зонной к фазовой стадии старения даже при комнатных температурах эксплуатации сварных соединений. Поэтому сплавы системы Аl—Zn-Mg можно применять в усло­виях низких температур, исключающих переход к фазовому ста­рению при низком уровне сварочных напряжений. Содержание цинка и магния должно быть при этом минимальным.

Высокая стойкость

Перспективными являются спеченные сплавы. К числу жаро­стойких относятся сплавы типа САП, которые можно применять для конструкций, работающих при температурах до 400—500° С. САП содержит до 13% тугоплавкой окисной фазы, поэтому тем­пература плавления его очень высокая (2000° С).

Из сплавов САП-1 (6,0—9,0% А1203) и САП-2 (9,1 — 13,0% А1203) изготовляют такие же полуфабрикаты, как из алю­миниевых сплавов. Сплав САП-3 применяют только для прессо­ванных полуфабрикатов. Наибольшая масса прессованных полу­фабрикатов до 400 кг. Размеры изготовляемых листов 1000 X Х7000 мм при толщине от 0,8 до 10 мм.

Сплавы имеют высокие прочностные свойства. Так у сплава САП-1 при 20° С ов = 35 кГ/мм 2 , а у САП-3 40 кГ/мм 2 . Подобными свойствами обладает сплав САС-1 (25—30% Si и 7% Nі), получаемый из распыленного порошка. Он износостоек, достаточно прочен (а = 25,0-28,0 кГ/мм 2 ), имеет коэффициент линейного расширения, близкий к стали, и высокий модуль упру­гости.

Сплавы САС-1 и САП не склонны к коррозии под напряжением и замедленным разрушениям. Сплав САП можно применять при сравнительно высоких температурах эксплуатации. При сварке этих сплавов обычно применяют присадочную проволоку марки АМг6.

Источник: almet.ru

Алюминий и его сплавы

Алюминий — тринадцатый элемент периодической системы Менделеева. Легкий и мягкий металл, который легко поддается обработке. В нашей стране добывают его на Урале. Оксидная пленка, образующаяся на поверхности в воздушной среде, защищает металл от коррозии, а это полезное свойство делает его столь востребованным в автомобилестроении.

Вероятно, вам приходилось слышать, что алюминий называют крылатым металлом, поскольку его используют в самолетостроении — примерно на две трети самолет состоит из алюминия и сплавов на его основе. Применяют его и в машиностроении, электропромышленности, пищевой промышленности. В производстве металлов алюминий на втором месте после железа .

Получают его методом электролиза оксида Al2O3 . По ГОСТу (11069-74) существуют марки алюминия: А, АЕ, АО, А5, А6, А7, А8, А85, А95, А97, А99, А999 и А995. Марки от А до А85 содержат не более 2 % примесей и называются алюминием технической чистоты. А примеси — это кремний и железо, они (а особенно железо) неблагоприятно влияют на свойства алюминия: ухудшают электропроводность, пластичность и стойкость к коррозиям. Полезными они бывают, только если речь идет о жаропрочных сплавах.

Повышенной устойчивостью к коррозиям обладают сплавы алюминия с менее коррозионностойких металлов (с марганцем, магнием), зато сплавы с металлами, превосходящих алюминий в этом свойстве, получаются, напротив, менее устойчивыми к коррозиям, например, Al-Cu. В целом, сплавы обладают чаще всего лучшими по сравнению с чистым алюминием механическими качествами.

Сплавы алюминия можно разделить на две группы: литейные и деформируемые (те, что обрабатываются давлением).

Помимо указанных буквенных обозначений, к ним могут добавлять буквы, обозначающие вид обработки и состояние изделия: Т — закаленное и естественно состаренное состояние, Т1 — закаленное и искусственно состаренное при 135 — 180 °С, М — обожженное состояние, Н — нагартованное, П — полунагартованное, ПЧ и Ч — указывает на наличие примесей.

Деформируемые:

• Технический алюминий,
• Дюралюминий с медью и магнием — Д1, Д16. Сплав Д19 становится прочнее при закалке 500 — 515 °С в воде и естественным старением порядка десяти суток. Немного изменяется его пластичность. Все виды полуфабрикатов выпускают из него. Д21 применяют для штамповок и прессованных заготовок.
• Сплав АМЦ (алюминиевомарганцевый),
• Высокопрочные сплавы с магнием, цинком и медью — В92, В95. Сплав В92 становится прочнее и при естественном и при искусственном старении. После закалки 400-460 °С и искусственного старения при 100 С его механические свойства его достигают максимума. Применяется для всех видов полуфабрикатов.
• «Авиаль» с кремнием и магнием АД 31, АД35 и АД38, кроме них еще А8, но в него входит еще небольшое количество меди. Сплав ВАД23 ( AI — Сu — Мg ) среди прочих деформируемых сплавов алюминия отличается наивысшими и значениями временного сопротивления и предела текучести при нормальных и повышенных (до 160-180 °С) температурах.
• Магниевые сплавы — Амг (с цифровым обозначением содержания магния). Сплав АМг6 больше других распространен в технике. Он прекрасно сваривается, устойчив к коррозиям, пластичен, при термообработке упрочняется.
• Жаропрочные (ковочные) с маркировкой АК (АК2, АК 4 и т.д.)

Литейные сплавы используют для изготовления, соответственно, литых заготовок.

• Al + Si — силумины. АЛ2, АЛ4, АЛ9, АЛ34. Отлично льются, свариваются и анодируются, режутся.
• Al + Cu — дюрали,
• Al + Mg (Амг).

Сплавы из алюминия отличаются удельной прочностью и простотой изготовления деталей из них, устойчивы к коррозии ( в 10-20 раз выше, чем у конструкционной стали), пластичностью даже при низких температурах, при ударе не дают искр, а кроме того имеют отличный внешний вид.

Прочность алюминиевых сплавов находится в зависимости от их марки, состояния, формы и размера заготовки и других факторов.

Алюминий подвергается лазерной резки до 16 мм., и гидроабразивной резки до 300 мм.

Источник: promexcut.ru

Свойства алюминиевых сплавов

За какие свойства алюминия и алюминиевых сплавов их так охотно применяют во всех отраслях промышленности и строительстве?

Коррозионная стойкость

Тонкая естественная оксидная пленка, которая прочно «сцеплена» с основным металлом, обеспечивает многим алюминиевым сплавам такое свойство, как значительное сопротивление коррозии во многих атмосферных и химических средах. Особенно отличаются в этом сплавы серий 1ххх, 3ххх, 5ххх и 6ххх.

Рисунок 1 – Влияние легирующих элементов алюминиевых сплавов
на их коррозионную стойкость и усталостную прочность [3]

Теплопроводность

Алюминий и алюминиевые сплавы являются хорошими проводниками тепла. Это свойство – теплопроводность – у алюминиевых сплавов более чем в четыре раза выше, чем у углеродистых сталей. Они начинают плавиться при значительно более низкой температуре, чем стали. Температура плавления чистого алюминия составляет около 660 °С, а алюминиевые сплавы в зависимости от степени легирования начинают плавиться при более низких температурах, например, при 515 °С для сплава 2017 (Д1).

Рисунок 2 – Теплопроводность алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Электропроводность

Чистый алюминий и некоторые его сплавы имеют очень высокую электропроводность (низкое электрическое сопротивление), уступая только меди среди металлов, которые применяют в качестве проводников электричества. Вместе с тем, на высоковольтных линиях электропередач, если это позволяет степень загрязненности воздушной атмосферы, применяют именно алюминиевые провода. Они имеют большее поперечное сечение, чем эквивалентные медные провода, однако и вдвое меньший вес, что позволяет, в частности, реже ставить опоры и уменьшать их высоту.

Рисунок 3 – Электрические свойства алюминия [3]

Отношение прочности к весу

Высокое отношение прочность/вес – относительно высокая прочность при низкой плотности – определяет высокую эффективность алюминиевых сплавов и открывает много возможностей для замены более тяжелых металлов без потери (а может быть и с увеличением) несущей способности изделия или детали. Эта особенность алюминиевых сплавов в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, а также возможности полной переработки после окончания срока службы, обеспечивает им широкое применение производстве контейнеров и в транспортном машиностроении (самолеты, автомобили, пассажирские вагоны).

Рисунок 4 – Объем на единицу веса алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Алюминий при низких температурах

Алюминиевые сплавы, особенно сплавы серий 3ххх, 5ххх и 6ххх идеально подходят для работы при низких температурах. Многочисленные данные подтверждают, что их пластичность и вязкость, также как и прочность, выше при отрицательных температурах, вплоть до абсолютного нуля, чем при «комнатной» температуре.

Рисунок 5 – Прочностные свойства алюминиевого сплава 6061 (АД33),
термически обработанного, искусственно состаренного [3]

Технологическая обработка

Алюминиевые сплавы легко обрабатываются большинством известных технологий обработки металлов и особенно легко поддаются экструзии. Экструзией называется процесс продавливания нагретого металла через матрицу, формирующую профили со сложным поперечным сечением. Это свойство алюминиевых сплавов дает возможность изготавливать из них экструдированные профили с практически неограниченным разнообразием форм поперечного сечения. Это позволяет располагать металл в тех местах и таким образом, чтобы обеспечивать профилю максимальную несущую способность под воздействием заданных нагрузок.

Методы соединения алюминия

Детали из алюминиевых сплавов соединяют с помощью большого количества способов, включая, сварку, пайку, клепку, винтовые соединения, не говоря о большом разнообразии механических способов. Сварка алюминия может показаться трудной для тех, кто имеет опыт работы только со сталями и попытается перенести его на алюминий. Сварку алюминиевых сплавов считают довольно легкой, когда применяют такие проверенные методы, как дуговая сварка плавящимся электродом (MIG) и вольфрамовым неплавящимся электродом (TIG) в среде инертного газа.

Переработка лома

Важной характеристикой алюминиевых сплавов является то, что их жизненный цикл практически полностью замкнут – они легко поддаются повторному использованию – рециклингу – и, в отличие от других конструкционных материалов, они перерабатываются почти в такую же высококачественную продукцию.

Рисунок 5 – Линия по переработке использованных алюминиевых банок
в слитки для прокатки тонкого листа для изготовления новых банок [3]

Свойства типичные и нормированные

Данные о свойствах алюминия и алюминиевых сплавов, как и других промышленных материалов, бывают двух основных видов:

• типичные (номинальные) и
• нормированные (предельные).

Типичные физические свойства

Физические свойства, такие как:

• коэффициент термического расширения,
• коэффициент теплопроводности,
• электропроводимость,
• электрическое сопротивление и даже
• плотность

практически всегда являются типичными величинами. Их получают по результатам лабораторных испытаний репрезентативных промышленных партий изделий.

Типичные физические свойства алюминиевых сплавов используются как основание для сравнения сплавов и их состояний и не должны применяться для инженерных расчетов.

Типичные физические свойства не являются гарантированными величинами, поскольку в большинстве случаев представляют собой осредненные значения для изделий с различными размерами, формами, и методами изготовления и не могут быть в точности репрезентативными для изделий любых размеров и форм.

Типичные механические свойства

Механические свойства могут быть и типичными, и нормированными.

• предела прочности,
• предела текучести,
• удлинения,
• твердости,
• усталостной выносливости

– это их средние или медианные значения вблизи пика функций распределения.

Рисунок 6 – Влияние легирующих элементов на прочность при растяжении, твердость,
чувствительность к надрезу и пластичность [3]

Рисунок 7 – Влияние легирующих элементов алюминиевых сплавов
на их плотность и модуль упругости (модуль Юнга) [3]

Рисунок 8 – Различие явления усталости
между низкоуглеродистой сталью и алюминиевыми сплавами [3]

Эти функции распределения получают при обработке результатов стандартных испытаний выборок образцов из многих промышленных партий изделий. Типичные значения являются репрезентативными для изделий со средним поперечным сечением или толщиной. Они наиболее хорошо подходят для демонстрации соотношений между сплавами и их состояниями. Однако эти данные не годятся для прочностных расчетов конструкций и деталей. Так, типичные величины предела прочности на растяжение, например, не включают их более высоких значений (на 5-10 % выше), свойственных тонким прессованным профилям, а также более низких значений, которые характерны для очень толстых, термически упрочненных изделий.

Нормированные механические свойства

Для прочностных расчетов конструкций и деталей применяют нормированные (предельные) значения механических свойств. Нормированное значение – это значение, характеризующее свойства материала или продукта, которое имеет определенную вероятность не превышения при неограниченной серии испытаний. Это числовое значение, обычно соответствует определенной квантили принятого статистического распределения рассматриваемого материала или продукта.

Предельное значение механических свойств обычно устанавливают на базе принципа, согласно которому 99 % материала партии изделий соответствуют ему с вероятностью 0,95. В большинстве случаев эти предельные значения основаны на нормальном распределении данных. Предельные значения механических свойств обычно используют для расчета деталей или конструкций, а также для приемки промышленных партий.

Осредненные механические свойства

Некоторые прочностные параметры материала (например, модуль упругости, коэффициент ползучести, коэффициент термического расширения) используют в прочностных расчетах и в виде типичных, осредненных величин. В некоторых случаях, например, при оценке устойчивости, применяют более низкое или более высокое значение модуля упругости по отношению к его среднему значению.

• ← Previous Aluminum Extrusion Technology Seminar (2012)
• Моделирование экструзии алюминия Next →

Источник: aluminium-guide.com