Механические свойства алюминиевых сплавов при повышенных температурах

10 октября 2018

Al (от лат. aluminium) , химический элемент IIIA подгруппы периодической системы элементов (B, Al, Ga, In, Tl), наиболее распространенный металл в земной коре, встречается в большом количестве минералов, например в глине и граните.

Производство алюминия

Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы — руда, представляющая собой в основном гидратированный оксид алюминия Al2O3Ч2H2O. Мировым лидером по производству алюминия являются США, затем Россия, Канада и Австралия. Алюминий наиболее известен как сырье для производства сплавов, используемых для изготовления пищевых емкостей (бидонов, баллонов, банок и т.п.), легкой кухонной посуды и другой домашней утвари. Неочищенный алюминий был впервые выделен Х.Эрстедом в 1825, хотя еще в 1807 Х.Дэви обнаружил неизвестный металл при обработке глины серной кислотой. Дэви не смог выделить металл из соединений, но назвал его алюминум (от лат. alumen — квасцы), а его оксид — глиноземом (alimina); вскоре это название металла по аналогии с названиями других металлов изменили на «алюминий», что стало общепринятым.

Свойства алюминия

Замечательным свойством алюминия является его легкость; плотность алюминия примерно в три раза меньше, чем у стали, меди или цинка. Чистый алюминий — мягкий металл, но образует сплавы с другими элементами, что обеспечивает большой диапазон полезных свойств. В ряду величин теплопроводности и электрической проводимости алюминий стоит после серебра и меди.

Алюминий отличается высокой реакционной способностью, поэтому он не встречается в природе в свободном состоянии. Металлический алюминий быстро растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида AlCl3, медленнее — в серной с образованием сульфата Al2(SO4)3, но с азотной кислотой реагирует только в присутствии солей ртути.

В реакции со щелочами он образует алюминаты, например, с NaOH образует NaAlO2. Алюминий проявляет амфотерные свойства, так как он реагирует и с кислотами, и со щелочами. На воздухе алюминий быстро покрывается прочной защитной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления.

Поэтому алюминий стабилен на воздухе и в присутствии влаги даже при умеренном нагревании. Если защитная пленка оксида нарушена, то при нагревании на воздухе или в кислороде он сгорает ярким белым пламенем. При нагревании алюминий активно реагирует с галогенами, серой, углеродом и азотом. Расплавленный алюминий реагирует с водой со взрывом.

СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

• Атомный номер 13
• Атомная масса 26,9815
• Изотопы стабильные 27, нестабильные 24, 25, 26, 28, 29
• Температура плавления, ° С 660
• Температура кипения, ° С 2467
• Плотность, г/см3 2,7
• Твердость (по Моосу) 2,0-2,9
• Содержание в земной коре, % (масс.) 8,13
• Степени окисления +3

Применение алюминия

С давних времен квасцы применяли в медицине как вяжущее средство, в крашении для протравы, и для дубления кожи. Квасцами часто называют смешанные сульфаты одно- и трехвалентного металлов, например алюминия и калия (минерал сольфатерит). Римский ученый Плиний Старший (1 в. н.э.) в своей Естественной истории упоминает о квасцах как о солях, свойства которых изучали алхимики. Впервые для дубления кожи и в медицинских целях квасцы применили египтяне; они, а также лидийцы, финикийцы и иудеи, знали, что некоторые краски, например индиго и кошениль, лучше сохраняются, если их смешивать или пропитывать квасцами. Кристаллический оксид алюминия, встречающийся в природе под названием корунд, используется как абразив, благодаря высокой твердости. Рубин и сапфир — разновидности корунда, окрашенные примесями, являются драгоценными камнями.

Применение металлического алюминия

Алюминий — один из наиболее легких конструкционных металлов. Сплавы, получаемые из алюминия после термообработки, наряду с низкой плотностью отличаются высокой прочностью и другими важными механическими свойствами, что делает алюминий незаменимым для изготовления деталей транспортных средств (поршни и картеры, блоки и головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей, подшипники, силовой набор и обшивка фюзеляжей и пр.).

Алюминий легко подвергается волочению и вытяжке, что используется в производстве пищевых емкостей. Удельная электропроводность алюминия составляет ок. 61% электрической проводимости меди, но плотность алюминия в три раза меньше.

Сочетание хорошей проводимости с высокой коррозионной стойкостью на воздухе расширяет возможности использования алюминиевых кабелей, часто упрочняемых сталью, для высоковольтных электропередач. Алюминий отличается также и высокой теплопроводностью, что используется в двигателях, системах охлаждения и других устройствах.

Металл легко полируется механически и электролитически, поэтому его применяют также для отражателей телескопов и аналогичных целей. Алюминий широко используется как упаковочный материал и имеет максимальный среди других упаковочных материалов коэффициент извлечения при вторичной переработке. Рекуперация алюминиевого вторсырья позволяет экономить энергию, так как ее расход в этом случае меньше, чем при производстве алюминия из руды.

В 1981 доля рекуперированного алюминия в производстве пищевых емкостей составляла 53,2%, а к 1991 достигла 62,4% и продолжает расти. Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки и поэтому используется как кровельный материал, обшивка, а также в рефлекторах дневного и ИК-света.

Коррозионную стойкость его можно еще повысить методом электролитического анодного окисления, известного как анодирование, в результате чего увеличиваются толщина и сцепление оксидной пленки. Анодированная поверхность легко окрашивается, такой способ часто применяют для архитектурных панелей

Коррозионная стойкость алюминия в сочетании с красивым внешним видом обеспечивает его широкое применение в холодильной технике. Алюминий — сильный восстановитель, и его используют для выделения менее активных металлов, а также в качестве антиоксиданта в производстве стали и взрывчатых веществ. Алюминиевый порошок применяют в отделочных работах.

Алюминиевая краска устойчива к действию промышленных выбросов и выхлопных газов, поэтому широко применяется как защитное покрытие на фасадных частях металлоконструкций, нефтяных танков, в железнодорожном оборудовании и других конструкциях.

Алюминиевая фольга — блестящий изолирующий материал, используемый для упаковки пищевых продуктов и для заворачивания их при кулинарной обработке, как декоративное покрытие книг, буквенных знаков, а также в производстве электроконденсаторов.

Алюминиевый порошок применяется в порошковой металлургии для изготовления точных деталей, а также служит добавкой в твердых топливах ракетных двигателей. Термитная смесь широко используется как сварочный материал для ремонта толстостенных конструкций, например для сварки стальных рельс.

Сплавы алюминия

Чистый алюминий, мягкий и пластичный, малопригоден для прямого технического применения. Для получения широкого спектра легких алюминиевых сплавов применяется процесс Холла — Эру. Нужды воздухоплавания во времена Первой мировой войны способствовали интенсивному развитию технологии алюминиевых сплавов. Сегодня развивается область специальных сплавов с помощью различных технологий. Из некоторых алюминиевых сплавов получают листовой прокат и профиль, из других тянут пруток, трубы, изготовляют брус с заданным углом, сложные секции и заготовки для обработки давлением. Многие сплавы можно прессовать, вытягивать, волочить и штамповать при комнатной температуре, другие обрабатывают только при повышенной температуре.

Термообработка алюминия

 Наиболее важным в технологии сплавов алюминия было открытие А.Вильма в 1911 того, что у некоторых сплавов улучшаются механические свойства в результате специальной термообработки, известной как старение. Впервые это было установлено для сплавов с медью и магнием, а затем и для всех сплавов. Старение проводят в две стадии; на первой сплав нагревают до температуры несколько ниже температуры плавления алюминия, при этом такие компоненты, как медь, образуют твердый раствор. При быстрой закалке компоненты сплава остаются в твердом растворе. На второй стадии при сравнительно низком нагреве растворенные компоненты сплава выделяются в виде чрезвычайно мелких частиц в алюминиевой матрице, улучшая механические свойства сплава. Но не все эффекты увеличения прочности являются следствием термообработки; некоторые из них объясняются тем, что компоненты сплава образуют твердые растворы или интерметаллические соединения.

Литье алюминия и обработка давлением

 Отливка в землю (точнее, в глинисто-песчаные формы) используется для изготовления массивных деталей типа блока цилиндров двигателей, а для массового производства мелких деталей применяется литье в стандартные формы, в том числе и литье под давлением. Широко используются формы для отливок, сделанные из керамики, стали или чугуна (литье в постоянную форму, или кокильное литье). Обычный литьевой сплав может содержать до 8% Cu или до 13% Si. Наиболее распространенные алюминиевые литьевые сплавы содержат добавки Mg, Ni, Fe, Mn или Zn. Низкая температура плавления алюминия и его хорошие литьевые свойства способствуют широкому применению алюминиевого литья.

Кроме того, используют алюминиевые заготовки, которые приобретают превосходные качества после термообработки и обработки давлением. Ранее широко применялся дюраль — сплав алюминия с 4% меди, предварительно подвергнутый тепловой и механической обработке. Теперь дюрали — это широкий набор высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих кроме меди также марганец, магний, кремний и др. Эти сплавы имеют прочность на разрыв до 414 МПа (42,2 кг/мм2), близкую к прочности низкоуглеродистой стали. Более современный сплав, содержащий цинк, при комнатной температуре имеет прочность на разрыв до 690 МПа (70,3 кг/мм2). Эти сплавы используются в производстве деталей самолетов и могут заменять некоторые старые медьсодержащие сплавы.

Сплавы алюминия горячей и холодной обработки

Алюминий и его сплавы можно подвергать холодной и горячей обработке. При горячей обработке происходит разрушение структуры слитка и превращение ее в однородную мелкозернистую структуру с улучшенными свойствами. Горячая формовка и штамповка позволяют изготавливать тонкие заготовки, которые невозможно получать при холодной обработке. Таким способом получают пруток, проволоку, катанку, лист и другой специальный профиль. Холодная обработка производится на конечной стадии для получения в основном листа, прутка, проволоки и труб. При холодной обработке увеличивается прочность и твердость изделия. В общем, горячая обработка используется для первичной обработки слитка, а холодная имеет преимущество на последней стадии обработки.

Конструкционный материал для низких температур — алюминий

Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как –270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений.

Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти стали.

Хорошим примером применения алюминиевых сплавов при низких температурах является изготовление сосудов давления, которые работают в интервале температур от -195   до 65 °С. Здесь применяют алюминиевые сплавы 5083 и 5456. У этих сплавов в интервале температуры от комнатной до –195 °С предел прочности при растяжении возрастает на 30-40 %, предел текучести – на 5-10 % и относительное удлинение – на 60-100 %.

Прочность алюминия при низких температурах

Алюминий и его сплавы, в отличие от сталей, не имеют порога хладноломкости. Напротив, их прочность со снижением температуры возрастает. Длительная выдержка при низких температурах не оказывает влияния на уровень прочностных свойств стабильных термически упрочненных алюминиевых сплавов как непосредственно при этих низких температурах, так и при возвращении к комнатной температуре.

Свежезакаленные термически упрочняемые сплавы могут поддерживаться в этом состоянии в течение длительного времени, если их хранить при низкой температуре для задержки процесса старения. Самолетные заклепки из сплавов AlCuMgSi (дюралюминов) подвергают нагреву под закалку при 495 °С в течение от 5 до 60 минут в зависимости размеров и количества заклепок, после чего они закаливаются в холодной воде. При комнатной температуре заклепки остаются пластичными в течение двух часов, при –5 °С это состояние сохраняется 45 часов, а при –15 °С – 150 часов!

Рост прочностных характеристик алюминиевых сплавов при снижении температуры почти не заметен до –15 °С, но начинает значительно увеличиваться ниже –100 °С. На рисунке показано поведение сплава 6061 в интервале температур от -250 °С до комнатной температуры.

Относительное удлинение алюминия

Относительное удлинение большинства алюминиевых сплавов также возрастает со снижением температуры вплоть до –196 °С. У некоторых сплавов Аl-Mg при содержании магния более 4,5 % со снижением температуры относительное удлинение сначала увеличивается, а затем снова снижается, но все равно остается выше, чем при комнатной температуре.

Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при низких температурах, являются сплавы 1100, 2014, 2024, 2090, 2219, 3003, 5083, 5456, 6061, 7005, 7039 и 7075.

Изменение физико-механических свойств алюминия под действием температуры