Алюминий и его сплавы

Алюминий - легкий металл с удельной плотностью 2,7 Мг/м3. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 657 °С. Al хорошо проводит тепло и электричество. Химически активен, но образующаяся плотная пленка Al2O3 предохраняет его от коррозии. Механические свойства отожженного Al технической чистоты (АДМ): σb = 80 МПа; σТ = 30 МПа; δ = 35 %. Технический алюминий (АД и АД1) не применяется как конструкционный материал из-за низкой прочности. Однако высокая пластичность, коррозионная стойкость и электропроводность позволяют использовать его для получения деталей глубокой штамповкой и тончайших фольг, в качестве проводникового материала, а также в быту для транспортировки и хранения продуктов питания. Чистый Al (АД0, АД1М, АД1Н, АД1П) имеет низкие механические свойства, плохую обрабатываемость резанием, неудовлетворительные литейные качества (большую усадку затвердевания - до 6 %). В связи с этим большое применение находят сплавы на основе алюминия, в которых добавление различных элементов позволяет при сохранении достоинств алюминия получить другие более высокие свойства. Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованном, катаном, кованом) и в литом. Границу между сплавами этих двух групп определяет предел насыщения твердого раствора при эвтектической температуре

Из него делают тонкий прокат, фольгу, любой профиль прессованием и другими видами обработки давления. Из него изготавливают разного типа провода, применяют в электроаппаратуре.
Как конструкционный материал алюминий чаще всего применяется в сплавах со следующими легирующими элементами: Cu, Zn, Mg, Ni, Fe, Mn, Ti, Si, Cr, которые формируют упрочняющие зоны и фазы.

Сплав алюминия с медью называется дуралюминием (дюраль); сплав с кремнием – силумин – только литейный сплав. Сплав с марганцем – АМц одновременно повышает коррозионную стойкость; Ni, Ti, Cr, Fe повышает жаропрочность сплавов, затормаживая процесс диффузии; литий и бериллий способствуют возрастанию модуля упругости.

Все алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые (получают
лист, трубы, профиль, паковки, штамповки) и литейные – для фасонного литья.
Сплавы алюминия нашли широкое применение прежде всего в авиации,
автомобилестроении, судостроении и др.отраслях народного хозяйства.

Неупрочняемые сплавы Al – Mn (АМц) и Al – Mg (АМг). Это коррозион-
ностойкие материалы, идущие на изготовление бензо -, маслобаков, корпусов
судов.

Упрочняемые сплавы Al -Mg – Si (АВ, АД31, АД33) идут для изготовления лопастей и деталей кабин вертолетов, барабанов колес гидросамолетов.

Дуралюмины Al – Cu – Mg (Д1, Д16, Д18, Д19, ВД17, В93, В95, В96 и др.).

Механические свойства после закалки и старения (отпуска) зависят от температуры закалки и старения, скорости охлаждения.

Жаропрочные алюминиевые сплавы системы Al – Cu – Mn (Д20, Д21) и Al – Cu – Mg – Fe – Ni (АК – 4 – 1) применяют для изготовления поршней, головок цилиндров, дисков, лопаток компрессоров и т.д., работающих при температурах до 300°С. Жаропрочность достигается за счет легирования Ni, Fe, Ti, (Д20, Д21, АК – 4 – 1).

Литейные алюминиевые сплавы применяются для изготовления литых заготовок. Это сплавы Al – Si (силумины), Al – Cu (дюрали), Al – Mg (Амг). К силуминам относятся сплавы Al – Si (AЛ – 2), Al – Si – Mg (АЛ – 4, АЛ – 9, АЛ – 34), которые упрочняются термообработкой. Силумины хорошо льются, обрабатываются резанием, свариваются, анодируются, пропитываются лаками.

Спеченный алюминиевый порошок (САП) получается прессованием (700 МПа) при температуре 500 – 600°С алюминиевой пудры. САП характеризуется высокой прочностью и жаропрочностью до 500°С.

Спеченные алюминиевые сплавы систем Al-Si-Ni (САС 1), Al-Si-Fe
(САС 2) иногда легированные Mn,Cr, Zn, Ti, V закаливаются, стареют, жаро-
прочны до 350°С.

Композиционные алюминиевые сплавы армируются борными волокнами (АД1, АД33, ВКА – 1, ВКА – 2), стальной проволокой (КАС-1, КАС-1А) прочны, гнутся, обладают большой ударной вязкостью, жаропрочностью, усталостью, прочностью.

11) Термическая обработка алюминиевых сплавов. Деформируемые алюминиевые сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой. Деформируемые сплавы подразделяют на упрочняемые и не упрочняемые ТО. Границей между этими сплавами является предел насыщения твердого раствора при комнатной температуре. К деформируемым, неупрочняемым термической обработкой сплавам относятся сплавы алюминия с Mn (АМц) и Al с Mg (АМг). Эти сплавы обладают высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Они не упрочняются ТО. Упрочнение таких сплавов достигается за счет образования твердых растворов Мп и Мg в Al. Поставляются в виде листового проката, а также прессованного материала. К деформируемым, упрочняемым ТО относятся сплавы нормальной прочности, высокопрочные и другие. Типичные представители сплавов - дуралюмины (маркируют буквой Д). Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности и относятся к сплавам системы Аl-Си-Мg, в которые дополнительно вводят Mn, повышающий коррозионную стойкость и улучшающий мех-ие св-ва. Перечисленные компоненты образуют ряд растворимых соединений, вызывающих старение, таких как СиАl₂, Mg₂Si, Al₂CuMg, Аl₁₂Мn₂Си и др. Структура дуралюмина в отожженном состоянии состоит из твердого раствора и вторичных включений указанных интерметаллических соединений. ТО этих сплавов заключается в закалке с 500 °С в воде с последующим естественным (в течение 5-7 дней) или искусственным старением, которым предшествует 2-3 часовой инкубационный период. В течение этого времени сплав сохраняет высокую пластичность. Так как коррозионная стойкость дуралюмина невысокая, то для защиты от коррозии его покрывают (плакируют) чистым Al. Дуралюмины находят широкое применение в авиастроении, автомобилестроении, вагоностроении, строительстве. Прочность таких сплавов может достигать 500-600 МПа при относительном удлинении 8-12 %.

12). Литейные алюминиевые сплавы. Влияние модифицирования на изменение свойств силуминов. Литейные Al сплавы - силумины. Под группой Al сплавов, наз-ых силуминами,

подразумевают сплавы с большим содержанием Si. Эти сплавы обладают высокой жидкотекучестъю, сравнительно небольшой усадкой, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости в сочетании с хорошими мех-ими св-ами (особенно после модифицирования). Причем оптимальными литейными свойствами обладают сплавы с минимальной температурой плавления и минимальным температурным интервалом кристаллизации, содержащие 12-13 % Si. Обычный силумин по структуре является заэвтектическим сплавом. Структура такого сплава состоит из игольчатой грубой эвтектики (α+Si) и первичных кристаллов кремния. Кремний при кристаллизации эвтектики выделяется в виде грубых хрупких кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов. Для повышения механических свойств силумины модифицируют натрием (0,05-0,08 %) путем присадки к расплаву смеси солей 67 % NaF и 33 %NaCl. В присутствии натрия происходит смещение линии диаграммы состояния и заэвтектический сплав (12-13 % Si) становится доэвтектическим, так как эвтектика теперь образуется при 14 %Si. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы пластичного α -раствора кремния в алюминии. Эвтектика приобретает более тонкое строение и состоит из мелких кристаллов кремния и α-твердого раствора. В процессе затвердевания кристаллы кремния обволакиваются пленкой силицида натрия (NaSi), которая затрудняет их рост. Силумины широко применяются во всех областях машиностроения. Их используют для изготовления картеров и блоков двигателей, корпусов компрессоров, деталей авиационных двигателей, корпусов приборов и др.

13). Порошковые алюминиевые сплавы. САП – спеченныйAl порошок. Он характеризуется высокой прочностью, жаропрочностью, кор. стойкостью, стабильностью св-в. Для получения САП порошинки Al пудры подвергаются помолу в результате их контакта происходит откол оксидной пленки, размеры отколовшихся частичек очень малы. После помола происходит брикетирование, прессование и спекание. В зависимости от содержания Al₂O₃ выпускают 4 вида САПов (САП 1,2,3,4). С повышением содержания Al₂O₃ (число, чем больше тем больше Al₂O₃) происходит повышение прочности, но растет хрупкость. САП является заменой нержавеющей стали при работе до 600°С. Порошковый сплав типа САС – спеченный Al сплав. САСы изготавливают практически по той же технологии, что и САПы. Т.е. из порошков полученных распылением сплавов заданных св-в. Эти сплавы заменяют более тяжелые стали. Преимущество САС перед сплавами такого же состава полученных традиционными методами в том, что отсутствуют литейные дефекты и им присуща мелкозернистая структура с равномерным распределением фаз.

14). Медь и латуни. Состав, структура, свойства. Медь - это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м³. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 1083 °С. Характерными

свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (ρ = 0,0178 Ом^.мм²/м), поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая Cu маркируется М00 (99,99 % Сu), М0 (99,95 % Сu), M1 (99,95 % Сu) и т.д. Мех-ие св-ва Cu относительно низки. Так, в литом состоянии σ_b = 150-200 МПа, δ = 15-25 %. Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение мех-их св-в достигается созданием разных сплавов на Cu основе. Различают две группы Cu сплавов: латуни и бронзы. Латунями наз-ют двойные или многокомпонентные сплавы на основе Cu, в которых основным легирующим элементом является Zn. Практическое применение имеют Cu сплавы с содержанием Zn до 45 %. Cu с Zn образует α-твердый раствор Zn в Cu с max растворимостью цинка 39 %, а также фазы β, γ, ε, которые являются тв. растворами на базе электронных соединений: β - CuZn, γ – Cu₅Zn; ε - CuZn₃. В зависимости от содержания Zn различают однофазные α - латуни и двухфазные α + β^/-латуни. Однофазные латуни (до 39 % Zn) находят применение для изготовления деталей деформированием в холодном состояния, так как они имеют хорошую пластичность. Из них изготовливаются ленты, радиаторные трубки, проволока, гильзы патронов. Двухфазные α + β^/-латуни, содержащие Zn от 39 до 45 %, используются для изготовления деталей деформированием при температуре выше 500 °С, так как эти латуни имеют низкую пластичность в холодном состоянии. Нагрев приводит к превращению β^/-фазы в β-фазу с неупорядоченным расположением атомов и более высокой пластичностью. Из двухфазных α + β^/-латуней изготавливают листы, прутки и другие заготовки, из которых последующей механической обработкой получают детали. Увеличение содержания цинка повышает прочность (до 45 % Zn ) ипластичность (до 37 %Zn), удешевляет латуни, улучшает их обрабатываемость резанием, способность прирабатываться и противостоять износу. Латуни маркируются буквой Л и последующим числом, показывающим содержание меди в процентах, например, в сплаве Л62 имеется 62 % Сu и 38 % Zп. При наличии других элементов после буквы Л ставятся буквы, являющиеся начальной буквой элементов (О - олово, А - алюминий, К - кремний, С - свинец, Н - никель, Мц - марганец, Ж - железо). Кол-во этих элементов обозначается цифрами. Присутствующие в латуни элементы повышают твердость и снижают пластичность латуней, особенно однофазных.

15). Медь и бронзы. Состав, структура, свойства. Медь - это металл с удельной плотностью 8,94 Мг/м³. Кристаллическая решетка ГЦК. Температура плавления 1083 °С. Характерными свойствами меди является ее высокая теплопроводность и электропроводность (ρ = 0,0178 Ом^.мм²/м), поэтому медь находит широкое применение в электротехнике. Технически чистая медь маркируется М00 (99,99 % Сu), М0 (99,95 % Сu), M1 (99,95 % Сu) и т.д. Механические свойства меди относительно низки. Так, в литом состоянии σ_b = 150-200 МПа, δ = 15-25 %. Поэтому применять медь в качестве конструкционного материала нецелесообразно. Повышение механических свойств достигается созданием разных сплавов на медной основе. Различают две группы Cu сплавов: латуни и бронзы. Бронзами наз-ют сплавы Cu с различными элементами, в числе которых, но только наряду с другими, может быть и Zn. Название бронзам дают по основным элементам. Так, их подразделяют на оловянные, свинцовые и др.. Бронзы маркируются буквами Бр, за которыми следуют буквы, а затем цифры, обозначающие название и содержание в процентах легирующих элементов. Оловянистые бронзы: при сплавлении меди с оловом образуются твердые растворы и электронные соединения аналогично тому, как это имело место в сплавах Cu-Zn. В твердом состояний в бронзах имеются фазы: α-твердый раствор олова в меди; β-твердый раствор на базе электронного соединения CuSn, δ-электронное соединение Сu₃₁Sn₈, γ-твердый раствор на базе химического соединения Си₃Sп (ε -соединение). Система Cu-Sn имеет ряд перетектических превращений и два эвтектойдных превращения. При 350 °С δ -фаза (Сu₃₁Sn₈) должна распадаться на α-твердый раствор и ε - фазу(Си₃Sп). В реальных условиях охлаждения бронза состоит из фаз α и δ. В практике применяют только сплавы с содержанием до 10-12 %Sn. Сплавы, более богатые оловом, очень хрупки. При большем содержаний олова в структуре бронз в равновес­ном состояния наряду с α-твердым раствором присутствует эвтектод α+Cu₃₁Sn₈. При этом с увеличением количества олова предел прочности возрастает. Но значительное количество хрупкого соединения Сu₃₁Sn₈ приводит к снижению прочности при большом содержания олова. Различают деформируемые и литейные бронзы. Свинцовые бронзы: Свинец не растворяется в меди, поэтому сплавы после кристаллизации состоят из кристаллов меди и включений свинца. Последние располагаются по границам зерен или заполняют междендритные пространства. Такая структура бронзы обеспечивает высокие антифрикционные свойства. Это предопределяет широкое применение свинцовистых бронз для изготовления вкладышей подшипников скольжения, работающих с большими скоростями и при повышенных давлениях.

16. Маркировка меди и сплавов на ее основе. Технически чистая медь маркируется М00 (99,99 % Сu), М0 (99,95 % Сu), M1 (99,95 % Сu) и т.д.

Сплавы на основе меди: латунь и бронза. Латунь – сплав меди с цинком. Маркировка: буква Л и последующим числом,показывающем содержание меди в %, (Л62-62%Сu и 38%Zn).При наличии других элементов после Л ставятся буквы,явл.началной буквой Эл-тов(О-олово,А-алюм,К-кремн,С-свин,Н-никель,Мц-марганец,Ж-железо)Кол-во этих Эл-тов обозначается цифрами.

Другая маркировка – как легированные стали, где кол-во легир. Эл-та приводится непосредственно после его буквен. Обознач. (ЛЦ23А6Ж3Мц2 – 23%Zn, 6% Al, 3% fe,2% Мn и остальное медь)

Бронза – сплав в котором цинк не является основным легирующим элементом. Маркировка: Бр. В литейных бронзах послеБр пишется легирующий элемент и после ставится цифра. Если составы литейных и деформируемых бронз перекрываются, то в конце литейной марки ставится буква Л.

17-18) Титан, его свойства и применение. Влияние легирующих элементов на структуру и свойства титана. Конструкционные сплавы титана, их термическая обработка, структура и свойства, область применения. Титан - серебристо-белый легкий металл с удельной плотностью 4,5 Мг/м³ и t плавления 1668 °С. При температуре 882 °С титан претерпевает полиморфное превращение Ti_α (ГПУ) →Тi_β (ОЦК). Чистый титан имеет σ_b = 270 МПа, δ = 55 %. Е = 112000 МПа. С уменьшением чистоты титана прочностные свойства повышаются, а пластичность падает. Ti является химически активным Ме, но на воздухе быстро покрывается защитной пленкой плотных окислов, благодаря чему имеет высокую стойкость в атмосфере, в воде, в органических и неорганических кислотах. Повышение прочностных характеристик Ti может быть достигнуто за счет Л его Al,Мо, V, Мn, Сг, Sn, Zr, Nb. Упрочнение титана при Л сопровождается снижением его пластичности. ЛЭ оказывают влияние на t полиморфного превращения. Такие элементы, как Al, O, N повышают t полиморфного превращения и расширяют область α, их называют α-стабилизаторами. Такие элементы, как Мо, V, Мп, Cr, Fe понижают t полиморфного превращения и расширяют область существования β-фазы; их наз-ют β -стабилизаторами. В соответствии со структурой различают: 1) α-сплавы со структурой твердого раствора легирующих элементов в α-титане; основной легирующий элемент в α-сплавах – алюминий; 2) α+β-сплавы, состоящие из α и β-твердых растворов; содержат кроме алюминия 2-4 % β-стабилизаторов, таких как Сг, Мо, Fe и других; 3) β-сплавы, имеющие структуру твердого раствора легирующих элементов в β-титане; эти сплавы содержат большое количество β-стабилизаторов. Современные промышленные α -сплавы сравнительно малопластичны, но охрупчиваются при ТО. β-сплавы наиболее пластичны, но наименее прочны, сплавы α+β более прочны, чем однофазные. Полиморфное β→α превращение может иметь 2 различных механизма. При высоких t, т.е. при небольшом переохлаждении относительно равновесной t β→α перехода, превращение происходят обычным диффузионным путем, а при значительном переохлаждении, и, следовательно, при низкой t, когда подвижность атомов мала, - по бездиффузионному мартенситному механизму. В первом случае образуется полиэдрическая структура α-твердого раствора, во втором - игольчатая (пластинчатая) мартенситная структура, обозначаемая как α^/. ЛЭ, снижающие t β→α превращения, способствуют получению М. Ti и α -сплавы Ti подвергают только рекристаллизационному отжигу, α+β-сплавы могут быть упрочнены закалкой с последующим старением. Важнейшими областями использования Ti сплавов являются: 1). авиация и ракетостроение, где из титановых сплавов изготавливаются корпуса двигателей, баллоны для газов и т.д.; 2). химическая промышленность (компрессоры, клапаны т.д.); 3). оборудование для обработки ядерного топлива; 3). морское и речное судостроение; 4). криогенная техника.