stringtranslate.com

Сплавы алюминия и меди

Алюминиево-медные сплавы ( AlCu ) — это алюминиевые сплавы , которые состоят в основном из алюминия (Al) и небольшого количества меди (Cu) в качестве основных легирующих элементов . Важные марки содержат также добавки магния и кремния ( AlCu(Mg,Si) ), часто для повышения прочности включают и марганец (см. Алюминий-марганцевые сплавы ). Основная область применения – авиастроение. Сплавы имеют среднюю и высокую прочность и могут подвергаться старению . Оба они изготовлены из кованого сплава  [ де ] . Также доступен в виде литого сплава. Недостатками являются их подверженность коррозии и плохая свариваемость.

Дюралюминий является старейшей разновидностью этой группы и восходит к Альфреду Вильму , который открыл его в 1903 году. Алюминий мог использоваться в качестве широко распространенного строительного материала только благодаря алюминиево-медным сплавам, поскольку чистый алюминий слишком мягок для этого и других материалов. закаливаемые сплавы, такие как сплавы алюминия, магния и кремния (AlMgSi) или естественно твердые (незакаливаемые) сплавы.

Сплавы алюминия и меди были стандартизированы в серии 2000 года Международной системой обозначения сплавов (IADS), которая была первоначально создана в 1970 году Алюминиевой ассоциацией . Серия 2000-х включает сплавы 2014 и 2024 годов , используемые при изготовлении планера.

История

Поврежденная огнем дюралюминиевая поперечина дирижабля Цеппелин « Гинденбург » (DLZ129), спасенного с места крушения на военно-морской авиабазе Лейкхерст , штат Нью-Джерси , 6 мая 1937 года.

Дюралюминий — торговое название одного из первых типов алюминиевых сплавов , упрочняемых старением . Этот термин представляет собой комбинацию слов Дюренера и алюминия . Его использование в качестве торгового названия устарело. Дюралюминий был разработан немецким металлургом Альфредом Вильмом в компании Dürener Metallwerke AG . В 1903 году Вильм обнаружил, что после закалки алюминиевый сплав , содержащий 4% меди, затвердевает, если его оставить при комнатной температуре на несколько дней. Дальнейшие усовершенствования привели к появлению дюралюминия в 1909 году. [1] Это название в основном используется в популярной науке для описания всех систем сплавов Al-Cu.

Сплавы алюминия и меди были стандартизированы в серии 2000 года Международной системой обозначения сплавов (IADS), которая была первоначально создана в 1970 году Алюминиевой ассоциацией . Серия 2000-х включает сплавы 2014 и 2024 годов , используемые при изготовлении планера.

Деформируемые сплавы из чистого AlCu

Участок фазовой диаграммы, актуальный для технически используемых сплавов

Все сплавы AlCu созданы на основе системы чистых сплавов AlCu. [2]

Растворимость меди и фаз

Алюминий образует эвтектику с медью при 547 °C и 33 массовых процентах меди, что также соответствует максимальной растворимости. При более низких температурах растворимость резко падает; при комнатной температуре оно составляет всего 0,1%.

При более высоких содержаниях меди образуется интерметаллическая фаза Al 2 Cu . Он присутствует в тетрагональной структуре, которая настолько отличается от кубической кристаллической системы алюминия, что -фаза существует только как некогерентная фаза  [de] . Существуют также частично когерентные - и -фазы. [2]

Микроструктурные преобразования

Полная фазовая диаграмма

После отливки материал обычно перенасыщен — смешанный кристалл, который к тому же содержит больше меди при комнатной температуре, чем реально могло бы раствориться при этой температуре.

Отдельные температурные диапазоны перекрываются: даже при низких температурах происходит образование фаз - или , но они образуются гораздо медленнее, чем зоны GP(I/II). Каждая из фаз образуется тем быстрее, чем выше температура. [3] [4]

Зоны ГП(И)

Образование зон GP(I) называется естественным упрочнением и происходит при температуре до 80 °С. Это крошечные дискообразные слои толщиной всего в один атом и диаметром от 2 до 5 нанометров. Со временем количество зон увеличивается и в них увеличивается концентрация меди, но не их диаметр. Они когерентны с решеткой алюминия и формируются на плоскостях {100}. [5] [6]

зоны ГП(II)

Зоны GP(II) ( -фазы) в значительной степени ответственны за повышение прочности сплавов AlCu. [5] Они связаны с кристаллом алюминия и состоят из чередующихся слоев алюминия и меди с толщиной слоя около 10 нанометров и размерами до 150 нанометров. В отличие от зон ГП(I) это трехмерные выпадения. Их слои параллельны плоскости {100} алюминия. Из -фазы образуются -фазы, но есть и перекрытия.

Зонам GP(II) для роста необходимы вакансии , поэтому их недостаток (например, из-за магния) приводит к задержке роста. [5] [7]

Частично когерентные фазы

-фаза лишь частично когерентна с решеткой алюминия и образуется при температуре от 150 до 300 °С. Он имеет форму тромбоцитов и может возникать из зон ГП(II). Однако он может возникнуть и непосредственно в виде осаждения из смешанного кристалла. В первом случае возрастающая межфазная энергия снижается за счет дислокаций , во втором случае выделения образуются преимущественно на дислокациях. [8] [9]

Некогерентные фазы

-фаза некогерентна с решеткой смешанного кристалла. Образуется при температуре 300 °С и более. Обычно она образует более крупные частицы с большим расстоянием между ними, чем другие фазы, и поэтому не приводит к какому-либо увеличению прочности или даже к ее падению, если ее образование происходит за счет других фаз. -фаза также возникает при температурах от 150°C до 250°C в виде осаждения на границах зерен , поскольку это снижает межфазную энергию .

-фаза приводит к частичному межзеренному разрушению; однако поведение разрушения в целом остается пластичным. Изменение характера разрушения вызвано появлением свободных от выделений зон на границах зерен.

-фаза имеет большую разность потенциалов по сравнению со смешанным кристаллом, поэтому может возникнуть послойная и межкристаллитная коррозия . При более длительном отжиге внутренняя часть зерен также разделяет -фазы, и разность потенциалов снижается. [10]

Марки, легирующие элементы и содержание

Как и почти все алюминиевые сплавы, различают деформируемые сплавы  [de] для прокатки и ковки и литые сплавы  [de] для литья .

Содержание меди обычно составляет от 3 до 6%. При содержании от 0,3% до 6% они считаются несвариваемыми или очень трудносвариваемыми ( сваркой плавлением ), при более высоком содержании меди они пригодны для сварки. Большинство типов также содержат добавки магния , марганца и кремния для повышения прочности. Свинец и висмут образуют мелкие включения, которые плавятся при низких температурах, что приводит к лучшему образованию стружки , аналогично автоматной стали . Жаростойкость повышается за счет добавления никеля и железа . [11]

Железо, содержащееся в качестве примеси в конструкционных сплавах, предотвращает деформационное упрочнение . Добавление магния снова делает это возможным. Большие количества магния до 1,5% увеличивают прочность и удлинение при разрыве (см. Алюминиево-магниевый сплав ). Марганец также используется для повышения прочности (см. AlMn). Однако большие количества имеют отрицательные побочные эффекты, поэтому содержание ограничивается примерно 1% Mn. Меньшие добавки кремния добавляются для связывания железа, так как оно предпочитает образовывать фазу AlFeSi, а образование Al 7 Cu 2 Fe приведет к удалению большего количества меди из материала, что тогда уже не приводит к образованию фаз, которые действительно желаемые (особенно Al 2 Cu, алюминид меди [12] ) присутствуют. Большие количества кремния легируются с образованием магния Mg 2 Si ( силицида магния ), который, как и сплав алюминия, магния и кремния , улучшает прочность и прокаливаемость. [13]

Литий добавляется в некоторые сплавы в количестве от 1,5% до 2,5%. Благодаря очень низкой плотности лития (0,53 г/см³ по сравнению с 2,7 г/см³ алюминия) это приводит к более легким компонентам, что особенно выгодно в авиации. Подробнее см. в разделе «Алюминий-литиевый сплав» .

Литые сплавы

Литые сплавы содержат около 4% меди и небольшое количество других добавок, улучшающих литейные качества, в том числе титана и магния. Исходным материалом является первичный алюминий; В отличие от других литейных алюминиевых сплавов, вторичный алюминий (полученный из лома) не используется, поскольку он снижает удлинение при разрыве и ударную вязкость. Литые сплавы AlCu склонны к горячему растрескиванию и используются в состояниях закалки Т4 и Т6. [14]

В следующей таблице показан состав некоторых марок согласно DIN EN 1706. Все данные указаны в процентах по массе, остальное — алюминий. [15]

Деформируемые сплавы

Деформируемые сплавы AlCuMg(Si,Mn)

Сплавы AlCuMg представляют собой наиболее важную группу сплавов AlCu. В них может образовываться множество других фаз: [16] [17]

Добавки магния ускоряют холодное затвердевание. Какие именно фазы образуются, зависит прежде всего от соотношения меди и магния. Если соотношение меньше 1/1, кластеры, содержащие Cu и Mg, удаляются. При соотношении выше 1,5/1, что характерно для большинства конструкционных сплавов, образуется преимущественно фаза. Эти сплавы имеют значительно более высокую твердость и прочность.

Механические свойства

Условия:

2000 серия

Серия 2000 раньше называлась дюралюминием .

Приложения

Коррозия дюралюминия

Алюминиево-медные сплавы применяются в основном в авиастроении  [de] , где их низкая коррозионная стойкость играет второстепенную роль. Коррозионная стойкость может быть значительно повышена за счет металлургического соединения поверхностного слоя алюминия высокой чистоты, называемого альклад -дюралюминием. Материалы Alclad и по сей день широко используются в авиационной промышленности. [31] [32] Сплавы обрабатываются прокаткой, ковкой, экструзией и частично литьем. [33] Типичные области применения деформируемых сплавов Al-Cu включают: [34]

Авиация

Образец дюраля с дирижабля USS Akron (ZRS-4) 1931 года выпуска.

Немецкая научная литература открыто публиковала информацию о дюралюминии, его составе и термической обработке до начала Первой мировой войны в 1914 году. Несмотря на это, сплав использовался за пределами Германии только после окончания боевых действий в 1918 году. Сообщения об использовании немцами во время мировой войны Первая война, даже в технических журналах, таких как Flight , все еще могла ошибочно идентифицировать ее ключевой легирующий компонент как магний, а не медь. [37] Инженеры в Великобритании не проявляли особого интереса к дюралюминию до окончания войны. [38]

Первый серийный самолет, в котором широко использовался дюралюминий , бронированный полутораплан Юнкерс JI времен Первой мировой войны.

Самая ранняя известная попытка использовать дюралюминий для конструкции самолета тяжелее воздуха произошла в 1916 году, когда Хьюго Юнкерс впервые представил его использование в планере Юнкерса J 3 , одномоторного моноплана «демонстратора технологий», ознаменовавшего первое использование дюралюминия. дюралюминиевой гофрированной обшивки торговой марки Юнкерс. Компания Юнкерс завершила только крытые крылья и трубчатый каркас фюзеляжа J 3, прежде чем отказалась от его разработки . Чуть более поздний бронированный полутораплан Junkers JI 1917 года, получивший исключительное обозначение IdFlieg , известный на заводе как Junkers J 4, имел цельнометаллические крылья и горизонтальный стабилизатор, изготовленные так же, как крылья J 3, как и экспериментальный самолет. и годный к полетам полностью дюралюминиевый одноместный истребитель Junkers J 7 , который привел к созданию истребителя-моноплана с низкорасположенным крылом Junkers DI , представившего в 1918 году в немецкой военной авиации технологию полностью дюралюминиевых авиационных конструкций .

Его первое использование в аэростатических планерах произошло в жестких каркасах дирижаблей , в конечном итоге включая все модели эпохи «Великих дирижаблей» 1920-х и 1930-х годов: британский R-100, немецкие пассажирские цеппелины LZ 127 Graf Zeppelin , LZ 129 Hindenburg , LZ 130 Graf Zeppelin II , а также дирижабли ВМС США USS Los Angeles (ZR-3, ex-LZ 126) , USS Akron (ZRS-4) и USS Macon (ZRS-5) . [39] [40]

Серия 2000 когда-то была наиболее распространенными сплавами в аэрокосмической отрасли, но поскольку они были подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением , в новых конструкциях их все чаще заменяют серией 7000 .

Велосипед

Дюралюминий использовался для производства компонентов и рам велосипедов с 1930-х по 1990-е годы. Несколько компаний в Сент-Этьене, Франция, отличились своим ранним новаторским внедрением дюралюминия: в 1932 году Verot et Perrin разработали первые шатуны из легкого сплава; в 1934 году Хаубтманн выпустил полную систему шатунов; с 1935 года дюралюминиевые обгонные колеса, переключатели , педали, тормоза и рули производились несколькими компаниями.

Вскоре последовали полные наборы рам, в том числе произведенные: Mercier (а также Aviac и другими лицензиатами) с их популярным семейством моделей Meca Dural, братьями Пелисье и их достойными гонок моделями La Perle, а также Николя Барра и его изысканными моделями середины двадцатого века». Барралум». Здесь также упоминаются другие имена: Пьер Каминад с его прекрасными творениями Caminargent и их экзотическими восьмиугольными трубками, а также Gnome et Rhône с ее глубоким наследием в качестве производителя авиационных двигателей, который после мировой войны также диверсифицировал производство мотоциклов, веломоторов и велосипедов. Два.

Компания Mitsubishi Heavy Industries , которой было запрещено производить самолеты во время американской оккупации Японии, в 1946 году изготовила «крестовый» велосипед из излишков военного времени дюралюминия. «Кросс» был спроектирован Киро Хондзё , бывшим авиаконструктором, ответственным за Mitsubishi G4M. . [41]

Использование дюралюминия в производстве велосипедов прекратилось в 1970-х и 1980-х годах. Тем не менее , Vitus (велосипедная компания) в 1979 году выпустила почтенную раму «979», модель «Duralinox», которая мгновенно стала классикой среди велосипедистов. Vitus 979 был первым серийным алюминиевым рамным комплектом, в котором тонкостенные трубки 5083/5086 были скользящими, а затем склеены с помощью сухой термоактивируемой эпоксидной смолы. В результате получился чрезвычайно легкий, но очень прочный каркас. Производство Vitus 979 продолжалось до 1992 года. [42]

Рекомендации

  1. ^ Дж. Дуайт. Алюминиевый дизайн и строительство . Рутледж, 1999.
  2. ^ ab Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 119.
  3. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 119 ф.
  4. ^ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Группа 1: Физическая металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк/Базель, 2003 г., S. 140 f.
  5. ^ abc Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 120.
  6. ^ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Группа 1: Физическая металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк/Базель, 2003 г., стр. 141.
  7. ^ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Группа 1: Физическая металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк/Базель, 2003, С. 141–143.
  8. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 120 ф.
  9. ^ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Группа 1: Физическая металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк/Базель, 2003 г., стр. 143.
  10. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 121.
  11. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 117 ф.
  12. ^ Aluminium-Taschenbuch - Band 1. 16. Auflage, Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 2002, S. 439.
  13. ^ Aluminium-Taschenbuch – Band 1. 16. Auflage, Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 2002, S. 140 f.
  14. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, с. 185.
  15. ^ abc Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Auflage, Springer, 2014, Аньханг.
  16. ^ Джордж Э. Тоттен, Д. Скотт Маккензи: Справочник по алюминию - Группа 1: Физическая металлургия и процессы. Марсель Деккер, Нью-Йорк/Базель, 2003, С. 146–149.
  17. ^ Aluminium-Taschenbuch – Band 1. 16. Auflage, Aluminium-Verlag, Дюссельдорф, 2002, S. 114 f.
  18. ^ «Все об алюминии 2024 года (свойства, прочность и использование)» . Архивировано из оригинала 19 февраля 2023 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  19. ^ «Алюминиевый сплав Alclad 2029-T8» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2017 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  20. ^ «Профили из алюминиевого сплава 2055-T84» (PDF) . Поковки и экструзии Arconic. Архивировано (PDF) из оригинала 26 октября 2017 года . Проверено 25 октября 2017 г.
  21. ^ abcdefg Грушко, Овсянников и Овчинноков, 2016 (Глава 1. Краткая история создания алюминиево-литиевых сплавов)
  22. ^ Влияние элементов Mg и Zn на механические свойства и выделения в сплаве 2099 года. Архивировано 6 апреля 2017 года в Wayback Machine.
  23. ^ Хойслер, Инес; Шварце, Кристиан; Билал, Мухаммед; Рамирес, Даниэла; Хетаба, Валид; Камачали, Реза; Скроцкий, Биргит (2017). «Выделение фаз Т1 и θ' в Al-4Cu-1Li-0,25Mn во время старения: микроструктурное исследование и моделирование фазового поля». Материалы . 10 (2): 117. дои : 10.3390/ma10020117 . ПМЦ 5459132 . ПМИД  28772481. 
  24. ^ Алюминиевые наконечники и алюминиевые кабельные наконечники [ постоянная мертвая ссылка ]
  25. Сверхлегкий внешний бак. Архивировано 23 ноября 2013 года в Wayback Machine , НАСА, получено 12 декабря 2013 года.
  26. ^ "Сокол 9". SpaceX. 2013. Архивировано из оригинала 10 февраля 2007 года . Проверено 6 декабря 2013 г.
  27. ^ Бьелде, Брайан; Макс Возофф; Гвинн Шотвелл (август 2007 г.). «Ракета-носитель Falcon 1: демонстрационные полеты, статус, манифест и путь модернизации». 21-я ежегодная конференция AIAA/USU по малым спутникам (SSC07 ‐ III ‐ 6). Архивировано из оригинала 15 декабря 2013 года . Проверено 6 декабря 2013 г.
  28. ^ «Алюминиевая кованая заготовка 2218 для головки блока цилиндров двигателя самолета» . Архивировано из оригинала 25 марта 2023 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  29. ^ «Плита из сплава 2324-T39» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2017 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  30. ^ «Алюминиевый сплав 2524-Т3» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 22 декабря 2017 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  31. ^ Дж. Снодграсс и Дж. Моран. Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов. В книге «Коррозия: основы, испытания и защита» , том 13а Справочника ASM. АСМ, 2003.
  32. ^ Паркер, Дана Т. Строительство Победы: производство самолетов в районе Лос-Анджелеса во время Второй мировой войны, с. 39, 87, 118, Сайпресс, Калифорния, 2013. ISBN 978-0-9897906-0-4
  33. ^ Фридрих Остерманн: Anwendungstechnologie Aluminium. 3. Ауфлаж, Спрингер, 2014, С. 118.
  34. ^ Справочник ASM. Том 2, В разделе «Свойства и выбор: Цветные сплавы и материалы специального назначения» . АСМ, 2002.
  35. ^ "Итальянский самолет: Macchi C.200" . Рейс : 563. 27 июня 1940 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2019 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  36. ^ Саки, Джо (2008). Библия Ламборгини Миура. Издательство Велос. п. 54. ИСБН 9781845841966. Архивировано из оригинала 25 марта 2023 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  37. ^ "Цеппелин или Шютте-Ланц?". Рейс : 758. 7 сентября 1916 г. Архивировано из оригинала 28 сентября 2019 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  38. Терстон, AP (22 мая 1919 г.). «Металлоконструкция самолетов». Рейс : 680–684. Архивировано из оригинала 28 сентября 2019 года . Проверено 19 февраля 2023 г.
  39. ^ Бертон, Уолтер Э. (октябрь 1929 г.). «Цеппелин взрослеет». Научно-популярный ежемесячник : 26.
  40. ^ "Великие дирижабли. Век полета" . Архивировано из оригинала 26 апреля 2018 г. Проверено 19 февраля 2023 г.
  41. Исуруги, Тацухито (3 сентября 2013 г.). «"Кадзэ татину" тодзё дзинбуцу тори нинген контесуто. Хондзоу Киро но сэнго" [Форма персонажа «И поднимается ветер» и Японское ралли птицелюдей: Послевоенное время Киро Хондзё]. news.yahoo.co.jp (на японском языке). Yahoo! Япония. Архивировано из оригинала 20 января 2021 года . Проверено 2 ноября 2020 г.
  42. Аншуц, Эрик (31 октября 2020 г.). «История и использование дюралюминия в велосипедостроении». Эбыкр . Аншуц Медиа. Архивировано из оригинала 30 ноября 2020 года . Проверено 1 ноября 2020 г. Дюралюминий использовался для производства компонентов и рам велосипедов с 1930-х по 1990-е годы.

Цитируемые работы

дальнейшее чтение