КАТЕГОРИИ: Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748) |
Алюминий и его сплавы
Цветные металлы и сплавы Лекция 18
Именно с цветных металлов началось применение металлов человеком. Вначале это были самородные металлы: медь, золото, серебро, затем олово и свинец. Характерные особенности цветных металлов: · окраска, · большая пластичность, · низкая твердость, · низкая температура плавления, · отсутствие полиморфных превращений. Общепринято подразделение цветных металлов на следующие группы: Благородные Легкие Легкоплавкие Тугоплавкие Pt, Ag, Au, [Cu] Be, Mg, Al, [Ti] Zn, Sn, Pb, Sb, Bi, Hg W, Mo, Ta, Nb, Zr Благородными, или драгоценными называют металлы, очень трудно поддающиеся окислению, при обычных условиях не вступающие в химические реакции. «Драгоценные» – относительное понятие: еще в XIX в. платина, месторождения которой имеются на Урале, вовсе не считалась драгоценным металлом, в отличие от золота: из нее делали ковши, обручи и другие хозяйственные изделия. Легкие металлы имеют малый удельный вес и, соответственно, высокую удельную прочность. Легкоплавкие металлы имеют низкие температуры плавления, применяются обычно для литых изделий. Самый легкоплавкий металл – ртуть (t пл = –39 °C, при комнатной температуре является жидкостью). Тугоплавкие металлы имеют температуры плавления выше, чем у железа. Самый тугоплавкий металл – вольфрам (t пл = 3410 °C). Надо заметить, что не все ученые-металловеды относят тугоплавкие металлы к цветным, некоторые считают их черными или выделяют в отдельную группу.
Алюминий относится к легким металлам: γ = 2,7 г/см3. t пл = 660 °C. Достоинствами алюминия являются малая плотность, высокая электропроводимость, большая удельная прочность. Например, сплав алюминия В96 имеет предел прочности σв = 700 МПа и удельную прочность σв/γ = 23 км. (Для стали эта характеристика не превышает 15 км.) По объему производства алюминий и его сплавы занимают второе место в мире после железа. Полезные свойства технического алюминия применяются в следующих областях: 1) высокая пластичность – для получения тонких фольг (упаковка, обкладки конденсаторов, декоративное применение); 2) высокая электропроводимость (65 % от проводимости меди) – в электротехнике (линии электропередач, жилы кабелей); 3) высокая коррозионная стойкость (пленка оксида Al2O3 толщиной 4) высокая отражательная способность – для изготовления прожекторов, рефлекторов, экранов ТВ; 5) высокая теплопроводность – для изготовления теплообменников в холодильниках. Примеры изделий: трубопроводы, палубные надстройки судов, провода, кабели, шины, рамы, стеллажи, стойки, офисная мебель, цистерны (молочные и др.).
Алюминий с большинством легирующих элементов образует химические соединения и ограниченные твердые растворы. Д – деформируемые сплавы, Л – литейные сплавы, Н – не упрочняемые термообработкой сплавы, У – упрочняемые термообработкой сплавы.
Рис. 99. Диаграмма состояния алюминий – легирующий элемент
1. Деформируемые сплавы алюминия, не упрочняемые термической обработкой. Это сплавы с магнием и марганцем. Марки обозначаются АМг и АМц. Применяются для изделий, получаемых глубокой вытяжкой и сваркой, т. е. штампосварных конструкций. Сварка производится неплавящимся вольфрамовым электродом в аргоне или электроконтактная. Пластичные, коррозионно-стойкие. Упрочняются за счет наклепа. Способны к структурному упрочнению (пресс-эффект: выделение мелких интерметаллидных частиц при обработке давлением). Примеры изделий: сварные емкости, трубопроводы бензина и масла, рамы, кузова, корпуса и мачты судов. 2. Деформируемые сплавы алюминия, упрочняемые термической обработкой. Это, прежде всего, самые распространенные алюминиевые сплавы – дуралюмины. Слово «дуралюмин» в переводе с французского означает «твердый алюминий». Обозначаются дуралюмины буквой «Д» и порядковым номером марки. Кроме того, в эту группу входят ковочные алюминиевые сплавы (обозначение АК), авиали (АВ), высокопрочные алюминиевые сплавы (В). Марки дуралюминов: Д1 – нормальный, Д16 – «супердуралюмин», Д18 – заклепочный. Все они содержат медь (около 4 %), магний и марганец. Медь – главный легирующий элемент, поэтому превращения в сплавах можно рассмотреть на примере диаграммы состояния Cu – Al (рис. 100). Рис. 100. Диаграмма состояния алюминий – медь
Фазы, равновесные при комнатной температуре: α-твердый раствор меди в алюминии, CuAl2 – химическое соединение, интерметаллид. Эвтектика состоит из этих двух фаз: Э = α + CuAl2. Линия ab – линия предельной растворимости меди в кристаллической решетке алюминия. Сплавы под этой кривой (от 0,2 до 5,7 % Cu) могут упрочняться термообработкой: закалкой и старением. Но механизм упрочнения здесь иной, чем у сталей, закаливаемых на мартенсит. В отожженном сплаве частицы CuAl2 довольно крупные; сплав мягок и пластичен (см. рис. 102, а). При нагреве под закалку (выше линии ab) частицы CuAl2 растворяются, атомы меди (и других легирующих элементов) образуют твердый раствор замещения в решетке алюминия. При быстром охлаждении, подавляющем диффузию (в холодной воде), твердый раствор сохраняется, но при комнатной температуре он становится пересыщенным (α¢), см. рис. 102, б. Его твердость и прочность невелики, всего на 25 % выше, чем у отожженного сплава, так как это – твердый раствор замещения. С течением времени при комнатной температуре происходит естественное старени е: в пересыщенном твердом растворе появляются участки, обогащенные медью. Вокруг них кристаллическая решетка искажается, что затрудняет перемещение дислокаций (рис. 102, в). Сплав становится прочнее. Естественное старение идет 5-7 суток. При нагреве такой процесс идет быстрее. Это – искусственное старение. Чем выше температура искусственного старения, тем быстрее идет распад твердого раствора. В участках, обогащенных медью, формируются частицы CuAl2. При повышении температуры и увеличении выдержки зернышки CuAl2 растут. Расстояние между ними увеличивается, и эффект упрочнения снижается, так как ~ , где R – расстояние между частицами. На самом деле процессы при старении дуралюмина развиваются в несколько этапов (табл. 4). Вначале образуются только обогащенные медью и магнием участки в твердом растворе. Их называют зонами Гинье-Престона (ГП) по именам ученых, открывших это явление. Они представляют собой диски диаметром 4-6 нм и толщиной несколько атомных слоев (зоны ГП-1). При естественном старении этим все и заканчивается. Но при повышенной температуре или длительной выдержке эти зоны растут, и размещение атомов в них становится упорядоченным (зоны ГП-2). Более высокие температуры приводят к образованию на месте этих зон тонких пластин промежуточной фазы θ¢ состава CuAl2, но с другим типом кристаллической решетки. Наконец, при 200-250 °C образуется стабильная θ-фаза CuAl2 (рис. 101). Таблица 4 Структура и свойства дуралюмина после старения
Такие же процессы идут и в других сплавах на основе алюминия. Разница только в составе и строении образующихся фаз. Итак, упрочняющая термообработка дуралюмина: закалка с 500-510 °C, естественное старение 5-7 суток или искусственное старение (для сплавов, работающих при повышенной температуре). а б в Рис. 102. Микроструктура дуралюмина: а – после отжига; б – после закалки; в – после старения В результате закалки и естественного старения дуралюмин Д16 приобретает прочность σв = 540 МПа, что превышает прочность некоторых сталей обыкновенного качества. Сплав авиаль (АВ) – менее прочный, чем дуралюмин, но более пластичный (содержит ≤0,5 % Cu и Si). Ковочные алюминиевые сплавы (АК) содержат те же компоненты, что и дуралюмин, и, кроме того, кремний. Детали получают ковкой или штамповкой при 450-475 °C, затем следует закалка и искусственное старение. Применяют для изготовления деталей сложной формы. Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) после термической обработки имеют σв = 600-700 МПа; предел текучести почти равен пределу прочности. Это сплавы системы Al – Zn – Mg – Cu, иногда с добавлением Cr или Zr. Для повышения коррозионной стойкости листы плакируют чистым алюминием с добавкой 1 % Zn. Все алюминиевые сплавы этой группы – авиационные. Из них делают лопасти винтов, шпангоуты, тяги управления, обшивку самолетов, стрингеры, лонжероны.
3. Литейные алюминиевые сплавы. Маркируются буквами АЛ. Цифра после букв означает номер марки. Содержат кремний, медь или магний. Силумины – сплавы алюминия с кремнием – имеют наилучшие литейные свойства. Для измельчения зерна их модифицируют натрием (смесью солей NaCl + NaF). Некоторые литейные сплавы можно упрочнять термической обработкой. Для разных видов литья разработаны различные сплавы (например, специально для литья под давлением). Применяют, в основном, для сложных тонкостенных отливок: деталей автомобильных двигателей (картеры и блоки цилиндров, корпуса компрессоров).
4. Жаропрочные алюминиевые сплавы. Работают до 300 °C (поршни, крыльчатки, детали компрессоров турбореактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Состав сложный: содержат железо, никель, титан, цирконий. Могут быть как деформируемыми, так и литейными. У некоторых сплавов температура рекристаллизации выше температур деформирования и закалки, т. е. полигонизованная структура сохраняется после формообразования и термообработки. Это дает структурное упрочнение на
Ежегодно в мире производится около 20 млн. т алюминия. В России алюминий выпускает Красноярский, Волгоградский, Иркутский и другие алюминиевые заводы. В декабре 2006 г. в Абакане (Хакасия) сдан в эксплуатацию алюминиевый завод мощностью 300 тыс. т в год, первое подобное предприятие за последние 20 лет.
Дата добавления: 2014-01-11; Просмотров: 2417; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы! Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет |