Способи зміцнення алюмінію
Алюміній, для того щоб використовуватися в будівництві, повинен відповідати вимогам по міцності. У будівництві застосовуються легований алюміній і сплави алюмінію, які пройшли зміцнення термообробкою і нагартовка. Нараховують близько 300 варіацій сплавів алюмінію з іншими елементами.
Ми перерахуємо найпоширеніші і ефективні способи зміцнення алюмінію.
Зміцнення алюмінію шляхом додавання додаткових компонентів (легування)
Алюмінієві сплави з різними хімічними компонентами застосовують для деталей конструкцій і силових елементів. Всі ці сплави поділяють на деформуються і ливарні. У будівництві використовуються в основному деформуються сплави з алюмінію. Вони в свою чергу діляться на сплави, які піддаються термічній обробці (зміцнюється) і ті, які за своїми властивостями піддаватися їй не можуть (неупрочняемие). До перших відносяться багатокомпонентні сплави, в основі яких крім алюмінію і магнію присутні або кремній, або мідь, або цинк. До других відносять технічний алюміній і двокомпонентні (на основі алюміній-марганець і алюміній-магній) сплави.
Кожен з легуючих елементів має свої специфічні властивості: марганець і магній підвищують механічні властивості, а також марганець покращує антикорозійні властивості, а магній зменшує масу сплаву, проте при дуже великому вмісті може знизити величину модуля пружності. Мідь найчастіше застосовується в дюралімінах (групі високоміцних сплавів з алюмінію) і значно підвищує міцність, але знижує пластичність і антикорозійні властивості. Мідь радять додавати разом з магнієм. Кремній надає вологотекучість, легкоплавкость, проте також зменшує пластичність. Цинк добре зміцнює алюміній, його також радять додавати разом з магнієм.
Крім перерахованих вище елементів, в сплави у вигляді легуючих добавок вводяться хром, ванадій, титан, цирконій, тощо.
Все потрійні і багатокомпонентні сплави алюмінію мають більш-менш визначений хімічний склад, Просто леговані сплави, як правило, не використовуються при приготуванні конструкцій. Їх складові компоненти підібрані головним чином для того, щоб отримати ефективний склад зміцнюючих фаз, який після піддає спеціальній термічній обробці дозволив би якомога більше підвищити міцність сплаву і зберегти при цьому хороші технологічні властивості. Здатність до пресування, прокатки, зварювання, різання й стійкості проти корозії. Загартування виробів з подальшим старінням (отпуском0 є спеціальним способом термічної обробки, яка надає сплаву більше міцності. Також багатокомпонентні сплави можуть упрочняться методом нагартовки.
Найпоширенішими видами термічної обробки є отжиг, відпустку (старіння), гарт і термічна обробка разом з іншими видами впливів - механічними, хімічними, ударними, ультразвуковими.
Розглянемо більш детально кожен з видів.
Відпал. Під час відпалу відсутні фазові перетворення, і залежно від початкового стану металу і потрібних якостей може відбуватися у вигляді рекристалізації, гомогенізації і повернення (відпалу) для зняття залишкових напруг. Сплави піддають відпалу з метою переведення структури металу з нестійкого стану в стійке, однорідне, яке характеризується дрібнозернистістю.
Під час відпалу майже відновлюються були до деформації або старіння фізичні і механічні властивості. Однак при цьому зменшується міцність і збільшується пластичність і ударна в'язкість. Це використовують під час технологічних операцій по виготовленню алюмінієвих конструкцій із застосуванням окремих термообробних сплавів.
Загартування. Так називають процес, що застосовується до сплавів, які в твердому стані проходять фазові зміни. Ці процеси сприяють збільшенню міцності. Вони грунтуються на тому, що при нагріванні сплаву вище граничної лінії розчинності і нижче температури солідусу спостерігається ɑ - твердий розчин. При впливі нормальних температур він нестійкий і в процесі старіння з нього виділяються елементи, які в комплексі з алюмінієм утворюють хімічні сполуки - упрочнители.
Старіння (відпустка). Ця назва важливою виробничої операції, під час якої кристалічна решітка приводиться в більш стійкий стан. Тонкі пластинчасті освіти, що виділяються в процесі старіння, носять назву зони Гинье-Престона. Це зони, де спостерігається підвищена концентрація розчиненого компонента. Вони розташовуються усередині кристала. Залежно від того, при якій температурі відбувається процес відпустки, розрізняють природне і штучне старіння (відпустка). При природному старінні продукти витримуються при низьких і нормальних температурах, і штучне передбачає підвищення температури до 432-473 K.
Міцність, що отримується шляхом природного відпустки, набирається за 5-7 доби. Терміни відпустки при штучному старінні залежать від складу сплаву і вимог до нього.
Час витримки при нагріванні становить від 15 до 200 хвилин і коливається в залежності від максимальної товщини необхідного профілю. Нагрівання (термообробка) виробів відбувається в електричних вертикальних печах, що мають кругле або прямокутний перетин камери. Під цими печами знаходяться баки з середовищем, в якій металеві профілі піддаються обробці.
На малюнку наочно представлено вплив термообробки на міцність і структурні параметри зміцненого алюмінію.
Виходячи з того, в якому режимі і яким способом алюмінієві профілі та листи піддавалися термічній обробці, вони позначаються такими буквами: відпалені - М, загартовані і природно зістарені - Т, загартовані і штучно зістарені - Т1. Гарячепресованих профілі і гарячекатані листи спеціальної літери не позначаються.
Зміцнення сплавів на основі алюмінію методом холодного деформування
При використанні способу холодного деформування нагартовка здійснюється шляхом прокатки через валки. Руйнування межкристаллических прошарків і запрессовиваніє нагартовка усадочних пір і бульбашок, яке відбувається в результаті холодного деформування, забезпечує більш щільний контакт всередині кристалітів.
Від ступеня нагартовки залежить, наскільки підвищується міцність сплаву, і як зменшуються його пластичні властивості.
Цей спосіб підвищення механічної міцності набув широкого поширення при роботі з незміцнюючих сплавами на основі алюміній-магній, які, як відомо з їхньої назви, не піддаються термічній обробці, про яку йшла мова на початку статті. Найбільш ефективним вважається зміцнювати такі сплави після обтиску на 20%.
Зауважимо, що підвищуючи ступінь нагартовки, ми отримуємо меншу інтенсивність зміни міцності. Також варто зауважити, що різниця, яка існує між межею міцності і плинності при великих ступенях деформації, веде до поганої штампуемость, згинанні і зниження інших технологічних характеристиках використовуваного металу.
Також різниця між цими величинами і низька пластичність не дозволяють використовувати високу межу текучості, тому що в цьому випадку розрахунковий опір буде призначатися за тимчасовим опором розриву. Тому було вирішено випускати листи, загартовані на 10-15%, і товщиною не більше 10 мм.
Метод холодного деформування не дозволяє отримувати більшу товщину листів, тому що вона обмежена труднощами створення великих зусиль на валках, особливо під час деформування високоміцних сплавів.
Для алюмінієвих листів теж існує своя маркування, в залежності від ступеня нагартовки: загартовані - Н, і полунагартованние, відповідно - П.
Джерела використані при написанні статті:
1. І. Н. Артем'єва "Алюмінієві конструкції"