Обучение и техническая поддержка для проектировщика. Алюминий модуль упругости
Модуль упругости алюминия и алюминиевых сплавов
Модуль упругости = Модуль Юнга
На рисунке можно видеть, что на начальном этапе кривой напряжение-деформация увеличение деформации на единицу увеличения напряжения у алюминия и алюминиевых сплавов происходит намного быстрее, чем у стали – в три раза. Наклон этой части кривой определяет характеристику материала — модуль упругости (модуль Юнга). Поскольку единица измерения деформации – безразмерная величина, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью напряжения.
Модуль Юнга алюминия составляет примерно одну треть от модуля Юнга стали и для большинства алюминиевых сплавов находится между 65500 и 72400 МПа.См. Модуль упругости различных алюминиевых сплавов
Ясно, что если стальную балку заменить на идентичную по форме балку из алюминиевого сплава, то вес ее будет в три раза меньше, но и ее упругий прогиб под той же нагрузкой будет приблизительно в три раза больше. Можно отметить, что при этом алюминиевая балка тех же размеров, что и стальная балка поглощает в три раза больше энергии, но только до тех пор, пока напряжения в алюминиевом сплаве остаются ниже предела упругости.
Жесткость алюминиевых профилей
Стоит отметить, что жесткость конструкционного элемента определяется как произведение модуля упругости материала и момента инерции сечения элемента (E × I) и именно от жесткости зависит прогиб элемента под воздействием изгибающей нагрузки. Это дает алюминию шанс в соревновании со сталью: прессованные алюминиевые профили могут иметь намного более сложные поперечные сечения и тем самым компенсировать малость модуля упругости алюминия увеличением момента инерции их поперечных сечений. Кроме жесткости на изгиб необходимо учитывать и другие факторы, например, жесткость на кручение. В результате всего этого сложность поперечного сечения профиля возрастает и часто «съедает» часть ожидаемого выигрыша в весе, который обычно составляет около 50 % вместо возможных 33 %.
В таблицах представлены типичные прочностные характеристики популярных деформируемыхалюминиевых сплавов: предел прочности, предел текучести и удлинение при испытаниях на растяжение, а также усталостная прочность, твердость и модуль упругости – отдельно для сплавов, упрочняемых нагартовкой, и сплавов, упрочняемые термической обработкой. Как типичные свойства они годятся только для сравнительных целей, а не для инженерных расчетов. В большинстве случаев они являются средними значениями для различных размеров изделий, их форм и методов изготовления.
Источник: Aluminium and Aluminium Alloys. — ASM International, 1993.
uvakin.ru
Модуль упругости алюминия
Модуль упругости = Модуль Юнга
На рисунке можно видеть, что на начальном этапе кривой напряжение-деформация увеличение деформации на единицу увеличения напряжения у алюминия и алюминиевых сплавов происходит намного быстрее, чем у стали – в три раза. Наклон этой части кривой определяет характеристику материала — модуль упругости (модуль Юнга). Поскольку единица измерения деформации – безразмерная величина, то размерность модуля Юнга совпадает с размерностью напряжения.
Модуль Юнга алюминия составляет примерно одну треть от модуля Юнга стали и для большинства алюминиевых сплавов находится между 65500 и 72400 МПа.См. Модуль упругости различных алюминиевых сплавов
Ясно, что если стальную балку заменить на идентичную по форме балку из алюминиевого сплава, то вес ее будет в три раза меньше, но и ее упругий прогиб под той же нагрузкой будет приблизительно в три раза больше. Можно отметить, что при этом алюминиевая балка тех же размеров, что и стальная балка поглощает в три раза больше энергии, но только до тех пор, пока напряжения в алюминиевом сплаве остаются ниже предела упругости.
Жесткость алюминиевых профилей
Стоит отметить, что жесткость конструкционного элемента определяется как произведение модуля упругости материала и момента инерции сечения элемента (E × I) и именно от жесткости зависит прогиб элемента под воздействием изгибающей нагрузки. Это дает алюминию шанс в соревновании со сталью: прессованные алюминиевые профили могут иметь намного более сложные поперечные сечения и тем самым компенсировать малость модуля упругости алюминия увеличением момента инерции их поперечных сечений.
Кроме жесткости на изгиб необходимо учитывать и другие факторы, например, жесткость на кручение. В результате всего этого сложность поперечного сечения профиля возрастает и часто «съедает» часть ожидаемого выигрыша в весе, который обычно составляет около 50 % вместо возможных 33 %.
aluminium-guide.ru
МОДУЛЬ УПРУГОСТИ АЛЮМИНИЯ: Модуль Юнга
Модули упругости — величины, характеризующие упругие свойства материала. Гомогенные и изотропные материалы (твердые), обладающие линейными упругими свойствами, полностью описываются двумя модулями упругости, представляющими собой пару любых модулей. В отличие от двух предыдущих величин, модуль объёмной упругости невязкой жидкости отличен от нуля (для несжимаемой жидкости — бесконечен). Разнообразие способов, которыми могут быть изменены напряжения и деформации, включая различные направления действия силы, позволяют определить множество типов модулей упругости.
А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. В земной коре содержится 8,8% алюминия. В чистом виде алюминий впервые был получен датским физиком Х. Эрстедом в 1825 году, хотя и является самым распространенным металлом в природе. Оксид алюминия Al2O3, называемый также глиноземом, встречается в природе в кристаллическом виде, образуя минерал корунд.
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы, содержащие 32-60% глинозема Al2O3 . К важнейшим алюминиевым рудам относятся также алунит и нефелин. Алюминий получают из оксида алюминия Al2O3 электролитическим методом.
Основное исходное вещество для производства алюминия — оксид алюминия. Запасы криолита в природе незначительны, поэтому был создан синтетический криолит, что существенно удешевило производство алюминия. Гидролизу подвергают расплавленную смесь криолита Na3 и оксида алюминия.
↑Поиск на сайте TehTab.ru — Введите свой запрос в форму
По мере выделения металла, в расплав добавляют новые порции оксида алюминия. Сплав алюминия (основа) с медью (Cu: 2,2-5,2%), магнием (Mg: 0,2-2,7%) марганцем(Mn: 0,2-1%). Подвергается закалке и старению, часто плакируется алюминием. По широте применения сплавы алюминия занимают второе место после стали и чугуна.
Жесткость алюминиевых профилей
Константа К наз. м о д у л е м о б ъ ё м н о й у п р у г о с т и (иногда — модулем всестороннего сжатия). В случае малых деформаций упругого тела связь между компонентами напряжения s11, s22, …, s31 и компонентами относит. Величины M. у. и коэф. Пуассона для нек-рых материалов приведены в табл. 1. Для однородного изотропного тела, напр. мелкозернистого ме-таллич.
Следовательно, только две из них являются независимыми величинами и упругие свойства в случае изотропного тела определяются двумя упругими постоянными. Упругости теория — раздел механики (См. Механика), в котором изучаются перемещения, деформации и напряжения, возникающие в покоящихся или движущихся упругих телах под действием нагрузки.
Если напряжение измеряется в паскалях, то, поскольку деформация является безразмерной величиной, единицей измерения λ также будет паскаль. Алюминий — химический элемент III группы периодической системы Менделеева (атомный номер 13, атомная масса 26,98154). Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия.
Это третий по распространенности в природе элемент после кислорода и кремния и первый — среди металлов. Он входит в состав глин, полевых шпатов, слюд. Известно несколько сотен минералов Al (алюмосиликаты, бокситы, алуниты и другие). Его прозрачные кристаллы, окрашенные в красный или синий цвет, представляют собой драгоценные камни — рубин и сапфир. Корунд и его мелкозернистая разновидность, содержащая большое количество примесей — наждак, применяются как абразивные материалы.
Используемый для этого оксид алюминия должен быть достаточно чистым, поскольку из выплавленного алюминия примеси удаляются с большим трудом. Эликтролизер для выплавки алюминия представляет собой железный кожух, выложенный изнутри огнеупорным кирпичем.
При электролизе на катоде выделяется алюминий, а на аноде — кислород. Алюминий , обладающий большей плотностью , чем исходный расплав, собирается на дне эликтролизера, откуда его периодически выпускают. Первый алюминиевый завод в России был построен в 1932 году в Волхове.
Алюминий — одна из наиболее распространенных добавок в сплавах на основе меди, магния, титана, никеля, цинка, железа
Является конструкционным материалом дла авиационного и транспортного машиностроения. Алюминиевые сплавы применяются в ракетной технике, в авиа-, авто-, судо- и приборостроении, в производстве посуды, спорттоваров, мебели, рекламе и других отраслях промышленности.
Информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. 5 имеет место линейная зависимость между норм. напряжением в поперечном сечении s=F/S и относит. Gg. Константа материала G наз. м о д у л е м с д в и г а. В изотропном материале значения Е, G, v не зависят от направления, в к-ром вырезан из среды испытуемый образец.
11=s22=s33=- р, s12=s23=s31=0 и гидростатич, деформация e11=e22=e33=e, e12=e23=e31=0, причём 3e=q, где q — относит. М. у. зависят от темп-ры; на величину М. у. для данного материала влияют: термообработка, радиоактивное облучение, скорость деформации и др. внеш. факторы. Коэф. g11, g12, …, g66 наз. М. у. и имеют размерность напряжения, т. е. единицы силы, отнесённой к единице площади, поскольку eij — безразмерные величины.
Сплавы, повышающие прочность и другие свойства алюминия, получают введением в него легирующих добавок, таких, как медь, кремний, магний, цинк, марганец. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании.
Еще интересное:
labudnu.ru
Инженеру про алюминий
Наиболее привлекательным для инженеров физическим свойством алюминия является его плотность 2,7 г/см3, что составляет всего лишь треть от плотности сталей.
Коррозионная стойкость алюминия
Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл. Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.
Температурное расширение алюминия
Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10-6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей. Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.
Модуль упругости алюминия
Модуль упругости алюминия – 70000 МПа, только треть от модуля упругости сталей. Это влечет за собой существенные последствия для геометрии конструкции, так как прогибы балок, несущая способность колонн, т.е. их боковое выпучивание или местное выпучивание прямо зависят от модуля упругости.
Жесткость алюминиевых профилей
Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их жесткость. Если стальной профиль заменять на алюминиевый с сохранением его жесткости, то утолщать в три раза все стенки не совсем экономично, так как алюминий легче стали как раз в те же три раза. Однако облегчение конструкций за счет применения алюминия – это естественное стремление, как по физическим, так и по экономическим причинам.
При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 раза и получите поперечное сечение с моментом инерции почти в три раза больше. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % веса. При этом в некоторой степени компенсируется потеря жесткости в отношении бокового выпучивания. С учетом того, что часто стандартные стальные профили являются весьма не оптимальными, можно сэкономить и больше чем 50 % веса. Это хорошо видно из рисунка 1. Если нет ограничений по высоте, и боковое выпучивание не является конструкционным параметром, то можно сэкономить до 60 % веса. Если жесткость элемента не важна, а прочность стали близка к прочности алюминиевого сплава, то экономия может быть и до 70 %, но это уже окончательный предел возможной экономии веса.
Рисунок 1
Эти рассуждения приводят ко второму важному моменту. Если момент инерции профиля увеличивается в три раза при увеличении высоты профиля только в 1,4 раза, то момент сопротивления сечения увеличится соответственно в 3:1,4=2,1 раза. Поэтому напряжения в алюминиевой балке по сравнению со стальной будут в два с лишним раза меньше. Теперь понятно, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за высокопрочные алюминиевые сплавы, и почему менее легированные алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31) настолько популярны.
Нагрев алюминия
Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева. До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести. Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева. Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.
Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.
Сварка алюминиевых сплавов
Намного серьезней является потеря прочности алюминиевых сплавов при сварке. Здесь температура поднимается настолько высоко из-за локального плавления, что падение прочности вблизи сварного шва надо обязательно принимать во внимание. Термически не упрочняемые сплавы теряют всю свою прочность, полученную при нагартовке, и возвращаются к отожженному состоянию «О». Термически упрочняемые алюминиевые сплавы в состоянии Т6 теряют приблизительно 40 % их прочности (рисунок 2) за исключением сплава 7020, который теряет только 20 %. Все эти сплавы не доходят до состояния полного отжига, поскольку неизбежен определенный эффект закалки при охлаждении шва. Требования к прочностным характеристикам материала в зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.
Рисунок 2
Источник: R. Gitter Selection of structural alloys, Brussels 2008
aluminium-guide.ru
Алюминиевый сплав
Алюминиевый переплет окон в нашей стране появился только в 70 – х годах 20 столетия при строительстве института автоматики и телемеханики в Москве.
Алюминий (Al) – металл серебристо – белого цвета. Относится к группе легких цветных элементов. Если сравнивать со сталью, алюминий является мягким пластичным материалом.
Плотность его составляет p = 2700 кг/м3, модуль упругости Е = 71 000 Н/мм2, что почти в три раза меньше плотности и модуля упругости стали. Алюминий очень пластичен, удлинение при разрыве составляет 40 – 50%., но прочность его весьма низка. Предел прочности Gв чистого алюминия составляет 60 - 70 МПа.
Коэффициент теплопроводности составляет λ = 220 Вт/м град С, что почти в 4 раза превышает коэффициент теплопроводности стали.
Вследствие низкой прочности технически чистый алюминий используется в строительных конструкциях редко. Для повышения прочности в него вводят легирующие добавки – магний, марганец, медь, кремний, цинк и др. Легирование повышает прочность алюминия, но снижает его пластичность и коррозионную стойкость.
Алюминий AlMg 0.7Si 6063 Т6 (для профиля системы АлюТех) согласно ГОСТ 22233 – 2001. Модуль Юнга 69000 Н/мм2, удельная плотность алюминиевого сплава 6063 Т6, р=2710 кг/м3. Коэффициент Пуассона 0,33. Временное сопротивление при растяжении 215 МПа, предел текучести при растяжении 170 МПа.
Алюминий, профили прессованные из алюминиевого сплава (АГРИСОВГАЗ) – АД31 Т1 (6063 Т6) согласно ГОСТ 4784-97, ГОСТ 22233-2001. Модуль Юнга 69000 Н/мм2, удельная плотность алюминиевого сплава, р=2710 кг/м3. Коэффициент Пуассона 0,33. Временное сопротивление при растяжении 196 МПа, предел текучести при растяжении 147 МПа.
Алюминий, профили прессованные из алюминиевого сплава (ШУКО) AlMgSi 6060 Т6 согласно ГОСТ 22233 – 2001. Модуль Юнга 69000 Н/мм2, удельная плотность алюминиевого сплава 6063 Т6, р=2710 кг/м3. Коэффициент Пуассона 0,33. Возможны другие сплавы в зависимости от поставщика. Временное сопротивление при растяжении 170 МПа, предел текучести при растяжении 140 МПа.
Вырезка из статьи журнала «СтройПРОФИЛЬ» №3(81)2010, стр. 25, прогноз прочностных характеристик сплава АД31 Т1 (6063 Т6) показывает, что через 50 лет эксплуатации минимальная остаточная прочность подконструкций навесных фасадов составит 204 – 217 МПа, через 100 лет – 180 – 190 МПа.
Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два класса – деформируемые, т.е. обрабатываемые давлением (прокаткой, прессованием, штамповкой, гибкой) и литейные. В строительстве используют деформированные сплавы, из которых изготавливают листы, ленты, профили, трубы и другие полуфабрикаты.
prof-il.ru
плотность, модуль упругости и прочие характеристики. Как получают чистый алюминий
Этот распространённый металл был окончательно освоен человеком только в 19 веке. Несмотря на то, что его содержание в земной коре достигает 8,8%, чистый алюминий в виде небольших кристаллов встретить можно крайне редко. При этом в литре морской воды содержится около 0,01 мг алюминия. Расцвет алюминиевой промышленности пришелся на конец XIX века, когда интернациональный научный дуэт, состоящий из американца Ч. Холла и француза П. Эру, освоили электролиз – способ, которым и сегодня производится чистый алюминий.
Главные характеристики этого металла – относительно небольшая плотность, низкая электропроводность, лёгкость и очень высокая коррозийная стойкость. Последнему свойству данный металл обязан своей способностью создавать тонкую оксидную пленку при контакте с воздухом. Еще больше улучшить эксплуатационные свойства алюминия удается при добавлении различных присадок. Полученные таким образом сплавы демонстрируют большую жаропрочность, твердость и тугоплавкость.
Самым востребованным сплавом традиционно остается алюминий амг – сплав алюминия с магнием, позволяющий получать вещество средней прочности и пластичности, средней электро- и теплопроводности, отличной свариваемости и достаточной коррозионной стойкости.
Основные термодинамические и химические свойства алюминия, химический состав А0
Основные характеристики 13 элемента периодической таблицы элементов превращают его в отличный базовый материал для высокопрочных нержавеющих сталей. Среди наиболее значимых показателей, которыми обладает алюминий – плотность 2,6989 г/см3, температура плавления 660°C или 933,5 K, теплопроводность (300 K) 237 Вт/(м·К), электродный потенциал -1,66 В. Модуль упругости алюминия равен 7,1*1010 Н/м2, а электроотрицательность по шкале Полинга – 1,61.
Химический состав алюминия технической чистоты (марка А0) представлен следующими элементами:
- Al – около 99,0%
- Si – не более 0,5%
- Fe – не более 0,5%
- Ti – не более 0,03%
- Cu – не более 0,02%
- Zn – не более 0,08%
Как получают алюминий
Производство чистого алюминия начинается с добычи бокситов – специальных руд, содержащих в себе оксиды алюминия, магния, натрия и калия. Далее из руды необходимо получить глинозём – вещество, полученное путем измельчения бокситов и добавления извести и щелочи. Последующее за этим выщелачивание осуществляется в автоклавах при t=240°C. Полученный алюминатный раствор промывают, очищая его от шлама, после чего жидкость помещается в ёмкость, где температура вещества уменьшается до 60°C.
При таком охлаждении и одновременном помешивании алюминатного раствора в результате химической реакции образуется гидроокись алюминия Al(OH), которая выпадает в осадок. Затем эту гидроокись остается лишь обезвожить в специальных печах при t=1150-1300оС, результатом чего становится получение глинозёма 30-50% α-Al2O3, γ-Al2O3. Наконец, из этого вещества при помощи электролитического метода и получают чистый алюминий.
fx-commodities.ru
СВОЙСТВА АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ
АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ
Содержание
- классификация сплавов
- физические свойства
- коррозионные свойства
- механические свойства
- круглый и профильный алюминиевый прокат
- плоский алюминиевый прокат
- интересные интернет-ссылки
Классификация алюминиевых сплавов.
Алюминиевые сплавы условно делятся на литейные (для производства отливок) и деформируемые (для производства проката и поковок). Далее будут рассматриваться только деформируемые сплавы и прокат на их основе. Под алюминиевым прокатом подразумевают прокат из алюминиевых сплавов и технического алюминия (А8 – А5, АД0, АД1). Химический состав деформируемых сплавов общего применения приведен в ГОСТ 4784-97 и ГОСТ 1131.
Деформируемые сплавы разделяют по способу упрочнения: упрочняемые давлением (деформацией) и термоупрочняемые.
Другая классификация основана на ключевых свойствах: сплавы низкой, средней или высокой прочности, повышенной пластичности, жаропрочные, ковочные и т.д.
В таблице систематизированы наиболее распространенные деформируемые сплавы с краткой характеристикой основных свойств присущих для каждой системы. Маркировка дана по ГОСТ 4784-97 и международной классификации ИСО 209-1.
| Характеристика сплавов | Маркировка | Система легирования | Примечания | |
СПЛАВЫ УПРОЧНЯЕМЫЕ ДАВЛЕНИЕМ (ТЕРМОНЕУПРОЧНЯЕМЫЕ) | ||||
Сплавы низкой прочности и высокой пластичности,свариваемые, коррозионносойкие | АД0 | 1050А | Техн. алюминий без легирования | Также АД, А5, А6, А7 |
| АД1 | 1230 | |||
| АМц | 3003 | Al – Mn | Также ММ (3005) | |
| Д12 | 3004 | |||
Сплавы средней прочности и высокой пластичности,свариваемые, коррозионносойкие | АМг2 | 5251 | Al – Mg (Магналии) | Также АМг0.5, АМг1, АМг1.5АМг2.5 АМг4 и т.д. |
| АМг3 | 5754 | |||
| АМг5 | 5056 | |||
| АМг6 | - | |||
ТЕРМОУПРОЧНЯЕМЫЕ СПЛАВЫ | ||||
| Сплавы средней прочности и высокой пластичности свариваемые | АД31 | 6063 | Al-Mg-Si (Авиали) | Также АВ (6151) |
| АД33 | 6061 | |||
| АД35 | 6082 | |||
| Сплавы нормальной прочности | Д1 | 2017 | Al-Cu-Mg (Дюрали) | Также В65, Д19, ВАД1 |
| Д16 | 2024 | |||
| Д18 | 2117 | |||
| Свариваемые сплавы нормальной прочности | 1915 | 7005 | Al-Zn-Mg | |
| 1925 | - | |||
Высокопрочные сплавы | В95 | - | Al-Zn-Mg-Cu | Также В93 |
| Жаропрочные сплавы | АК4-1 | - | Al-Cu-Mg-Ni-Fe | Также АК4 |
| 1201 | 2219 | Al-Cu-Mn | Также Д20 | |
| Ковочные сплавы | АК6 | - | Al-Cu-Mg-Si | |
| АК8 | 2014 | |||
Состояния поставки Сплавы, упрочняемые давлением, упрочняются только холодной деформацией (холодная прокатка или волочение). Деформационное упрочнение приводит к увеличению прочности и твердости, но уменьшает пластичность. Восстановление пластичности достигается рекристаллизационным отжигом. Прокат из этой группы сплавов имеет следующие состояния поставки, указываемые в маркировке полуфабриката:
1) не имеет обозначения - после прессования или горячей прокатки без термообработки
2) М - отожженное
3) Н4 - четвертьнагартованное
4) Н2 - полунагартованное
5) Н3 - нагартованное на 3/4
6) Н - нагартованное
Полуфабрикаты из термоупрочняемых сплавов упрочняются путем специальной термообработки. Она заключается в закалке с определенной температуры и последующей выдержкой в течение некоторого времени при другой температуре (старение). Происходящее при этом изменение структуры сплава, увеличивает прочность, твердость без потери пластичности. Существует несколько вариантов термообработки. Наиболее распространены следующие состояния поставки термоупрочняемых сплавов, отражаемые в маркировке проката:
1) не имеет обозначения - после прессования или горячей прокатки без термообработки
2) М - отожженное
3) Т - закаленное и естественно состаренное (на максимальную прочность)
4) Т1 - закаленное и искусственно состаренное (на максимальную прочность)
Для некоторых сплавов производится термомеханическое упрочнение, когда нагартовка осуществляется после закалки. В этом случае в маркировке присутствует ТН или Т1Н. Другим режимам старения соответствуют состояния Т2, Т3, Т5. Обычно им соответствует меньшая прочность, но большая коррозионная стойкость или вязкость разрушения.
Приведенная маркировка состояний соответствует российским ГОСТам.
Физические свойства алюминиевых сплавов.
Плотность алюминиевых сплавов незначительно отличается от плотности чистого алюминия (2.7г/см3). Она изменяется от 2.65 г/см3 для сплава АМг6 до 2.85 г/см3 для сплава В95.
Легирование практически не влияет на величину модуля упругости и модуля сдвига. Например, модуль упругости упрочненного дуралюминия Д16Т практически равен модулю упругости чистого алюминия А5 (Е=7100 кгс/мм2). Однако, за счет того, что предел текучести сплавов в несколько раз превышает предел текучести чистого алюминия, алюминиевые сплавы уже могут использоваться в качестве конструкционного материала с разным уровнем нагрузок (в зависимости от марки сплава и его состояния).
За счет малой плотности удельные значения предела прочности, предела текучести и модуля упругости (соответствующие величины, поделенные на величину плотности) для прочных алюминиевых сплавов сопоставимы с соответствующими значениями удельных величин для стали и титановых сплавов. Это позволяет высокопрочным алюминиевым сплавам конкурировать со сталью и титаном, но только до температур не превышающих 200 С.
Большинство алюминиевых сплавов имеют худшую электро- и теплопроводность, коррозионную стойкость и свариваемость по сравнению с чистым алюминием.
Ниже в таблице приведены значения твердости, тепло- и электропроводности для нескольких сплавов в различных состояниях. Поскольку значения твердости коррелируют с величинами предела текучести и предела прочности, то эта таблица дает представление о порядке и этих величин.
Из таблицы видно, что сплавы с большей степенью легирования имеют заметно меньшую электро- и теплопроводность, эти величины также существенно зависят от состояния сплава (М, Н2, Т или Т1):
| марка | твердость, НВ | электропроводность в % по отношению к меди | теплопроводность в кал/оС | ||||||
| М | Н2 | Н,Т(Т1) | М | Н2 | Н, Т(Т1) | М | Н2 | Н, Т(Т1) | |
| А8 - АД0 | 25 | 35 | 60 | 0.52 | |||||
| АМц | 30 | 40 | 55 | 50 | 40 | 0.45 | 0.38 | ||
| АМг2 | 45 | 60 | 35 | 30 | 0.34 | 0.30 | |||
| АМг5 | 70 | 30 | 0.28 | ||||||
| АД31 | 80 | 55 | 55 | 0.45 | |||||
| Д16 | 45 | 105 | 45 | 30 | 0.42 | 0.28 | |||
| В95 | 150 | 30 | 0.28 | ||||||
Из таблицы видно, что только сплав АД31 сочетает высокую прочность и высокую электропроводность. Поэтому «мягкие» электротехнические шины производятся из АД0, а «твердые» - из АД31 (ГОСТ 15176-89). Электропроводность этих шин составляет (в мкОм*м):
0,029 – из АД0 (без термообработки, сразу после прессования)
0,031 – из АД31 (без термообработки, сразу после прессования)
0.035 – из АД31Т (после закалки и естественного старения)
Теплопроводность многих сплавов (АМг5, Д16Т, В95Т1) вдвое ниже, чем у чистого алюминия, но все равно она выше, чем у сталей.
Коррозионные свойства.
Наилучшие коррозионные свойства имеют сплавы АМц, АМг, АД31, а худшие – высоко-прочные сплавы Д16, В95, АК. Кроме того коррозионные свойства термоупрочняемых сплавов существенно зависят от режима закалки и старения. Например сплав Д16 обычно применяется в естественно-состаренном состоянии (Т). Однако свыше 80оС его коррозионные свойства значительно ухудшаются и для использования при больших температурах часто применяют искусственное старение, хотя ему соответствует меньшая прочность и пластичность (чем после естественного старения). Многие прочные термоупрочняемые сплавы подвержены коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.
Свариваемость.
Хорошо свариваются всеми видами сварки сплавы АМц и АМг. При сварке нагартованного проката в зоне сварочного шва происходит отжиг, поэтому прочность шва соответствует прочности основного материала в отожженном состоянии.
Из термоупрочняемых сплавов хорошо свариваются авиали, сплав 1915. Сплав 1915 относится к самозакаливающимся, поэтому сварной шов со временем приобретает прочность основного материала. Большинство других сплавов свариваются только точечной сваркой.
Механические свойства.
Прочность сплавов АМц и АМг возрастает (а пластичность уменьшается) с увеличением степени легирования. Высокая коррозионная стойкость и свариваемость определяет их применение в конструкциях малой нагруженности. Сплавы АМг5 и АМг6 могут использоваться в средненагруженных конструкциях. Эти сплавы упрочняются только холодной деформацией, поэтому свойства изделий из этих сплавов определяются состоянием полуфабриката, из которого они были изготовлены.
Термоупрочняемые сплавы позволяют производить упрочнение деталей после их изготовления если исходный полуфабрикат не подвергался термоупрочняющей обработке.
Наибольшую прочность после упрочняющей термообработки (закалка и старение) имеют сплавы Д16, В95, АК6, АК8, АК4-1 (из доступных в свободной продаже).
Самым распространенным сплавом является Д16. При комнатной температуре он уступает многим сплавам по статической прочности, но имеет наилучшие показатели конструкционной прочности (трещиностойкость). Обычно применяется в естественно состаренном состоянии (Т). Но свыше 80 С начинает ухудшаться его коррозионная стойкость. Для использования сплава при температурах 120-250 С изделия из него подвергают искусственному старению. Оно обеспечивает лучшую коррозионную стойкость и больший предел текучести по сравнению с естественно-состаренным состоянием.
С ростом температуры прочностные свойства сплавов меняются в разной степени, что определяет их разную применимость в зависимости от температурного диапазона.
Из этих сплавов до 120 С наибольшие пределы прочности и текучести имеет В95Т1. Выше этой температуры он уже уступает сплаву Д16Т. Однако, следует учитывать, что В95Т1 имеет значительно худшую конструкционную прочность, т.е. малую трещиностойкость, по сравнению с Д16. Кроме того В95 в состоянии Т1 подвержен коррозии под напряжением. Это ограничивает его применение в изделиях, работающих на растяжение. Улучшение коррозионных свойств и существенное улучшение трещиностойкости достигается в изделиях обработанных по режимам Т2 или Т3.
При температурах 150-250 С большую прочность имеют Д19, АК6, АК8. При больших температурах (250-300 С) целесообразно применение других сплавов - АК4-1, Д20, 1201. Сплавы Д20 и 1201 имеют самый широкий температурный диапазон применения (от криогенных -250 С до +300 С) в условиях высоких нагрузок.
Сплавы АК6 и АК8 пластичны при высоких температурах, что позволяет использовать их для изготовления поковок и штамповок. Сплав АК8 характеризуется большей анизотропией механических свойств, у него меньше трещиностойкость, но он сваривается лучше, чем АК6.
Перечисленные высокопрочные сплавыт плохо свариваются и имеют низкую коррозионную стойкость. К свариваемым термоупрочняемым сплавам с нормальной прочностью относится сплав 1915. Это самозакаливающийся сплав (допускает закалку со скоростью естественного охлаждения), что позволяет обеспечить высокую прочность сварного шва. Сплав 1925, не отличаясь от него по механическим свойствам, сваривается хуже. Сплавы 1915 и 1925 имеют большую прочность, чем АМг6 и не уступают ему по характеристикам сварного шва.
Хорошо свариваются, имеют высокую коррозионную стойкость сплавы средней прочности - авиали (АВ, АД35, АД31,АД33).
АЛЮМИНИЕВЫЙ ПРОКАТ.
Из алюминия и его сплавов производятся все виды проката – фольга, листы, ленты, плиты, прутки, трубы, проволока. Следует иметь в виду, что для многих термоупрочняемых сплавов имеет место "пресс-эффект" - механические свойства прессованных изделий выше, чем у горячекатаных (т.е. круги имеют лучшие показатели прочности, чем листы).
Прутки, профили, трубы
Прутки из термоупрочняемых сплавов поставляются в состоянии "без термообработки" или в упрочненном состоянии (закалка с последующим естественным или искусственным старением). Прутки из термически неупрочняемых сплавов производятся прессованием и поставляются в состоянии "без термообработки".
Общее представление о механических свойствах алюминиевых сплавов дает гистограмма, на которой представлены гарантированные показатели для прессованных прутков при нормальных температурах:
Из всего приведенного многообразия в свободной продаже всегда имеются прутки из Д16, причем круги диаметром до 100 мм включительно обычно поставляются в естественно состаренном состоянии (Д16Т). Фактические значения (по сертификатам качества) для них составляют: предел текучести ?0.2 = (37-45), предел прочности при разрыве ?в = (52-56), относительное удлинение ?=(11-17%). Обрабатываемость прутков из Д16Т очень хорошая, у прутков Д16 (без термообработки) обрабатываемость заметно хуже. Их твердость соответственно 105 НВ и 50 НВ. Как уже отмечалось, деталь, изготовленная из Д16 может быть упрочнена закалкой и естественным старением. Максимальная прочность после закалки достигается на 4-е сутки.
Поскольку дуралюминиевый сплав Д16 не отличается хорошими коррозионными свойствами, желательна дополнительная защита изделий из него анодированием или нанесением лако-красочных покрытий. При эксплуатации при температурах выше 80-100 С проявляется склонность к межкристаллитной коррозии.
Необходимость дополнительной защиты от коррозии относится и к другим высокопрочным сплавам (Д1, В95, АК).
Прутки из АМц и АМг обладают высокой коррозионной стойкостью, допускают возможность дополнительного формообразования горячей ковкой (в интервале 510-380оС).
Разнообразные профили широко представлены из сплава АД31 с различными вариантами термообработки. Применяются для конструкций невысокой и средней прочности, а также для изделий декоративного назначения.
Прутки, трубы и профили из АД31 имеют высокую общую коррозионную стойкость, не склонны к коррозии под напряжением. Сплав хорошо сваривается точечной, роликовой и аргонно-дуговой сваркой. Коррозионная стойкость сварного шва такая же, как у основного материала. Для повышения прочности сварного шва необходима специальная термообработка.
Уголки производятся в основном из АД31, Д16 и АМг2.
Трубы производятся из большинства сплавов, представленных на рисунке. Они поставляются в состояниях без термообработки (прессованные), закаленные и состаренные, а также отожженные и нагартованные. Параметры их механических свойств примерно соответствуют, приведенным на гистограмме. При выборе материала труб кроме прочностных характеристик учитывается его коррозионная стойкость и свариваемость. Наиболее доступны трубы из АД31.
Наличие кругов, труб и уголков - см. на странице сайта "Алюминиевые круги, трубы и уголки"
Плоский алюминиевый прокат.
Листы общего назаначения производятся по ГОСТ 21631-76, ленты - по ГОСТ 13726-97, плиты по ГОСТ 17232-99.
Листы из сплавов с пониженной или низкой коррозионной устойчивостью (АМг6, 1105, Д1, Д16, ВД1, В95) плакируются. Химический состав плакирующего сплава обычно соответствует марке АД1, а толщина слоя составляет 2 – 4% от номинальной толщины листа.
Плакирующий слой обеспечивает электрохимическую защиту основного металла от коррозии. Это означает, что коррозионная защита металла обеспечивается даже при наличии механических повреждений защитного слоя (царапины).
Маркировка листов включает в себя: обозначение марки сплава + состояние поставки + вид плакировки (если она присутствует). Примеры маркировки:
А5 - лист марки А5 без плакировки и термообработки
А5Н2 - лист марки А5 без плакировки, полунагартованный
АМг5М - лист марки Амг5 без плакировки, отожженный
Д16АТ - лист марки Д16 с нормальной плакировкой, закаленный и естественно состаренный.
На гистограмме приведены основные характеристики механических свойств листов в различных состояниях поставки для наиболее используемых марок. Состояние "без термообработки" не показано. В большинстве случаев величины предела текучести и предела прочности такого проката близки к соответствующим значениям для отожженного состояния, а пластичность ниже. Плиты выпускаются в состоянии "без термообработки".
Из рисунка видно, что выпускаемый ассортимент листов дает широкие возможности для выбора материала по прочности, пределу текучести и пластичности с учетом коррозионной стойкости и свариваемости.Для ответственных конструкций из прочных сплавов обязательно учитывается трещиностойкость и характеристики сопротивления усталости.
Листы из технического алюминия (АД0, АД1, А5-А7).
Нагартованные и полунагартованные листы используются для изготовления ненагружен-ных конструкций, резервуаров (в т. ч. для криогенных температур), требующих обеспечения высокой коррозионной стойкости и допускающих применение сварки. Они используются также для изготовления вентиляционных коробов, теплоотражающих экранов (отражательная способность алюминиевых листов достигает 80%), изоляции теплотрасс.
Листы в мягком состоянии используются для уплотнения неразъемных соединений. Высокая пластичность отожженных листов позволяет производить изделия глубокой вытяжкой.
Технический алюминий отличается высокой коррозионной устойчивостью во многих средах (см. страницу "Свойства алюминия"). Однако, за счет разного содержания примесей в перечисленных марках, их антикоррозионные свойства в некоторых средах всё-таки различаются.
Алюминий сваривается всеми методами. Технический алюминий и его сварные соединения обладают высокой коррозионной стойкостью к межкристаллитной, расслаивающей коррозии и не склонны к коррозионному растрескиванию.
Кроме листов, изготавливаемых по ГОСТ21631-76, в свободной продаже имеются листы, произведенные по Евростандарту, с маркировкой 1050А. По химическому составу они соответствуют марке АД0. Фактические параметры (по сертификатам качества) механических свойств составляют (для листов 1050АН24): предел текучести ?0.2 = (10.5-14), предел прочности при разрыве ?в=(11.5-14.5), относительное удлинение ?=(5-10%), что соответствует полунагартованному состоянию (ближе к нагартованному). Листы с маркировкой 1050АН0 или 1050АН111 соответствуют отожженному состоянию.
Листы (и ленты) из сплава 1105.
Из-за пониженной коррозионной стойкости изготавливается плакированным. Широко применяется для изоляции теплотрасс, для изготовления малонагруженных деталей, не требующих высоких коррозионных свойств.
Листы из сплава АМц.
Листы из сплава АМц хорошо деформируются в холодном и горячем состояниях. Из-за невысокой прочности (низкого предела текучести) используются для изготовления только малонагруженных конструкций. Высокая пластичность отожженных листов позволяет производить из них малонагруженные изделия глубокой вытяжкой.
По коррозионной стойкости АМц практически не уступает техническому алюминию. Хорошо свариваются аргонно-дуговой, газовой и контактной сваркой. Коррозионная стойкость сварного шва такая же, как у основного металла.
Листы из сплавов АМг.
Чем больше содержание магния в сплавах этой группы, тем они прочнее , но менее пластичны.
Механические свойства.
Наиболее распостранены листы из сплавов АМг2 (состояния М, Н2, Н) и АМг3 (состояния М и Н2), в том числе рифленые. Сплавы АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 хорошо деформируются и в горячем и в холодном состоянии. Листы обладают удовлетворительной штампуемостью. Нагартовка заметно снижает штампуемость листов. Листы этих марок применяются для конструкций средней нагруженности.
Листы из АМг6 и АМг6 в упрочненном состоянии не поставляются. Применяются для конструкций повышенной нагруженности.
Коррозионная стойкость. Сплавы АМг отличаются высокой коррозионной стойкостью в растворах кислот и щелочей. Сплавы АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 имеют высокую коррозионную стойкость к основным видам коррозии как в отожженном так и в нагартованном состонии.
Сплавы АМг5, АМг6 склонны к коррозии под напряжением и межкристаллитной коррозии. Для защиты от коррозии листы и плиты из этих сплавов плакируются, а заклепки из АМг5п ставят только анодированными.
Свариваемость.Все сплавы АМг хорошо свариваются аргоннодуговой сваркой, но характеристики сварного шва зависят от содержания магния. С ростом его содержания уменьшается коэффициент трещинообразования, возрастает пористость сварных соединений.
Сварка нагартованных листов устраняет нагартовку в зоне термичес-кого влияния сварного соединения, механические свойства в этой зоне соответствуют свойствам в отожженном состоянии. Поэтому сварные соединения нагартованных листов АМг имеют меньшую прочность по сравнению с основным материалом.
Сварные соединения АМг1, АМг2, АМг3 обладают высокой стойкостью против коррозии. Для обеспечения коррозионной стойкости сварного шва АМг5 и АМг6 требуется специальная термообработка.
Листы и плиты из Д1, Д16, В95.
Высокопрочные сплавы Д1, Д16, В95 имеют низкую устойчивость к коррозии. Поскольку листы из них используются в конструкционных целях, то для коррозинной защиты они плакируются слоем технического алюминия. Следует помнить, что технологические нагревы плакированных листов из сплавов, содержащих медь (например Д1, Д16), не должны даже кратковременно превышать 500 С.
Наиболее распространены листы из дуралюминия Д16. Фактические значения механических параметров для листов из Д16АТ (по сертификатам качества) составляют: предел текучести ?0.2 = (28-32), предел прочности при разрыве ?в= (42-45), относительное удлинение ?=(26-23%).
Сплавы этой группы свариваются точечной сваркой, но не свариваются плавлением. Поэтому основной способ их соединения - заклепки. Для заклепок используется проволока из Д18Т и В65Т1. Сопротивление срезу для них соответственно 200 и 260 МПа.
Из толстолистового проката доступны плиты из Д16 и В95. Плиты поставляются в состоянии "без термообработки", но возможно термоупрочнение уже готовых деталей после их изготовления. Прокаливаемость Д16 допускает термоупрочнение деталей сечением до 100-120 мм. Для В95 этот показатель составляет 50-70 мм.
Листы и плиты из В95 имеют большую (по сравнению с Д16) прочность при работе на сжатие.
Наличие листов и плит - см. на странице сайта "Алюминиевые листы"
********************
Выше кратко рассмотрены свойства алюминиевых сплавов общего назначения. Для специальных целей применяются или другие сплавы, или более чистые варианты сплавов Д16 и В95. Чтобы представить многообразие специальных сплавов, применяемых в авиа-ракетной технике, стоит зайти на сайт http://www.viam.ru.
Подход к выбору материалов для корабля «Буран» интересно отражен на сайте http://www.buran.ru/htm/inside.htm
Очень интересные материалы об истории создания и применении алюминиевых сплавов в масштабных проектах СССР содержатся в воспоминаниях академика Фридляндера:
http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/2004/ALLOYS.HTM http://www.arcan7.ru/library/articles/230.html http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/VRAN/02_01/FRID.HTM http://scilib.narod.ru/Avia/Fridlyander/contents.htm
На главную
normis.com.ua
