Алюминий и сплавы на его основе

            Алюминий второй (после железа) металл современной техники. Наиболее важное свойство алюминия, определяющее его широкое применение, - это его плотность, равная 2,7 г/см3 (т.е. алюминий почти в 3 раза легче железа), а также хорошая электрическая проводимость, составляющая 65 % электрической проводимости меди. Кроме того, алюминий имеет высокие теплопроводность и теплоемкость, химически стоек против органических кислот и хорошо сопротивляется воздействию азотной кислоты. Он очень быстро окисляется на воздухе, покрываясь тонкой пленкой оксида, которая, в отличие от железа, не пропускает кислород в толщу металла, делая его стойким против коррозии. Температура плавления алюминия 660 С, температура кипения 2500 С. Предел прочности при разрыве составляет 90-180 МПа. Он имеет очень высокую пластичность. Однако чистый алюминий трудно обрабатывается резанием, а также имеет значительную линейную усадку. Для устранения этих отрицательных свойств в алюминий вводят различные добавки, поэтому широко распространены сплавы алюминия. Алюминий – наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%), в чистом виде он не встречается, зато много минералов содержащих его.

Виды алюминиевого проката:

Заклепки, Катанка, Квадрат, Круг, Пруток, Лента, Фольга, Лист, Плита, Лист профилированный, Лист рифленый, Полоса, Порошок, Проволока, Профиль, Пудра, Сплавы, Труба, Уголок, Слитки, Чушка, Швеллер, Шестигранник, Шина, и др.

Марки алюминиевых сплавов:

А0, А5, А6, А7, А8, А999, АВ, АВ87, АД, АД0, АД00, АД1, АД31, АК4, АК4-1, АК6, АК8, АМг, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6, АМц, В65, В95, Д1, Д16, Д18, 1915, 1925, 1961, АК5М2, АК7, АК7М2, АК8, АК9, АК12 и др.

Условные обозначения сплавав

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

АМц - алюминиево-марганцевый сплав.

АМг - алюминиево-магниевый.

АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

Д - дуралюмин.

В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла.

Механическая и термическая обработка алюминиевых сплавов

Возможно упрочнение сплавов путем деформации заготовок в холодном состоянии. Благодаря наклепу прочность металла увеличивается, a относительное удлинение падает.

Возможны две степени механической обработки - полунагартовка и нагартовка. Полунагартованные листы могут применяться для конструкций, при изготовлении которых требуется гибка или сварка. Нагартованные листы подвергать этим видам обработки не рекомендуется, так как есть опасность появления трещин или разрывов.

Термической обработке подвергаются тройные сплавы типа "алюминий - медь - магний". При обычной температуре эти сплавы состоят из a - твердого раствора, включений соединения меди с алюминием и тройной фазы - "алюминий - медь - магний".

Все эти составляющие на микрошлифе дают светлое поле, на котором выделяются темно-фиолетовые зерна соединений железа. В прессованном и отожженном металле не наблюдается какого-либо зернистого строения. Термическая обработка этих сплавов с целью их упрочнения производится в две стадии:

1) Закалка заключается в нагревании металла в узких пределах температур - от 495 до 510^° и в быстром охлаждении. При этом структурные образующие - соединения алюминия с медью и магнием - переходят в твердый однофазный раствор, который после быстрого охлаждения при нормальной температуре становится пересыщенным. При этом проявляется мозаичная структура.

2) Если сразу же после закалки испытать такой образец на разрыв, то повышения прочности отмечено не будет. Упрочнение наблюдается спустя некоторое время после закалки, когда пройдет процесс старения. Этот процесс может происходить либо самопроизвольно при обычной температуре в течение 4-5 суток (особенно в первые сутки) - это естественное старение, либо ускоренно, за несколько часов, при температуре около 150^° - искусственное старение.

Процесс старения заключается в том, что из твердого пересыщенного раствора выпадает новая кристаллическая, более прочная, чем основной металл, фаза в виде соединений алюминия с медью, которая как бы армирует поверхность кристаллов, в результате чего повышается прочность металла.

Благодаря термической обработке предел прочности сплава увеличивается в 1,3-1,5, а для некоторых сплавов в два раза. Относительное удлинение при этом несколько уменьшается (на 10-20%,).

Буквенные обозначения механической и термической обработки алюминиевых сплавов (состояние поставки):

П - полунагартованные.

Н - нагартованные.

М - отожженные.

Т - закаленные и естественно состаренные.

TI - закаленные и искусственно состаренные.

Деформируемые сплавы разделяют на две группы: термически необрабатываемые и термически обрабатываемые.

Термически не упрочняемые алюминиевые сплавы

а) А л ю м и н и е в о - м а р г а н ц е в ы й с п л а в АМц

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 11-17 кг/мм². Сваривается. Как правило, используется для ограждающих конструкций.

б) А л ю м и н и е в о - м а г н и е в ы й сплав АМг-6Т.

По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций.

Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т). Предел прочности АМг-6Т -32 кг/мм² и относительное удлинение- 15%.-

Может быть рекомендован для изготовления ответственных сварных конструкций, так как при сварке теряет прочность незначительно.

Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы

а) Д у р а л ю м и н ы

Из всех алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили дуралюмины благодаря их высокой прочности. Это термически упрочненные сплавы: Д1-Т, Д6-Т, Д-16-Т. Они характеризуются большим содержанием меди (4-5%). В меньших количествах в них входят магний и марганец. Техническими условиями проектирования конструкций из алюминиевых сплавов рекомендован к применению в строительстве высокопрочный сплав Д16-Т, как наиболее экономичный. Его предел прочности - до 49 кг/мм², относительное удлинение - 10%. Расчетные сопротивления Д16-Т превосходят характеристики стали 3 и близки к сталям повышенного качества (см. приложение I, табл. 1).

Одним из недостатков дуралюминов является меньшая по сравнению с другими сплавами стойкость против коррозии. Поэтому конструкции, выполненные из дуралюмина, следует окрашивать.

б) А л ю м и н и е в о-к р е м н и е в ы й  с п л а в АВ-Т1 (а в и а л ь)

В состав сплава входят кремний, магний, марганец и медь - всего от 2 до 3%. В отличие от других компонентов кремний не образует соединения с алюминием. Здесь возникает соединение кремния с магнием, которое имеет высокую прочность и малую пластичность. Это соединение рассматривается на диаграмме состояний сплава как основной компонент. Растворимость соединения в алюминии ограничена, поэтому возможно получение пересыщенного твердого раствора и, следовательно, возможна термическая обработка сплава.

Предел прочности АВ-Т1 - 33 кг/мм². В этом отношении этот сплав приближается к стали. Рекомендуется применять его для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях.

в) В ы с о к о п р о ч н ы е с п л а в ы В65, В95, В96

В состав этих сплавов входят медь, цинк и другие легирующие элементы. По прочности данные сплавы выше низколегированных сталей. Но пока высокопрочные сплавы дороги и в строительстве могут быть использованы лишь для специальных целей. В качестве недостатка этих сплавов отмечается понижение прочности металла при нагревании их до 150^°. Сплав В65-Т применяется для изготовления заклепок.

Общими чертами всей группы термически обрабатываемых сплавов являются: высокая прочность, достигаемая в результате термического упрочнения, но в то же время нерациональность использования для них сварки в качестве соединения элементов, так как при сварке происходит отжиг околоушной зоны и, как правило, образование трещин, а следовательно, понижение прочности сварной конструкции.