Презентация. Алюминиевые сплавы

Скачать презентацию




Материаловедение Алюминиевые сплавы
 


Алюминий – металл серебристо-белого цвета, имеет ГЦК решетку, полиморфных превращений не имеет. Плотность – 2,7 г/см3, Тпл.– 660 °С. Характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, высокой пластичностью и малой прочностью. Механические свойства: в = 60…80 МПа, ? = 40…50 %, Е = 70 ГПа. Алюминий обладает хорошей коррозионной стойкостью из-за плотной оксидной пленки Al2O3. Первичный Al выпускается трех сортов: особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995…А95) и технической чистоты (А85…А0). Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995 % Al, марки А6 – 99,6 % Al, марки А0 – 99,0 % Al. Основные примеси – Fe и Si, образуют промежуточные фазы ? (Fe2SiAl6) и ? (FeSiAl5) (повышают прочность и снижают пластичность). Технический Al выпускается в виде листов, проволоки, прутков, труб, которые применяются в отожженном (М), полунагартованном (Н2) или нагартованном (Н), горячекатаном (ГК) состояниях. Механические свойства в состоянии М составляют в = 60 МПа, ? = 20…28 %, в состоянии Н – в = 130…145 МПа, ? = 3…5 % и в состоянии ГК – в = 70 МПа, ? = 15 %. Al не упрочняется т/о. Для полного разупрочнения нагартованного алюминия применяют отжиг при 300…500 °С. Для частичного снятия упрочнения нагартованного алюминия проводят отжиг при 150…300 °С.
 


Классификация алюминиевых сплавов Основные легирующие элементы: Cu, Zn, Mg, Mn, Zr. В условиях равновесия Al сплавы представляют собой равновесный твердый раствор с выделениями интерметаллидных фаз типа CuAl2 (?-фаза), Al2CuMg (S-фаза), Al6CuMg4 (Т-фаза) и др. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на : деформируемые, литейные и порошковые. По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой. В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др.
 


Маркировка алюминиевых сплавов Для отечественных алюминиевых сплавов используются буквенно-цифровая и цифровая системы обозначений. Буквы могут обозначать Al и основной легирующий компонент – АМц (Al – Mn), АМг1 (Al – Mg), АМг2 (Al – Mg), назначение сплава (АК6, АК4–1 – алюминий ковочный), название сплава (АВ – авиаль, Д16 – дуралюминий), могут быть связаны с названием института, разработавшего сплав (ВАД1, ВАД23 – ВИАМ, алюминиевый, деформируемый) и т.д. Цифровая маркировка. Первая цифра обозначает основу сплава. Al – «1». Вторая цифра обозначает основной легирующий компонент. «0» – спеченные алюминиевые сплавы (САС). «1» – сплавы на основе системы Al–Сu–Мg; «2» – сплавы на основе системы Al–Сu; «3» – сплавы на основе системы Al–Mg–Si; «4» – сплавы на основе системы Аl–Li, а также сплавы, легированные малорастворимыми компонентами, (марганец, хром, цирконий); «5» – сплавы системы Al–Mg (магналии); «9» – сплавы на основе систем Аl–Zn–Мg или Аl– Zn–Мg–Сu обозначаются цифрой. Цифры «6», «7» и «8» – резервные. Последние две цифры в цифровом обозначении алюминиевого сплава –порядковый номер. Последняя цифра несет дополнительную информацию: сплавы, оканчивающиеся на нечетную цифру – деформируемые, на четную – литейные. Если сплав опытный, то перед маркой ставят цифру «0» (01570, 01970) и маркировка становится пятизначной.
 


Цифровая маркировка деформируемых алюминиевых сплавов
 


Деформируемые алюминиевые сплавы Нетермоупрочняемые сплавы. К этим сплавам относятся сплавы алюминия с марганцем или магнием. Структура этих сплавов после медленного охлаждения состоит только из ?-твердого раствора марганца или магния в алюминии. Никаких структурных изменений в этих сплавах при нагревании и охлаждении не происходит, поэтому применение термической обработки с целью повышения прочности невозможно. Упрочнение этих сплавов возможно только за счет холодной пластической деформации, т.е. наклепа (нагартовки). Эти сплавы легко обрабатываются давлением, хорошо свариваются и имеют высокую коррозионную стойкость. Имеют сравнительно невысокую прочность и твердость, хорошую пластичность. Их применяют для изготовления изделий, испытывающих небольшие нагрузки.
 


Термоупрочняемые сплавы. Сплавы: дуралюмины, авиаль, высокопрочные, ковочные и жаропрочные алюминиевые сплавы. Дуралюмины. Дуралюминами называют сплавы на основе Al и Cu, которые содержат также Mg и Mn, а в качестве примесей – Fe и Si. Наибольшее практическое применение имеют марки дуралюмина Д1 и Д16. Для упрочнения дуралюминов проводят закалку и старение. Закалка состоит в нагреве сплавов до температуры, при которой избыточные интерметаллидные фазы полностью или почти полностью растворяются в алюминии (выше линии сольвус) и в быстром охлаждении. После такой обработки фиксируется пересыщенный ?-твердый раствор. Пересыщенный ?-твердый раствор неустойчив и из него самопроизвольно начинает выделяться избыточная мелкодисперсная интерметаллическая фаза CuAl2, что придает дуралюмину повышенную твердость и прочность. Этот процесс называется старением. Удельная прочность дуралюмина после закалки и старения близка к удельной прочности легированной стали.
 


Сплавы авиаль. Алюминиевые сплавы, содержащие в качестве основных легирующих элементов магний (до 1,2 %) и кремний (до 1,2 %) называют авиалями (АВ, АД31, АД33 и др.). Они обладают большей пластичностью в холодном и горячем состоянии, чем дуралюмины, но меньшей прочностью. Кроме Mg и Si, которые образуют упрочняющую интерметаллическую фазу Mg2Si, в составе авиалей может содержатся марганец, хром и медь. Упрочнение сплавов достигается путем проведения закалки (515…525 °С и охлаждение в воде) и последующего искусственного старения (160…170 °С, выдержка 10…12 ч.). Авиаль отличается высокой пластичностью (что дает возможность ковать и штамповать детали сложной формы), значительной коррозионной стойкостью, удовлетворительной механической прочностью и свариваемостью, хорошей технологичностью. Наиболее широкое применение имеют сплавы в транспортном машиностроении, строительстве и др. отраслях для изготовления конструкций, несущих умеренные нагрузки, кованых деталей двигателей, рам, дверей и т.д.
 


Высокопрочные алюминиевые сплавы. Главными легирующими элементами высокопрочных алюминиевых сплавов являются магний, медь, марганец и цинк. Наибольшее распространение среди высокопрочных алюминиевых сплавов имеет сплав В95 (Al – основа, 1,4…2,0 % Сu; 1,8…2,8 % Mg; 0,2…0,6 % Mn; 5…7 % Zn, 0,1…0,25 % Cr). Механические свойства: в = 560…600 МПа, ?0,2 = 530…550 МПа, ? = 8 % (после закалки и старения). Упрочняющими фазами в этих сплавах являются соединения MgZn2, Al2Mg3Zn3, Al2CuMg. Чем выше содержание цинка и магния, тем выше прочность этих сплавов, но пластичность и коррозионная стойкость уменьшаются. Повысить коррозионную стойкость можно путем добавления в сплав марганца и хрома. С целью повышения прочности эти сплавы подвергают закалке (460…470 °С) и искусственному старению (135…145 °С в течение 16 ч). По сравнению с дуралюминами высокопрочные сплавы обладают большей чувствительностью к концентраторам напряжений, меньшим пределом выносливости и вязкостью разрушения. Сплавы обладают хорошей пластичностью в горячем состоянии и сравнительно легко деформируются в холодном состоянии после отжига. Их применяют в самолетостроении для наружных конструкций, работающих длительное время при температурах 100…120 °С, например, обшивка, шпангоуты, стрингеры и т.д.
 


Жаропрочные сплавы. Для получения необходимых жаропрочных свойств их легируют не только медью и магнием, но и железом, никелем и титаном. Упрочняющими фазами жаропрочных сплавов являются CuAl2, Al2CuMg, Al9FeNi и Al6CuNi. После закалки и старения при частичном распаде твердого раствора эти фазы выделяются в виде дисперсных частиц, которые значительно повышают жаропрочность сплавов. Жаропрочные алюминиевые сплавы используют для изготовления деталей, работающих при температурах до 300 °С (поршни двигателей внутреннего сгорания, детали турбореактивных двигателей и т.д.).
 


Сплавы для ковки и штамповки. Данные алюминиевые сплавы обладают высокой пластичностью и удовлетворительными литейными свойствами. К ним относятся сплавы АК6, АК8. Основными легирующими элементами являются медь, магний, марганец и кремний. Ковку и штамповку сплавов проводят при температуре ~ 450 °С. Для повышения прочности проводят термическую обработку, состоящую из закалки и искусственного старения. Упрочняющими фазами при старении являются Mg2Si, CuAl2, AlxMg5CuSi4. Эти сплавы хорошо обрабатываются резанием и удовлетворительно свариваются контактной и аргонодуговой сваркой. Литейные свойства улучшаются за счет добавки кремния. Однако эти сплавы склонны к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением. Используют их для изготовления крепежных деталей, лопастей винтов вертолета и т.д.
 


Литейные алюминиевые сплавы Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пор, хорошими механическими свойствами. Лучшими литейными свойствами обладают сплавы, в структуре которых имеется эвтектика. В качестве литейных сплавов применяют сплавы систем Al – Si, Al – Cu, Al – Mg. Маркируются эти сплавы буквами АЛ и далее стоит цифра, которая соответствует порядковому номеру из ГОСТа, например, АЛ2, АЛ4 и т.д. Силумины. Сплавы Al – Si называют силуминами. Их состав близок к эвтектическому, поэтому они обладают высокими литейными свойствами. Наибольшее распространение получил сплав АЛ2. Структура – эвтектика (? + ?), где ?-фаза – кристаллы Si. Si выделяется в виде крупных кристаллов игольчатой формы. Сплав с такой структурой обладает плохими механическими свойствами. Для измельчения структуры силумины подвергают модифицированию (вводят NaF и NaCl). После модифицирования структура состоит из мелкодисперсной эвтектики и мелкозернистых кристаллов кремния. Сплав АЛ2 не подвергают упрочняющей термической обработке. Сплавы АЛ4 и АЛ9 дополнительно легируют Mg и подвергают упрочнению термической обработкой (закалка + искусственное старение), при этом в 2 раза повышается предел прочности. Упрочняющей фазой служит Mg2Si. Силумины легко обрабатываются резанием, свариваются. Их используют для изготовления различных корпусов, блоков цилиндров двигателей и т.д.
 


Сплавы алюминий – медь. Отличаются от дуралюминов более высоким содержанием меди (сплавы АЛ7, АЛ19). Эти сплавы подвергаются упрочнению после закалки и искусственного старения. Они сохраняют высокие механические свойства при повышенных температурах и хорошо обрабатываются резанием. Литейные свойства сплавов невысокие, поэтому их используют для отливок небольших деталей простой формы. Сплавы алюминий – магний. Эти сплавы (АЛ8, АЛ27) также имеют низкие литейные свойства из-за отсутствия в структуре эвтектики. Однако они обладают хорошей коррозионной стойкостью, повышенными механическими свойствами и обрабатываются резанием. Из этих сплавов изготовляют детали для судостроения и авиации. Жаропрочные сплавы. Эти сплавы (АЛ1, АЛ21, АЛ33) используют для изготовления поршней, головок цилиндров и других деталей, работающих при температурах 250…350 °С. Жаропрочные свойства этих сплавов обеспечивают добавки Mn, Ti, Ni, Ge, Zr, которые образуют нерастворимые интерметаллидные фазы Al6Cu3, Al2Ge, Al2Zr, Al2CuMg, Al6Cu3Ni. Для повышения прочности сплавы подвергают закалке и искусственному старению.
 


Сплавы, получаемые методом порошковой металлургии. Две группы: САП – спеченные Al порошки, САС – спеченные Al сплавы. Спеченные алюминиевые порошки (САП). Используют алюминиевую пудру и мелкодисперсную Al2О3, которые перемешивают, засыпают в пресс-формы и прессуют, проводят спекание при 600 °С. Они имеют хорошую жаропрочность, прочность, высокую коррозионную стойкость, хорошую тепло- и электропроводность, высокое сопротивление истиранию. Свойства изделий из САП зависят от содержания Al2О3 и степени дисперсности алюминиевой пудры. САП применяют вместо нержавеющих сплавов для изготовления деталей в малонагруженных конструкциях, эксплуатируемых при температурах 300…500 °С (кратковременно до 1000 °С).
 


Спеченные алюминиевые сплавы (САС). Сплавы состоят из спеченного легированного алюминиевого порошка или гранул. В зависимости от легирующих компонентов САС подразделяются на три группы. Первая группа содержит Mn, Cr, Zr, Ti. В результате технологических нагревов под горячее прессование и экструзию (обработка давлением) они распадаются с выделением дисперсных интерметаллидных фаз, что приводит к повышению прочности. Вторая группа САС легирована Fe, Ni и Co. Большая скорость охлаждения частиц порошка обеспечивает образование гетерогенной структуры, т.е. дисперсные интерметаллидные фазы равномерно распределены в матрице. Третью группу САС составляют гранулированные сплавы, полученные их алюминиевых сплавов, содержащих Pb, Sn, Cd. Полуфабрикаты из САС получают, нагревая сначала порошки и гранулы в алюминиевой оболочке, а затем подвергая горячему прессованию и экструзии. Для сплавов первой и второй групп этот процесс проводится при температуре 400…500 °С, что обеспечивает создание и сохранение необходимой структуры и получение требуемых свойств. Применяют САС для деталей, работающих в паре со сталью при температуре 20..200 °С, которые требуют сочетания низкого коэффициента линейного расширения и малой теплопроводности, а также в приборостроении, когда путем литья и обработки давлением трудно получить соответствующий сплав.
 


Новые сверхлегкие сплавы Сплавы системы Аl – Li имеют высокую удельную прочность с высоким удельным модулем упругости, они резко снижают вес конструкций самолета. Каждый процент содержания лития в Аl – Li сплаве снижает его плотность на 3 % и повышает модуль упругости на 6 %. Плотность таких сплавов составляет 2,54…2,56 г/см3. Впервые сплавы системы Аl – Cu – Li были разработаны более 25 лет назад у нас в стране (сплав ВАД23) и за рубежом (сплав 2020) с низким содержанием лития (1,1 %), имевшие по сравнению с высокопрочными алюминиевыми сплавами более высокую удельную прочность и жесткость. В настоящее время разработаны новые сплавы этой системы. Сплав 1420 (содержит 0,1…2 % Li) – самый легкий алюминиевый сплав, его плотность 2,5 г/см3. Модуль упругости сплава – 76000 МПа в отличие от модуля упругости традиционных сплавов типа Д16, равного 72000 МПа. Применение сплава 1420 вместо сплава Д16 в конструкциях снижает массу от 13 % до 20 %. Сплав 1420 обладает удовлетворительной коррозионной стойкостью. Он сваривается всеми видами сварки. Прочность сварного соединения составляет 84 % от прочности основного материала. Повторная термическая обработка сплава после сварки дает 100 %-ную прочность. Сплав 1420 закаливают с 450 °С охлаждением в воде или на воздухе с последующим искусственным старением при 120 °С в течение 12 ч. Закалка с охлаждением на воздухе обеспечивает высокую коррозионную стойкость, закалка в воде – получение более высоких характеристик пластичности.
 


Переход к следующей теме
 

< <       > >