Алюмінієві сплави характеризуються високою питомою міцністю, здатністю чинити опір інерційним і динамічним навантаженням. Тимчасовий опір алюмінієвих сплавів досягає 500 ... 700 МПа при щільності не більше 2,850 г / см 3.
Більшість алюмінієвих сплавів мають хорошу корозійну стійкість (за винятком сплавів з міддю), високі теплопровідність і електричну провідність, хороші технологічні властивості.
Основними легуючими елементами алюмінієвих сплавів є Сu, Mg, Si, Mn, Zn; рідше - Li, Ni, Ti. Алюміній з основними легуючими елементами утворює діаграми, подібні діаграмі А1-Cu (рис. 21).
Малюнок 21 - Діаграма стану «алюміній - мідь»
Багато легуючі елементи утворюють з алюмінієм тверді розчини обмеженою змінної розчинності і проміжні фази CuAl2. Mg2 Si і ін. Це дає можливість піддавати сплави термічній обробці, що складається з гарту з отриманням пересичені твердого розчину і подальшого природного або штучного старіння.
Згідно діаграмі стану Al-Cu, мідь з алюмінієм утворюють твердий розчин, максимальна концентрація міді в якому становить 5,7% при евтектичній температурі. Зі зниженням температури розчинність міді зменшується, досягаючи 0,2% при 20 ° С. З твердого розчину при цьому виділяється # 952; фаза (СuА12), що містить
54,1% Сu. Вона має об'ємно-центровану тетрагональную кристалічну решітку і має порівняно високу твердість (530 HV). У сплавах, додатково легованих магнієм, утворюється ще S-фаза (CuMgAl2) з ромбічної кристалічної гратами (564 HV).
При старінні алюмінієвих сплавів в пересиченому твердому розчині виділяються пластинчасті виділення міді діаметром (30 ... 60) × 10 -10 м і товщиною до 10 # 8729; 10 -10 м, які називаються зонами Гинье-Престона (зони Г. П.). На цій стадії досягається максимальне зміцнення. При підвищенні температури до 100 о С зони Г. П. перетворюються в # Тисячу двісті п'ятьдесят шість; ¢ -фазу, когерентно пов'язану з маточним твердим розчином, але має грати, відмінну від твердого розчину і стабільної # Тисячу двісті п'ятьдесят шість; -фази. Міцність алюмінієвих сплавів, що містять такі дисперсні виділення, вже не досягає свого максимального значення. При подальшому підвищенні температури # Тисячу двісті п'ятьдесят шість; ¢ фаза перетворюється в стабільну # Тисячу двісті п'ятьдесят шість; -фазу, відбувається її коагуляція і при цьому досягається ще менше зміцнення.
Алюмінієві сплави підрозділяються на:
- деформуються, призначені для отримання поковок, штамповок і прокату (листів, плит, прутків і т. п.);
- гранульовані (одержувані методами порошкової металургії).
Маркування алюмінієвих сплавів здійснюється наступним чином. Буква Д на початку марки позначає сплави типу дуралюмина. Букви АК на початку марки привласнюють ковким алюмінієвих сплавів, а АЛ - ливарним алюмінієвих сплавів. Буквою В маркуються високоміцні сплави. Після букв вказується умовний номер сплаву. Часто за умовним номером іде позначення, яке характеризує стан сплаву: М - м'який (відпалений); Т - термічно оброблений (гарт + старіння); Н - загартовані; П - полунагартованний.
Конструкційна міцність алюмінієвих сплавів залежить від домішок Fe і Si. Вони утворюють в сплавах нерозчинні в твердому розчині фази, які знижують пластичність, в'язкість руйнування, опір розвитку тріщин. Легування сплавів марганцем зменшує шкідливий вплив домішок. Однак більш ефективним способом підвищення конструкційної міцності є зниження вмісту домішок з 0,5 ... 0,7% до 0,1 ... 0,3% (чистий сплав), а іноді і до сотих часток відсотка (сплав підвищеної чистоти). У першому випадку до марки сплаву додають букву "ч", наприклад Д16ч, у другому - букви "пч", наприклад В95пч.
4.1.2.1 Деформуємі алюмінієві сплави
Деформуються алюмінієві сплави поділяються на неупрочняемие і зміцнює термічною обробкою.
До незміцнюючих термічною обробкою відносяться сплави алюмінію з марганцем (АМц) і алюмінію з магнієм (Амг). Сплави відрізняються гарною зварюваністю і високу корозійну стійкість.
У отожженном стані вони мають високу пластичність і низькою міцністю. Пластична деформація підвищує міцність цих сплавів майже в 2 рази. Однак застосування наклепу обмежена через різке зниження пластичності сплавів, тому їх використовують в отожженном м'якому стані (АМгМ). Сплави типу АМц і Амг отжигают при 350 ... 420 ° С.
При підвищенні вмісту магнію тимчасовий опір зростає від 110 МПа (AMгl) до 340 МПа (АМг6) при відповідному зниженні відносного подовження з 28 до 20%.
Сплави типу АМц і Амг застосовують для виробів, одержуваних глибокою витяжкою і зварюванням (корпуси і щогли судів, рами вагонів і ін.), А також деталей, від яких потрібна висока корозійна стійкість (трубопроводи для бензину і масла, зварні баки),
До сплавів, зміцнює термічною обробкою. відносяться дуралюміни, кувальні і високоміцні сплави.
Дуралюмина називають сплави, що відносяться до системи Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець. При загартуванню сплави дуралюміни нагрівають до 495 ... 505 ° С (Д16) і до 500 ... 510 ° С (Д1) і потім охолоджують у воді при 40 ° С. Після гарту структура складається з пересичені твердого розчину і нерозчинних фаз, утворених домішками. Далі сплави піддають природному або штучному старінню.
Природне старіння триває 5-7суток. Тривалість старіння значно скорочується при збільшенні температури до 40 ° С і особливо до 100 ° С. Для зміцнення дуралюмина, як правило, застосовують загартування з природним старінням, так як в цьому випадку сплави мають кращу пластичністю і менш чутливі до концентраторів напружень.
Штучному старінню (190 ° С, 10 ч) піддають лише деталі, використовувані для роботи при підвищених температурах (до 200 ° С).
Велике практичне значення має початковий період старіння (20 ... 60 хв), коли сплав зберігає високу пластичність і низьку твердість. Це дозволяє проводити такі технологічно операції, як клепка, правка і ін.
Високоміцні алюмінієві сплави маркують буквою В. Вони відрізняються високою межею міцності (600 ... 700 МПа) і близьких до нього за значенням межею плинності. Високоміцні сплави відносяться до системи Al-Zn-Mg-Cu і містять добавки марганцю і хрому або цирконію. Цинк, магній і мідь утворюють фази, що володіють змінною розчинністю в алюмінії (MgZn2. CuMgAl2 і Mg3 Zn3 Al2). При 480 ° С ці фази переходять в твердий розчин, який фіксується загартуванням. При штучному старінні відбувається розпад пересиченого твердого розчину з утворенням тонкодисперсних частинок метастабільних фаз, викликають максимальне зміцнення сплавів. Найбільше зміцнення викликають гарт (465 ... 475 ° С) і старіння (140 ° С) протягом 16 год. Після такої обробки сплаву В95 межа міцності сягає 600 МПа, межа плинності - 550 МПа, відносне подовження - 12%, К1с - 30 МПа · м 1/2. КСТ - 30 кДж / м 2 і твердість - до 150 НВ.
Сплав В96 має більш високі властивості міцності (# 963; в до 700 МПа; # 963; 0,2 до 650 МПа; твердість до 190 НВ), але знижені пластичність (# 948; до 7%) і в'язкість руйнування. Для підвищення цих характеристик сплави піддають двоступінчастим пом'якшувальному старіння при 100 ... 120 ° С протягом 3 ... 10 год (перший ступінь) і 160 ... 170 ° С протягом 10 ... 30год (другий ступінь). Після пом'якшує старіння у сплаву В95 межа міцності не перевищує 590 МПа, межа плинності - 470 МПа, а відносне подовження підвищується до 13%, К1с до 36 МПа · м 1/2 і КСТ до 75 кДж / м 2.
Сплави застосовують для високонавантажених деталей конструкцій, що працюють в основному в умовах напруги стиснення (обшивка, стрингери, шпангоути, лонжерони літаків).
4.1.2.2 Ливарні алюмінієві сплави
Найбільшого поширення набули ливарні сплави на основі систем Al-Si і A1-Сі. Маркуються ливарнісплави буквами АЛ і цифрою, що вказує номер сплаву.
Кращими ливарними властивостями володіють сплави Al-Si (силуміни), для яких характерні висока текучість, мала усадка, відсутність або низька схильність до утворення гарячих тріщин і хороша герметичність. Щільність більшості силуминов становить 2650 кг / м 3.
Механічні властивості залежать від хімічного складу, технології виготовлення, а також термічної обробки. У подвійних силумінах зі збільшенням вмісту кремнію до евтектичного складу (12 ... 13%) знижується пластичність і підвищується міцність. Поява в структурі сплавів великих кристалів первинного кремнію викликає зниження міцності і пластичності.
Незважаючи на змінну розчинність кремнію (від 0,05% при 200 ° С до 1,65% при евтектичній температурі), подвійні сплави незміцнюється термічною обробкою, що пояснюється високою швидкістю розпаду твердого розчину, частково відбувається вже при загартуванню. Єдиним способом підвищення механічних властивостей цих сплавів є подрібнення структури шляхом модифікування натрієм. Крім -модифікує натрій зрушує евтектичну точку в системі Al-Si в сторону великих змістів кремнію. Завдяки цьому евтектичних за складом сплав (АЛ2) стає доевтектичний. У його структурі крім мелкокристаллической евтектики з'являються пластичні виділення первинного алюмінію. Все це призводить до збільшення пластичності і міцності.
Для легування силуминов часто використовують Mg, Cu, Mn, Ti і ін.
Магній і мідь. володіючи змінної розчинність в алюмінії, сприяють зміцненню силуминов при термічній обробці, що складається, як правило, з гарту і штучного старіння. Температура гарту різних силуминов знаходиться в межах 515 ... 535 ° С, температура старіння - 150 ... 180 ° С. З легованих силуминов середньої міцності найбільше застосування в промисловості знайшли сплави з добавками магнію (АК7ч), магнію і марганцю (АК9ч).
Сплави системи А1-Сu (АМ4, АМ5) добре обробляються різанням і зварюються. Вони характеризуються високою міцністю при звичайних і підвищених температурах (до 300 ° С, але володіють поганими ливарними властивостями). Це пояснюється утворенням в даній системі евтектики при високому вмісті міді (33%), яке не досягається в промислових сплавах. Ливарні і механічні властивості поліпшуються в результаті легування титаном і марганцем (АМ5). Марганець, утворюючи пересичений твердий розчин при кристалізації з рідкого стану, сприяє значному зміцненню сплаву.
4.1.2.3 Гранульовані алюмінієві сплави
З гранульованих сплавів широкого поширення набули спечені алюмінієві порошки (САП) і спечені алюмінієві сплави (САС).
Сапи зберігають високу міцність до 350 о С, а при 500 ° С межа міцності ще зберігається рівним 100 МПа, в той час як для жароміцних дурамінов межа міцності при цій температурі знижується до 5 МПа.
Сапи з 10 ... 12% Аl2 О3 має таку корозійну стійкість, як і технічний алюміній. На відміну від алюмінієвих сплавів вони не схильні до корозії під напругою.
Недоліком Сапів є їх низька здатність до пластичного деформації.
При лиття гранул (0,1 ... 1 мм) відцентровим способом краплі рідкого металу охолоджуються в воді зі швидкостями до 10 8 о С / с. При цьому утворюються тверді розчини, які містять легуючі елементи в кількості, що перевищує їх граничну розчинність в рівноважних умовах. Наприклад, гранична розчинність марганцю в алюмінії становить 1,4%, а при охолодженні з високою швидкістю утворюється аномально пересичений твердий розчин, що містить до 5% Mn.
Високі швидкості охолодження сприяють поліпшенню структури сплавів. Якщо при звичайних методах лиття спостерігаються грубі первинні і евтектичних виділення інтерметаллідних фаз, то в гранульованих алюмінієвих сплавах такі включення стають дисперсними з рівномірним розташуванням в металі, що підвищує механічні властивості.