Алюмінієві сплави

Класифікація алюмінієвих сплавів.

Алюмінієві сплави умовно поділяють на ливарні (для виробництва виливків) і деформуючі (для виробництва прокату і поковок). Далі будуть розглядатися тільки деформуючі сплави і прокат на їх основі. Під алюмінієвим прокатом увазі прокат з алюмінієвих сплавів і технічного алюмінію (А8 – А5, АД0, АД1). Хімічний склад деформівних сплавів загального застосування наведено в ГОСТ 4784-97 і ГОСТ 1131.

Деформуючі сплави поділяють за способом зміцнення: зміцнюються тиском (деформацією) і термоупрочняемые.

Інша класифікація заснована на ключових властивості: сплави низької, середньої та високої міцності, підвищеної пластичності, жароміцні, кувальні і т. д.

В таблиці систематизовані найбільш поширені деформуючі сплави з короткою характеристикою основних властивостей притаманних для кожної системи. Маркування дана по ГОСТ 4784-97 і міжнародної класифікації ISO 209-1.

      Стану поставки. Сплави, що зміцнюються тиском, можуть упрочняться тільки за рахунок холодної деформації (холодна прокатка або волочіння). Деформаційне зміцнення призводить до збільшення міцності і твердості, але зменшує пластичність. Відновлення пластичності досягається рекристаллизационным відпалом. Прокат з цієї групи сплавів має наступні стани поставки, що вказуються в маркуванні напівфабрикату:

1) не має позначення - після пресування або гарячої прокатки без термообробки  

2) М - отожженное

3) Н4 - четвертьнагартованное

4) Н2 - полунагартованное

5) Н3 - нагартованное на 3/4

6) Н - нагартованное

       Напівфабрикати з термоупрочняемих сплавів зміцнюються шляхом спеціальної термообробки. Вона полягає в гартуванні з певної температури і наступною витримкою протягом деякого часу при іншій температурі (старіння). При цьому відбувається зміна структури сплаву, яке призводить до увеличениюм міцності, твердості і пластичності сплаву. Існує кілька варіантів термообробки. Найбільш поширені сліду.щие стану поставки термоупрочняемих сплавів, відбивані в маркуванні прокату:

1) не має позначення - після пресування або гарячої прокатки без термообробки 

2) М - отожженное

3) Т - загартоване і природно постарене (на максимальну міцність)

4) Т1 - загартоване і штучно постарене (на максимальну міцність)

Для деяких сплавів здійснюється термомеханічне зміцнення, коли нагартовка здійснюється після гарту. У цьому випадку у маркуванні присутній ТН або Т1Н. Іншим режимам старіння відповідають стану Т2, Т3, Т5...

Наведена маркування станів відповідає російським Стандартам.

  Загальні властивості алюмінієвих сплавів.

Щільність алюмінієвих сплавів незначно відрізняється від густини чистого алюмінію. Вона змінюється від 2.65 г/куб. см для сплаву АМг6 до 2.85 г/куб. см для сплаву В95.

Легування практично не впливає на величину модуля пружності і модуль зсуву. Наприклад, модуль пружності зміцненого дуралюминия Д16Т практично дорівнює модулю пружності чистого алюмінію А5 (Е=7100 кгс/кв. мм). Однак, за рахунок того, що межа текучості сплавів в кілька разів перевищує межу текучості чистого алюмінію, алюмінієві сплави вже можуть використовуватися в якості конструкційного матеріалу з різним рівнем навантажень (залежно від марки сплаву і його стану).

За рахунок малої щільності питомі значення межі міцності, межі текучості і модуля пружності (відповідні величини, поділені на величину щільності) для міцних алюмінієвих сплавів порівнянні з відповідними значеннями питомих величин для сталей і титанових сплавів. Це дозволяє високоміцних алюмінієвих сплавів конкурувати зі сталлю і титаном, але тільки до температур, що не перевищують 200 С.

У більшості випадків поліпшення механічних властивостей за рахунок легування супроводжується зниженням електро - і теплопровідності, погіршенням корозійної стійкості і зварюваності.

Нижче в таблиці наведено значення твердості, тепло - і електропровідності для декількох сплавів в різних станах. Оскільки значення твердості корелюють з величинами межі текучості і межі міцності, то ця таблиця дає уявлення про порядок і цих величин.

З таблиці видно, що сплави з більшою ступенем легування мають помітно меншу електро - і теплопровідність, ці величини також суттєво залежать від стану сплаву:

З таблиці видно, що сплав АД31 поєднує високу міцність і високу електропровідність. Тому «м'які» електротехнічні шини виробляються з АД0, а «тверді» - з АД31 (ГОСТ 15176-89) Електропровідність цих шин становить

0,029 – з АД0 (без термообробки, відразу після пресування)

0,031 – з АД31 (без термообробки, відразу після пресування)

0.035 – з АД31Т (після загартування і природного старіння)

Теплопровідність багатьох сплавів (АМг5, Д16Т, В95Т1) вдвічі нижче, ніж у чистого алюмінію, але все одно вона вище, ніж у сталей.

       Корозійні властивості.

Найкращі корозійні властивості мають сплави АМц, АМг, АД31, а гірші – високо-міцні сплави Д16, В95, АК. Крім того корозійні властивості термоупрочняемих сплавів істотно залежать від режиму загартування і старіння. Наприклад сплав Д16 зазвичай застосовується в природно-зістареному стані (Т). Однак понад 80 З його корозійні властивості значно погіршуються і для використання при великих температурах часто застосовують штучне старіння, хоча йому відповідає менша міцність і пластичність (ніж після природного старіння). Багато міцні термоупрочняемые сплави схильні до корозії під напругою і розшаровуючої корозії.

Зварюваність.

Добре зварюються всіма видами зварювання технічний алюміній, сплави АМц, АМг. При зварюванні нагартованного прокату в зоні зварювального шва відбувається відпал, тому міцність шва відповідає міцності основного матеріалу у відпаленому стані.

З термоупрочняемих сплавів добре зварюються авіалі, сплав 1915. Більшість інших сплавів зварюються тільки точкової зварюванням.

Механічні властивості.

Міцність сплавів АМц і АМг зростає (а пластичність зменшується) зі збільшенням ступеня легування. Висока корозійна стійкість і зварюваність визначає їх застосування в конструкціях малої навантаженості. Сплави АМг5 і АМг6 можуть використовуватися в середньонавантажених конструкціях. Ці сплави зміцнюються тільки холодної деформацією, тому властивості виробів з цих сплавів визначаються тільки станом напівфабрикату, з якого вони були виготовлені.

Термоупрочняемые сплави дозволяють виробляти зміцнення деталей після їх виготовлення, якщо вихідний напівфабрикат не піддавався термоупрочняющей обробці.

Найбільшу міцність після зміцнюючої термообробки (гартування і старіння) мають сплави Д16, В95, АК6, АК8, АК4-1 (з доступних у вільному продажу).

Найпоширенішим є сплавом Д16. При кімнатній температурі він поступається багатьом сплавів по статичної міцності, але має найкращі показники конструкційної міцності (тріщиностійкість). Зазвичай застосовується в природно зістареному стані (Т). Але понад 80 С починає погіршуватися його корозійна стійкість. Для використання сплаву при температурах 120-250 З вироби з нього піддають штучному старінню. Воно забезпечує найкращу корозійну стійкість і більший межа плинності порівняно з природно-постареним станом.

З ростом температури міцнісні властивості сплавів змінюються різною мірою, що визначає їх різну застосовність в залежності від температурного діапазону.

З цих сплавів до 120 С найбільші межі міцності і текучості має В95Т1. Вище цієї температури він вже поступається сплаву Д16Т. Однак, слід враховувати, що В95Т1 має значно гірший конструкційну міцність, тобто малу тріщиностійкість, порівняно з Д16. Крім того В95 в стані Т1 схильний до корозії під напругою. Це обмежує його застосування у виробах, що працюють на розтяг. Поліпшення корозійних властивостей та суттєве поліпшення тріщиностійкості досягається у виробах оброблених по режимам Т2 або Т3.

При температурах 150-250 З велику міцність мають Д19 АК6, АК8. При великих температурах (250-300 С) доцільно застосування інших сплавів АК4-1, Д20, 1201. Сплави Д20 і 1201 мають самий широкий температурний діапазон застосування (від кріогенних -250 С до +300 С) в умовах високих навантажень.

Сплави АК6 і АК8 пластичні при високих температурах, що дозволяє використовувати їх для виготовлення поковок і штампувань. АК8 характеризується більшою анізотропією механічних властивостей, у нього менше тріщиностійкість, але він зварюється краще, ніж АК6.

Перераховані високоміцні сплави мають погано зварюються, мають низьку корозійну стійкість. До зварюваних термоупрочняемым сплавів з нормальною міцністю відноситься сплав 1915. Він допускає загартування на повітрі, що дозволяє зміцнювати зварювальний шов. Це самозакаливающийся сплав, що дозволяє забезпечити високу міцність зварного шва. Сплав 1925, не відрізняючись від нього по механічним властивостям, зварюється гірше. Сплави 1915 і 1925 мають більшу міцність, ніж АМг6 і не поступаються йому за характеристиками зварного шва.

Добре зварюються, мають високу корозійну стійкість сплави середньої міцності - авіалі (АВ, АД35, АД31,АД33).

АЛЮМІНІЄВИЙ ПРОКАТ.

З алюмінію і його сплавів виробляються всі види прокату – фольга, листи, стрічки, плити, прутки, труби, дріт. Слід мати на увазі, що для багатьох термоупрочняемих сплавів має місце "прес-ефект" - механічні властивості пресованих виробів вище, ніж у гарячекатаних (профілі міцніше аркушів).

     Прутки, профілі, труби

Прутки з алюмінію і його сплавів виготовляються пресуванням і поставляються в стані "без термообробки". Прутки з термоупрочняемих сплавів поставляються "без термообробки" і в упрочненном стані (загартування з наступним природним або штучним старінням).

Загальне уявлення про механічні властивості алюмінієвих сплавів дає гістограма, на якій представлені гарантовані показники для пресованих прутків при нормальних температурах:

З усього наведеного різноманіття у вільному продажу завжди є прутки з Д16, причому кола діаметром до 100 мм включно зазвичай поставляються в природно зістареному стані (Д16Т). Фактичні значення (за сертифікатами якості) для них становлять: межа текучості = (37-45), межа міцності при розриві = (52-56), відносне подовження =(11-17). Оброблюваність прутків з Д16Т дуже хороша, у прутків Д16 (без термообробки) оброблюваність помітно гірше. Їх твердість відповідно 105 НВ і 50 НВ. Як вже зазначалося, деталь, виготовлена з Д16 може бути упрочнена загартуванням і природним старінням. Максимальна міцність після гарту досягається на 4-ту добу.

Оскільки дуралюминиевый сплав Д16 не відрізняється хорошими корозійними властивостями, бажана додаткова захист виробів з нього анодуванням або нанесенням лако-фарбових покриттів. При експлуатації при температурах вище 80-100 С проявляється схильність до міжкристалітної корозії.

Необхідність додаткового захисту від корозії відноситься і до інших високоміцних сплавів (Д1, В95, АК).

Прутки з АМц і АМг мають високу корозійну стійкість, припускають можливість додаткового формоутворення гарячої куванням (в інтервалі 510-380 С).

Різноманітні профілі широко представлені зі сплаву АД31 з різними варіантами термообробки. Застосовуються для конструкцій невисокої і середньої міцності, а також для виробів декоративного призначення.

Прутки, труби та профілі з АД31 мають високу загальну корозійну стійкість, не схильні до корозії під напругою. Сплав добре зварюється точкової, роликової і аргонно-дуговим зварюванням. Корозійна стійкість зварного шва така ж, як у основного матеріалу. Для підвищення міцності зварного шва необхідна спеціальна термообробка.

Куточки виробляються в основному з АД31, Д16 і АМг2.

Труби виробляються (і доступні у вільному продажу) з більшості сплавів, представлених на малюнку. Вони поставляються в станах без термообробки (пресовані), загартовані і зістарені, а також отожженные і нагартованные. Параметри їх механічних властивостей приблизно відповідають, наведеним на гістограмі. При виборі матеріалу труб крім міцнісних характеристик враховується його корозійна стійкість і зварюваність.

  Алюмінієвий прокат Плоский.

Листи загального назаначения виробляються по ГОСТ 21631-76, стрічки - за ГОСТ 13726-97, плити по ГОСТ 17232-99.

Листи із сплавів із зниженою або низькою корозійною стійкістю (АМг6, 1105, Д1, Д16, ВД1, В95) плакируются. Хімічний склад плакирующего сплаву зазвичай відповідає марці АД1, а товщина шару становить 2 – 4% від номінальної товщини листа.

Плакуючий шар забезпечує електрохімічний захист основного металу від корозії. Це означає, що корозійна захист основного металу забезпечується навіть при наявності механічних пошкоджень захисного шару (подряпини). Плакування збільшує демпфуючі властивості і знижує межа втоми.

Маркування листів включає в себе: позначення марки сплаву + стан постачання + вид плакіровкі (якщо вона присутня). Приклади маркування:

А5 - лист марки А5 без плакіровкі і термообробки

А5Н2 - лист марки А5 без плакіровкі, полунагартованный

АМг5М - лист марки Амг5 без плакіровкі, отожженный

Д16АТ - лист марки Д16 з нормальною плакована, загартований і природно зістарений.

На діаграмі наведено основні характеристики механічних властивостей листів в різних станах поставки для найбільш використовуваних марок. Стан без термообробки не показано. У більшості випадків величини межі текучості і межі міцності такого прокату близькі до відповідних значень для відпаленого стану, а пластичність нижче. Плити випускаються в стані без термообробки.

З малюнка видно, що випускається асортимент аркушів дає широкі можливості для вибору матеріалу по міцності, межі текучості і пластичності з урахуванням корозійної стійкості і зварюваності.Для відповідальних конструкцій з міцних сплавів обов'язково враховується тріщиностійкість і характеристики опору втомі.

Коротка храктеристика за групами сплавів.

  Листи з технічного алюмінію (АД0, АД1, А5-А7).

Нагартованные і полунагартованные листи використовуються для виготовлення ненагружен-них конструкцій, резервуарів (у т. ч. для кріогенних температур), які потребують забезпечення високої корозійної стойксти і допускають застосування зварювання. Вони використовуються також для виготовлення вентиляційних коробів, тепловідбівних екранів (відбивна здатність полірованих листів досягає 80%), ізоляції теплотрас.

Листи в м'якому стані використовуються для ущільнення нероз'ємних з'єднань. Висока пластичність відпалених листів дозволяє виготовляти вироби глибокою витяжкою.

Технічний алюміній відрізняється високою корозійною стійкістю в багатьох середовищах (див. сторінку "Властивості алюмінію"). Однак, за рахунок різного змісту домішок в перерахованих марках, їхні антикорозійні властивості все-таки різняться.

Алюміній зварюється усіма методами. Технічний алюміній і його зварні з'єднання мають високу корозійну стійкість до міжкристалітної, розшаровуючої корозії і не схильні до корозійного розтріскування.

Крім листів, що виготовляються за ГОСТ21631-76, у вільному продажу є листи, вироблені за Євростандартом, з маркуванням 1050АН24. За хімічним складом вони відповідають марці АД0. Фактичні параметри механічних властивостей складають (по сертифікатам якості): межа текучості = (10.5-14), межа міцності при розриві = (11.5-14.5), відносне подовження =(5-10%), що відповідає полунагартованному станом.

          Листи (і стрічки) зі сплаву 1105. Це один з дешевих сплавів. З-за низької корозійної стійкості виготовляється плакированным. Частіше використовується у м'якому стані. Широко застосовується для ізоляції теплотрас, для виготовлення малонавантажених деталей, що не вимагають високих корозійних властивостей.

      Листи зі сплаву АМц.

Листи зі сплаву АМц мають високу корозійну стійкість. Добре деформуються в холодному і гарячому станах. З-за невисокої міцності (найнижчої межі текучості) використовуються для виготовлення тільки малонавантажених конструкцій. Висока пластичність відпалених листів дозволяє виробляти з них малонагруженные вироби глибокою витяжкою.

По корозійної стійкості АМц практично не поступається технічного алюмінію. Добре зварюються аргонно-дугового, газовим і контактним зварюванням. Корозійна стійкість зварного шва така ж, як у основного металу.

      Листи із сплавів АМг.

Чим більше вміст магнію, тим міцніше , але менш пластичні сплави цієї групи.

      Механічні властивості.

Найбільш розповсюджені листи із сплавів АМг2 (стану М, Н 2, Н) і АМг3 (стану М і Н2), у тому числі рифлені. Сплави АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 добре деформуються і в гарячому, і в холодному стані. Листи володіють задовільною штампуемостью. Нагартовка помітно знижує штампуємість аркушів. Листи цих марок застосовуються для конструкцій середньої навантаженості.

Листи АМг5М і АМг6М добре деформується в гарячому стані, а в холодному швидко наклепываются і вимагають великої кількості отжигом. Листи з АМг6 і АМг6 в упрочненном стані не поставляються. Застосовуються для конструкцій підвищеної навантаженості.

            Корозійна стійкість. Сплави АМг відрізняються високою корозійною стійкістю в розчинах кислот і лугів. Сплави АМг1, АМг2, АМг3, АМг4 мають високу корозійну стійкість до основних видів корозії як у відпаленому так і в нагартованому состонии.

Сплави АМг5, АМг6 схильні до корозії під напругою і міжкристалітної корозії. Для захисту від корозії листи і плити з цих сплавів плакируются, а заклепки з АМг5п ставлять тільки анодованими.

       Зварюваність.

Всі сплави АМг добре зварюються аргоннодуговой зварюванням, але характеристики зварного шва залежать від вмісту магнію. Із зростанням його змісту зменшується коефіцієнт тріщиноутворення, але зростає пористість зварних з'єднань.

Зварювання нагартованих листів усуває нагартовку в зоні термичес-кого впливу зварного з'єднання, механічні властивості в цій зоні відповідають властивостям у відпаленому стані. Тому зварні з'єднання сплавів АМг мають меншу міцність в порівнянні з основним матеріалом.