Алюминиевый сплав ( UK / IUPAC ) или алюминиевый сплав ( NA ; см . различия в написании ) — это сплав , в котором преобладающим металлом является алюминий (Al). Типичными легирующими элементами являются медь , магний , марганец , кремний , олово , никель и цинк . Существует две основные классификации, а именно литейные сплавы и деформируемые сплавы, которые подразделяются на категории термообрабатываемые и нетермообрабатываемые. Около 85% алюминия используется для производства деформируемых изделий, например, листового проката, фольги и экструзии . Из литых алюминиевых сплавов получаются экономически выгодные изделия из-за низкой температуры плавления, хотя они обычно имеют более низкую прочность на разрыв , чем деформируемые сплавы. Наиболее важной системой литья алюминиевых сплавов является Al-Si , в которой высокое содержание кремния (4–13%) способствует получению хороших литейных характеристик. Алюминиевые сплавы широко используются в инженерных конструкциях и компонентах, где требуется легкий вес или устойчивость к коррозии. [1]
Сплавы, состоящие в основном из алюминия, сыграли очень важную роль в аэрокосмической промышленности с момента появления самолетов с металлической обшивкой. Сплавы алюминия и магния легче других алюминиевых сплавов и гораздо менее горючи, чем другие сплавы, содержащие очень высокий процент магния. [2]
На поверхностях из алюминиевых сплавов образуется белый защитный слой оксида алюминия , если их не защитить анодированием и/или правильными процедурами окраски. Во влажной среде гальваническая коррозия может возникнуть, когда алюминиевый сплав находится в электрическом контакте с другими металлами с более положительным потенциалом коррозии, чем у алюминия, и при наличии электролита, обеспечивающего ионный обмен. Этот процесс, также называемый коррозией разнородных металлов, может проявляться в виде отслаивания или межкристаллитной коррозии. Алюминиевые сплавы могут подвергаться неправильной термической обработке, что приводит к расслоению внутренних элементов, что приводит к коррозии металла изнутри. [ нужна цитата ]
Составы алюминиевых сплавов зарегистрированы Алюминиевой ассоциацией . Многие организации публикуют более конкретные стандарты для производства алюминиевых сплавов, в том числе Международная организация по стандартизации SAE , в частности ее подгруппы по аэрокосмическим стандартам [3] и ASTM International .
Алюминиевые сплавы с широким спектром свойств используются в инженерных конструкциях. Системы сплавов классифицируются по системе номеров ( ANSI ) или по названиям, указывающим их основные легирующие компоненты ( DIN и ISO ). Выбор подходящего сплава для конкретного применения предполагает рассмотрение его прочности на разрыв , плотности , пластичности , формуемости, обрабатываемости, свариваемости и коррозионной стойкости, и это лишь некоторые из них. Краткий исторический обзор сплавов и технологий производства дан в работе. [4] Алюминиевые сплавы широко используются в самолетах из-за их высокого соотношения прочности к весу . Чистый металлический алюминий слишком мягок для такого использования и не обладает той высокой прочностью на разрыв, которая необходима для строительства самолетов и вертолетов .
Алюминиевые сплавы обычно имеют модуль упругости около 70 ГПа , что составляет около одной трети модуля упругости стальных сплавов . Поэтому при заданной нагрузке деталь или узел из алюминиевого сплава будет испытывать большую деформацию в упругом режиме, чем стальная деталь того же размера и формы. В случае совершенно новых металлических изделий выбор конструкции часто определяется выбором технологии производства. В этом отношении экструзия особенно важна из-за легкости, с которой алюминиевые сплавы, особенно серии Al-Mg-Si, можно экструдировать для формирования сложных профилей.
В целом, из алюминиевого сплава можно получить более жесткие и легкие конструкции, чем из стали. Например, рассмотрим изгиб тонкостенной трубы: второй момент площади обратно пропорционален напряжению в стенке трубы, т.е. напряжения ниже для больших значений. Второй момент площади пропорционален кубу радиуса, умноженному на толщину стены, поэтому увеличение радиуса (и веса) на 26% приведет к уменьшению напряжения в стене вдвое. По этой причине в велосипедных рамах, изготовленных из алюминиевых сплавов, используются трубы большего диаметра, чем из стали или титана, чтобы обеспечить желаемую жесткость и прочность. В автомобилестроении в автомобилях из алюминиевых сплавов для обеспечения жесткости используются пространственные рамы из экструдированных профилей. Это представляет собой радикальное изменение по сравнению с общепринятым подходом к нынешнему проектированию стальных автомобилей, жесткость которого зависит от каркаса кузова, известному как цельная конструкция.
Алюминиевые сплавы широко используются в автомобильных двигателях, особенно в блоках и картерах двигателей , из-за возможной экономии веса. Поскольку алюминиевые сплавы подвержены короблению при повышенных температурах, система охлаждения таких двигателей имеет решающее значение. Технологии производства и достижения металлургии также сыграли важную роль в успешном применении в автомобильных двигателях. В 1960-х годах алюминиевые головки цилиндров Chevrolet Corvair заслужили репутацию из-за поломок и сорванной резьбы , чего не наблюдается в нынешних алюминиевых головках цилиндров.
Важным структурным ограничением алюминиевых сплавов является их более низкая усталостная прочность по сравнению со сталью. В контролируемых лабораторных условиях стали имеют предел выносливости , который представляет собой амплитуду напряжения, ниже которой не происходит разрушения — металл не продолжает ослабевать при длительных циклах напряжений. Алюминиевые сплавы не имеют этого нижнего предела выносливости и будут продолжать ослабевать при продолжительных циклах напряжений. Поэтому алюминиевые сплавы редко используются в деталях, требующих высокой усталостной прочности в многоцикловом режиме (более 10 7 циклов напряжений).
Часто необходимо также учитывать чувствительность металла к теплу. Даже относительно рутинная производственная процедура, связанная с нагревом, осложняется тем фактом, что алюминий, в отличие от стали, плавится, не загоревшись сначала красным. Операции формовки, в которых используется паяльная лампа, могут обратить вспять или устранить последствия термообработки. Никакие визуальные признаки не указывают на внутренние повреждения материала. Подобно сварке термообработанной высокопрочной звеньевой цепи, вся прочность теперь теряется из-за нагрева горелки. Цепь опасна, и ее следует выбросить. [ нужна цитата ]
Алюминий подвержен внутренним напряжениям и деформациям. Иногда спустя годы неправильно сваренные алюминиевые велосипедные рамы могут постепенно выйти из строя из-за напряжений, возникающих в процессе сварки. Таким образом, в аэрокосмической промышленности вообще избегают нагревания, соединяя детали заклепками из аналогичного состава металла, другими крепежными деталями или клеями.
Напряжения в перегретом алюминии можно снять путем термообработки деталей в печи и постепенного охлаждения — по сути, отжига напряжений. Тем не менее, эти детали все равно могут деформироваться, так что, например, термообработка сварных велосипедных рам может привести к смещению значительной части. Если несоосность не слишком велика, охлаждаемые детали могут быть погнуты и выровнены. Если рама спроектирована с учетом жесткости (см. выше), то изгиб потребует огромной силы. [ нужна цитата ]
Непереносимость алюминия к высоким температурам не исключает его использования в ракетной технике; даже для использования при построении камер сгорания, где температура газов может достигать 3500 К. В двигателе разгонного блока RM-81 Agena использовалась алюминиевая конструкция с регенеративным охлаждением для некоторых частей сопла, включая термически критическую область горла; Фактически, чрезвычайно высокая теплопроводность алюминия не позволяла горловине достичь точки плавления даже при сильном тепловом потоке, в результате чего получился надежный и легкий компонент.
Из-за своей высокой проводимости и относительно низкой цены по сравнению с медью в 1960-х годах алюминий в то время использовался в бытовой электропроводке в Северной Америке, хотя многие светильники не были предназначены для установки алюминиевых проводов. Но новое использование принесло некоторые проблемы:
Все это привело к перегреву и ослаблению соединений, что, в свою очередь, привело к возгораниям. Затем строители стали опасаться использования проволоки, и многие юрисдикции запретили ее использование в очень маленьких размерах в новом строительстве. Тем не менее, в конечном итоге были представлены новые светильники с соединениями, предназначенными для предотвращения ослабления и перегрева. Сначала они имели маркировку «Al/Cu», но теперь имеют кодировку «CO/ALR».
Другой способ предотвратить проблему с нагревом — обжать короткую « косичку » медного провода. Правильно выполненное обжатие под высоким давлением с помощью соответствующего инструмента достаточно плотное, чтобы уменьшить любое тепловое расширение алюминия. Сегодня для изготовления алюминиевой проводки в сочетании с алюминиевыми наконечниками используются новые сплавы, конструкции и методы.
Деформируемые и литые алюминиевые сплавы используют разные системы идентификации. Кованый алюминий обозначается четырехзначным номером, обозначающим легирующие элементы.
Литые алюминиевые сплавы используют четырех-пятизначное число с десятичной точкой. Цифра в разряде сотен указывает на легирующие элементы, а цифра после запятой указывает на форму (литая форма или слиток).
Обозначение закалки следует за номером обозначения литого или кованого изделия с тире, буквой и, возможно, числом от одной до трех цифр, например 6061-T6. Определения характера: [5] [6]
-F : в состоянии изготовления.
-H : деформационно-упрочненное (нагартованное) с термической обработкой или без нее.
-O : Полностью мягкий (отожженный).
-T : Термическая обработка для получения стабильного состояния.
-W : Только термическая обработка раствора.
Примечание: -W — относительно мягкое промежуточное обозначение, которое применяется после термообработки и до завершения старения. Состояние -W может продлеваться при чрезвычайно низких температурах, но не бесконечно, и в зависимости от материала обычно длится не более 15 минут при температуре окружающей среды.
Международная система обозначения сплавов является наиболее широко распространенной схемой наименования деформируемых сплавов. Каждому сплаву присвоен четырехзначный номер, где первая цифра обозначает основные легирующие элементы, вторая, если она отличается от 0, указывает на разновидность сплава, а третья и четвертая цифры идентифицируют конкретный сплав в серии. Например, в сплаве 3105 цифра 3 указывает на то, что сплав относится к марганцевой серии, 1 указывает на первую модификацию сплава 3005 и, наконец, цифра 05 указывает на его принадлежность к серии 3000. [7]
Серия 1000 представляет собой по существу чистый алюминий с содержанием алюминия не менее 99% по весу и может подвергаться закалке .
# Не является названием Международной системы обозначения сплавов.
Серия 2000 легирована медью, может подвергаться дисперсионной закалке до прочности, сравнимой со сталью. Ранее называвшиеся дюралюминием , они когда-то были наиболее распространенными сплавами в аэрокосмической отрасли, но были подвержены коррозионному растрескиванию под напряжением , и в новых конструкциях их все чаще заменяют серией 7000.
Серия 3000 легирована марганцем и может подвергаться закалке .
Серия 4000 легирована кремнием. Разновидности алюминиево-кремниевых сплавов, предназначенные для литья (и поэтому не входящие в серию 4000), также известны как силумины .
Серия 5000 легирована магнием и обеспечивает превосходную коррозионную стойкость, что делает их пригодными для морского применения. Сплав 5083 имеет самую высокую прочность среди нетермообработанных сплавов. Большинство сплавов серии 5000 также содержат марганец .
Серия 6000 легирована магнием и кремнием. Они легко поддаются механической обработке, свариваются и подвергаются дисперсионной закалке, но не до такой высокой прочности, которой могут достичь марки 2000 и 7000. Сплав 6061 — один из наиболее часто используемых алюминиевых сплавов общего назначения.
Серия 7000 легирована цинком и может подвергаться дисперсионной закалке до самой высокой прочности среди всех алюминиевых сплавов. Большинство сплавов серии 7000 также содержат магний и медь.
Серия 8000 легирована другими элементами, не входящими в другие серии. Примером могут служить сплавы алюминия и лития . [45]
Алюминиевая ассоциация (АА) приняла номенклатуру, аналогичную номенклатуре деформируемых сплавов. Британский стандарт и DIN имеют разные обозначения. В системе АА вторые две цифры обозначают минимальное процентное содержание алюминия, например, 150.x соответствует минимуму 99,50% алюминия. Цифра после запятой принимает значение 0 или 1, обозначая отливку и слиток соответственно. [1] Основными легирующими элементами в системе АА являются: [51]
Титановые сплавы , которые прочнее, но тяжелее, чем сплавы Al-Sc, по-прежнему используются гораздо шире. [55]
Основное применение металлического скандия по весу - это алюминиево-скандиевые сплавы для второстепенных компонентов аэрокосмической промышленности. Эти сплавы содержат от 0,1% до 0,5% (по массе) скандия. Они использовались на российских военных самолетах МиГ-21 и МиГ-29 . [54]
Некоторые предметы спортивного инвентаря, изготовленные из высокоэффективных материалов, изготовлены из скандиево-алюминиевых сплавов, в том числе бейсбольные биты , [56] клюшки для лакросса , а также велосипедные [57] рамы и компоненты, а также стойки для палаток.
Американский производитель оружия Smith & Wesson производит револьверы с рамкой из скандиевого сплава и цилиндрами из титана. [58]
Благодаря легкому весу и высокой прочности алюминиевые сплавы являются желательными материалами для применения в космических кораблях, спутниках и других компонентах, предназначенных для развертывания в космосе. Однако это применение ограничено излучением энергичных частиц , испускаемых Солнцем . Воздействие и осаждение частиц солнечной энергии в микроструктуре обычных алюминиевых сплавов может вызвать растворение наиболее распространенных фаз закалки, что приводит к размягчению. Недавно представленные перекрестные алюминиевые сплавы [59] [60] проходят испытания в качестве замены серий 6xxx и 7xxx в средах, где облучение энергичными частицами является серьезной проблемой. Такие перекрестные алюминиевые сплавы можно упрочнять путем выделения химической сложной фазы, известной как Т-фаза, радиационная стойкость которой, как было доказано, превосходит другие упрочняющие фазы обычных алюминиевых сплавов. [61] [62]
В самолетах и других аэрокосмических конструкциях обычно используются следующие алюминиевые сплавы : [63] [64]
Обратите внимание, что термин «авиационный алюминий» или «аэрокосмический алюминий» обычно относится к 7075. [65] [66]
Алюминий 4047 — это уникальный сплав, используемый как в аэрокосмической, так и в автомобильной промышленности в качестве плакирующего сплава или присадочного материала. В качестве наполнителя полосы из алюминиевого сплава 4047 можно комбинировать для сложных задач по соединению двух металлов. [67]
6951 — термообрабатываемый сплав, придающий ребрам дополнительную прочность и одновременно повышающий устойчивость к провисанию; это позволяет производителю уменьшить толщину листа и, следовательно, снизить вес формируемого ребра. Эти отличительные особенности делают алюминиевый сплав 6951 одним из предпочтительных сплавов для теплопередачи и теплообменников, изготавливаемых для аэрокосмической техники. [68]
Алюминиевые сплавы 6063 поддаются термической обработке, имеют умеренно высокую прочность, отличную коррозионную стойкость и хорошую экструдируемость. Они регулярно используются в качестве архитектурных и структурных элементов. [69]
В настоящее время производится следующий список алюминиевых сплавов, [ нужна ссылка ] , но менее широко [ нужна ссылка ] :
Эти сплавы используются в судостроении и судостроении, а также в других береговых применениях, чувствительных к морской и соленой воде. [70]
4043, 5183, 6005A, 6082 также используются в морских сооружениях и на шельфе.
Алюминий 6111 и алюминиевый сплав 2008 широко используются для внешних панелей кузова автомобиля , а 5083 и 5754 — для внутренних панелей кузова. Капоты изготавливаются из сплавов 2036, 6016 и 6111. В кузовных панелях грузовиков и прицепов использован алюминий марки 5456 .
В автомобильных рамах часто используются алюминиевые профилированные листы 5182 или 5754 , профили 6061 или 6063 .
Колеса отлиты из алюминия A356.0 или листовой стали 5xxx. [71]
Блоки и картеры двигателей часто отливают из алюминиевых сплавов. Наиболее популярные алюминиевые сплавы, используемые для блоков цилиндров, — А356, 319 и в меньшей степени 242.
Алюминиевые сплавы, содержащие церий , разрабатываются и применяются в высокотемпературных автомобильных приложениях, таких как головки цилиндров и турбокомпрессоры , а также в других приложениях для производства энергии. [72] Эти сплавы изначально были разработаны как способ увеличения использования церия, который перепроизводится при добыче редкоземельных элементов для более желанных элементов, таких как неодим и диспрозий , [73] , но привлекли внимание из-за своей прочности при высоких температурах. температуры в течение длительного периода времени. [74] Он приобретает свою прочность за счет присутствия интерметаллической фазы Al 11 Ce 3 , которая стабильна до температуры 540 ° C, и сохраняет свою прочность до 300 ° C, что делает его вполне жизнеспособным при повышенных температурах. Сплавы алюминия и церия обычно отливают из-за их превосходных литейных свойств, хотя также была проведена работа, чтобы показать, что методы лазерного аддитивного производства также могут использоваться для создания деталей с более сложной геометрией и более высокими механическими свойствами. [75] Недавние работы в основном были сосредоточены на добавлении легирующих элементов более высокого порядка в бинарную систему Al-Ce для улучшения ее механических характеристик при комнатной и повышенных температурах, таких как железо , никель , магний или медь . глубже понять взаимодействие легирующих элементов. [76]
Алюминий 6061 и 6351 широко используются в баллонах с дыхательным газом для подводного плавания и сплавах для дыхательных аппаратов . [77]
{{cite book}}: CS1 maint: DOI неактивен по состоянию на январь 2024 г. ( ссылка )