Краткие теоретические сведения
Алюминий является важнейшим металлом, широко применяемым для изготовления разнообразных алюминиевых сплавов. Цвет алюминия серебристо-белый со своеобразным тусклым оттенком. Кристаллизуется алюминий в пространственной решетке гранецентрированного куба, аллотропических превращений у него не обнаружено. Алюминий имеет малую плотность (2,7 г/см3), высокую электропроводность (составляющую около 60 % электро-проводности чистой меди) и значительную теплопроводность. В результате окисления алюминия кислородом воздуха на его поверхности образуется защитная оксидная пленка. Наличием этой пленки объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия и многих алюминиевых сплавов. Алюминий достаточно стоек в обычных атмосферных условиях и против действия концентрированной (90-98 %) азотной кислоты, однако он легко разрушается при действии большинства других минеральных кислот (серная, соляная), а также щелочей. Он обладает высокой пластичностью как в холодном, так и горячем состоянии, хорошо сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием и отличается низкими литейными свойствами. Для прокатанного и отожженного алюминия характерны следующие механические свойства: sв = 80-100 МПа, d = 35-40 %, НВ = 250…300 МПа. При нагартовке прочность алюминия повышается, а пластичность снижается. Соответственно степени деформации различают отожженный (АД-М), полунагартованный (АД-П) и нагартованный (АД-Н) алюминий. Отжиг алюминия для снятия наклепа проводится при 350…410 °С. Чистый алюминий находит разнообразное применение. Из технического алюминия АД1 и АД, содержащего соответственно не менее 99,3 и 98,8 % Al, изготовляют полуфабрикаты – листы, трубы, профили, проволоку для заклепок.
В электротехнике алюминий служит для замены более дорогой и тяжелой меди при изготовлении проводов, кабелей, конденсаторов, выпрямителей и т. п. Важнейшими элементами, вводимыми в алюминиевые сплавы, являются медь, кремний, магний и цинк. Алюминий с медью образует твердые растворы переменной концентрации. При температуре 0 °С растворимость меди в алюминии равна 0,3 %, а при температуре эвтектики 548 °С она увеличивается до 5,6 %. Алюминий и медь в соотношении 46:54 образуют стойкое химическое соединение CuAl2. Рассмотрим состояние сплавов алюминия с медью в зависимости от их состава и температуры (рис. 1). Линия CDE на диаграмме представляет собой линию ликвидуса, а линия CNDF является линией солидуса. Горизонтальный участок линии солидуса NDF называется также эвтектической линией. Линия MN показывает переменную по температуре растворимость меди в алюминии. Следовательно, линия MN является границей между ненасыщенными твердыми растворами и растворами насыщенными. Поэтому эту линию часто называют также линией предельной растворимости. В области I любой сплав будет представлять собой однородный жидкий раствор алюминия с медью, т. е. Al Cu.
В областях II и III сплавы будут находиться частично в жидком и частично в твердом состояниях. В области II твердой фазой будет твердый раствор меди в алюминии, а жидкой – жидкий раствор алюминия и меди, т.е. Al(Cu) + (Al Cu), если твердый раствор ограниченной растворимости меди в алюминии условимся обозначать как Al(Cu). В области III жидкой фазой будет являться также жидкий раствор алюминия и меди, а твердой – металлическое соединение CuAl2, т. е. + (Al Cu). Индекс «I» (первичный) показывает, что CuAl2 образовалось при кристаллизации из жидкого состояния. В остальных областях полностью затвердевшие сплавы будут иметь следующее строение:
- в области IV – однородный твердый раствор меди в алюминии, т. е. Al(Cu); - в области V – твердый раствор меди в алюминии и вторичный ; - в области VI – твердый раствор меди в алюминии, вторичный CuAl2 и эвтектика, т.е Al(Cu) + + [Al(Cu) + CuAl2]; - в области VII – первичный CuAl2 и эвтектика, т. е. +[Al(Cu) + CuAl2]. Эвтектика этих сплавов представляет собой особую механическую смесь чередующихся мельчайших кристаллов твердого раствора меди в алюминии и металлического соединения CuAl2, т.е. [Al(Cu) + CuAl2]. Все сплавы системы Al – CuAl2 по структуре и концентрации можно разделить на четыре группы: 1-я группа содержит меди от 0 до 0,3 %; 2-я группа содержит меди от 0,3 до 5,6 %; 3-я группа содержит меди от 5,6 до 33,8 %; 4-я группа содержит меди от 33,8 до 54 %. Рассмотрим строение сплавов системы Al – CuAl2. На рис. 2, а показана структура сплава первой группы, состоящая из зерен твердого раствора меди в алюминии. Структура сплава второй группы приведена на рис. 2, б: видны зерна твердого раствора меди в алюминии и кристаллы вторичного CuAl2, Структура доэвтектического сплава (твердый раствор меди в алюминии, кристаллы вторичного CuAl2 и эвтектика) приведена на рис. 2, в. Структура эвтектического сплава – эвтектика, состоящая из мельчайших кристалликов твердого раствора меди в алюминии и CuAl2 дана на рис. 2, г. На рис. 2, д приведена структура заэвтектического сплава, состоящая из первичных кристаллов CuAl2 и эвтектики. В сплавах, содержащих эвтектику, можно по структуре определить содержание меди. Однако в этом случае надо учитывать количество меди, находящееся в эвтектике и в твердом растворе. Например, в доэвтектическом сплаве, содержащем 30 % эвтектики и 70 % твердого раствора, количество меди в эвтектике , а в твердом растворе .
Следовательно, исследуемый сплав содержит kx + ky = 14,06 % меди, что соответствует точке А, лежащей на оси абсцисс диаграммы состояния системы Al – CuAl2 (рис. 1). При определении состава заэвтектических сплавов рассчитывают количество меди, находящееся в эвтектике и в химическом соединении . Сумма этих количеств будет соответствовать содержанию меди в заэвтектическом сплаве. Химическое соединение CuAl2 отличается большой твердостью и хрупкостью.
В технике применяются преимущественно алюминиевые сплавы, содержащие 2…5 % меди, которые называются дуралюминами. Они хорошо обрабатываются давлением и имеют высокие механические свойства после термической обработки и нагартовки. Дуралюмины применяют для изготовления деталей и элементов конструкций средней и повышенной прочности Сплавы Al с Si называют силуминами. Они обладают хорошими литейными свойствами и содержат 4…13 % Si. Из диаграммы состояния этих сплавов (рис. 3) следует, что силумины представляют собой доэвтектические или эвтектические сплавы, содержащие в структуре значительные количества эвтектики. Однако при литье в обычных условиях эти сплавы приобретают неудовлетворительное строение, так как эвтектика получается грубопластинчатой, с крупными включениями хрупкого кремния, что сообщает сплавам низкие механические свойства. На рис. 4, а представлена структура силумина марки АЛ2, содержащего 11…13 % Si. В соответствии с диаграммой состояния алюминий – кремний сплав такого состава имеет эвтектическое строение. Эвтектика состоит из a -твердого раствора кремния в алюминии (светлый фон) и игольчатых крупных и хрупких кристаллов кремния. Игольчатые выделения частиц кремния создают внутренние острые надрезы в пластичном алюминии и приводят к преждевременному разрушению при нагружении. Рис. 3. Диаграмма состояния системы Al – Si
а б Рис. 4. Силумин: а – до модифицирования, грубоигольчатая эвтектика (Al-Si) и первичные выделения кремния; б – после модифицирования, мелкодисперсная эвтектика (Al-Si) и дендриты твердого раствора
Введение модификатора меняет характер кристаллизации. Происходит смещение линий диаграммы состояния так, что сплав с 11…13 % кремния становится доэвтектическим. В структуре появляются избыточные светлые зерна a -твердого раствора (рис. 4, б). Модификатор изменяет форму частиц кремния: вместо игольчатых выпадают мелкие равноосные, не создающие опасных концентраций напряжений при нагружении.
В результате модифицирования предел прочности у данных сплавов повышается с 130 до 160 МПа, а относительное удлинение с 2 до 4 %. В сплавах, обрабатываемых давлением, содержание кремния менее 1 %. В алюминиевых сплавах, содержащих магний, кремний связывается с ним в устойчивое металлическое соединение Mg2Si; оно образует с алюминием диаграмму состояния эвтектического типа с ограниченными твердыми растворами (рис. 5). Соединение Mg2Si отличается высокой твердостью, его переменная растворимость в алюминии позволяет достигать значительного упрочнения при термической обработке. В электротехнике применяют алюминиевые сплавы типа альдрей, легированные магнием и кремнием. При старении закаленных сплавов Mg2Si выпадает из твердого раствора и упрочняет его. В результате такой обработки удается получит предел прочности до 350 МПа при относительном удлинении 10-15 %. Существенно, что электрическая проводимость такого сплава составляет 85 % электрической проводимости проводникового алюминия. Это обусловлено тем, что из твердого раствора при старении почти полностью удаляется Mg2Si и сплав состоит из чистого алюминия и упрочняющей фазы (Mg2Si).
Рис. 6. Диаграмма состояния системы Al – Mg
Магний образует с алюминием твердые растворы, а также b -фазу на основе соединения Mg2Al3. В большинство алюминиевых сплавов вводится магния не более 3 %, но в некоторых литейных сплавах типа магналия содержание его доходит до 12 %. Как видно из рис. 6, в сплавах алюминия с магнием образуется эвтектика. Растворимость магния в алюминии сильно меняется с изменением температуры. В качестве примера можно привести сплав АЛ8. В литом состоянии он имеет структуру, состоящую из зерен твердого раствора магния в алюминии и включений хрупкого соединения Al3Mg2. После литья проводится гомогенизация при температуре 430 °С в течение 15…20 часов, затем следует закалка в масле. В процессе гомогенизации включения Al3Mg2 полностью переходят в твердый раствор. Закаленный сплав приобретает достаточную прочность (sв = 300 МПа) и большую пластичность. Одновременно сплав приобретает высокую коррозионную стойкость. Старение для сплава АЛ8 является вредным: резко снижается пластичность и ухудшается коррозионная стойкость. Цинк вводится в некоторые высокопрочные алюминиевые сплавы в количестве до 9 %. В двойных сплавах с алюминием при температуре выше 250 °С цинк (в этих пределах) находится в твердом растворе (рис. 7).
Рис. 7. Диаграмма состояния системы Al – Zn
Все высокопрочные сплавы имеют сложный химический состав. Так, сплав В95 содержит 6 % Zn, 2,3 % Mg, 1,7 % Cu, Например при температуре 475 ºС растворимость MgZn2 в алюминии повышается до 18 % (рис. 8). После закалки и искусственного старения сплав В95 имеет sв = 600 МПа, d = 12 %. Марганец и хром усиливают эффект старения и повышают коррозионную стойкость сплава.
Рис. 8. Диаграмма состояния системы Al – MgZn2
Воспользуйтесь поиском по сайту: ©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...
|