Общая характеристика двойных и многокомпонентных сплавов. Физические, механические и технологические свойства алюминия

Чистый алюминий. Двойные сплавы на основе Al—Mn и Al—Mg. Промышленностью выплавляется алюминий разной степени чистоты: марки самой высокой чистоты АД00 (99,7 % Al), АД0 (99,5% Al) и алюминий технический АД и АД1.

АМц — пластичный, обладающий невысокой прочностью сплав, стойкий против коррозии, хорошо свариваемый, упрочняется нагартовкой. Физические свойства сплава приведены в табл. 3, механические — в табл. 4. Применяется АМц в малонагруженных элементах, а также для кровель зданий, в двух-и трехслойных стеновых и кровельных панелях вместе с пенопластом, фторопластом и другими утеплителями. Рекомендуется также для декоративных элементов при анодировании и окрашивании анодной пленки в черный цвет.

Двухкомпонентные сплавы на основе алюминий-магний, как видно из диаграммы состояния (см. рис. 4), неограниченно растворимы в жидком состоянии и ограниченно в твердом. В системе имеются соединения Al3Mg2 (62,46 % Al), AlMg (52,59% Al), Al3Mg4 (45,42 % Al) и Al2Mg3 (42,51 % Al) и наблюдается образование твердых растворов переменной концентрации на основе алюминия. При температурах, близких к температуре плавления, существует четыре фазы: а (0—15% Mg), P (35,3—37,7 % Mg), у (41,5—59,4 % Mg) и b (87—100 % Mg).

При нормальной температуре максимальная растворимость магния составляет 3 %. Присутствие меди понижает его растворимость. У сплавов с содержанием магния выше 3 % повышение прочности сопровождается уменьшением пластичности, ухудшением некоторых технологических свойств, например способности к прессованию, прокатке, ковке, штампуемости, гибке, выдавке. На рис. 8, б дана зависимость механических свойств от содержания магния в сплавах. При добавке Mg от 3 до 6 % видно снижение относительного удлинения.

Наибольшее возрастание прочности у магналиев наблюдается при содержании магния от 0,5 до 6 %. Ho сплав с содержанием магния примерно 3,5 % имеет самую низкую пластичность, поэтому наибольшее применение в силовых элементах конструкций нашли сплавы с содержанием магния 5—6%: АМг5, АМг6, АМг61. Высокое содержание магния, однако, требует очень жестких условий режима отжига, которому должны подвергаться изделия из магналиев. В случае каких-либо отклонений сплавы приобретают склонность к межкристаллитной коррозии под влиянием длительного воздействия солнечных лучей, к коррозионному растрескиванию под напряжением и к появлению крупного зерна при литье.

Улучшение свойств дает введение в магналии в небольших количествах титана, ванадия, циркония, хрома. Примеси Si, Fe, Na в магналиях ухудшают их свойства, так как кремний и железо образуют интерметаллические соединения, которые понижают коррозионную стойкость этих сплавов, особенно при содержании магния более 5%. Присутствие натрия даже около 0,001 % ухудшает обработку давлением. В связи с некоторыми трудностями прессования магналиев основным видом полуфабрикатов, выпускаемых промышленностью, является листовой прокат, который идет на изготовление сварных листовых конструкций, панелей, штампованных, гнутых профилей и других подобных изделий.

Сплавы многокомпонентные на основе Al—Mg—Si, Al—Zn—Mg, Al—Cu—Mg—Mn. Для строительных конструкций и деталей применяются в основном трехкомпонентные сплавы двух первых групп. К сплавам на основе алюминий — магний — кремний относятся АД31, АДЗЗ, АД35 и AB (авиаль), которые обладают такими свойствами, как пластичность, коррозионная стойкость, и могут применяться как в клепаных, так и сварных конструкциях со статическими нагрузками. Упрочняющей фазой у этой группы является соединение Mg2Si. Коррозионная стойкость того или другого сплава зависит от соотношения содержания Mg и Si. Если имеется избыточный кремний, то стойкость сплава снижается.

В настоящее время для переплетов и других архитектурно-строительных деталей широко применяется сплав АД31. Профили из этого сплава поставляются в отожженном состоянии и упрочненными термообработкой, состаренными естественно или искусственно. Поверхность прессованных профилей из АД31 декоративна, легко полируется.

Сплавы 1920 (В92) и 1915 на основе алюминий — цинк — магний находят все большее применение в качестве конструкционных материалов для силовых сварных конструкций. Особенным свойством этой группы является способность самозакаливания, которая характеризуется тем, что в околошовной зоне сварных швов, получившей после сварки отжиг, при соединении термообработанных полуфабрикатов с течением времени частично восстанавливаются высокие механические свойства закаленного и состаренного металла. Более высокие механические свойства эти сплавы получают после искусственного старения, но коррозионная стойкость их выше после естественного.

Сплав 1920 выпускается промышленностью в виде листов и прессованных профилей. Для прессования стержней различной конфигурации специально разработан сплав 1915. Обе марки применяются в настоящее время в сварных конструкциях с большими нагрузками. Необходимо заметить, что даже при небольшом отклонении химического состава эти сплавы могут иметь высокую степень перенасыщения твердого раствора магнием и цинком. Это сопровождается образованием фаз MgZn2(n) и Al2Mg3Zn(T) не только при повышении температуры металла, но и в процессе его деформирования. Появление фаз n и T ведет к внутренним напряжениям и межкристаллитной коррозии, так как эти фазы являются анодами по отношению к твердому раствору.

Дуралюмин был первым сплавом на основе алюминия. После специальной термической обработки (закалки) и некоторого вылеживания (старения) сплав приобретает прочность почти в 2 раза выше, чем просто легированный алюминий. Это упрочнение происходит в результате выпадения в твердый раствор упрочняющих фаз S(Al2CuMg) и CuAl2. Таким образом, в промышленности появились алюминиевые сплавы (Д1, Д16), по прочности не уступающие углеродистой и некоторым низколегированным сталям. Благодаря высокому пределу выносливости сплав начали применять в клепаных конструкциях пролетных строений мостов, кранов и каркасов зданий. Однако коррозионная стойкость этого сплава оказалась невысокой. Кроме того, после закалки и старения одновременно с повышением прочности у дуралюминов понижаются пластические свойства, что затрудняет гибку и штамповку. В связи со сложностью изготовления деталей и из-за слабой коррозионной стойкости в настоящее время сплавы этой группы в строительстве не применяются. К дуралюминам относятся также специальные сплавы Д18 и В65, используемые для изготовления заклепок.

Сравнительная оценка механических свойств легированного алюминия и упрочненных сплавов. Механические свойства алюминия, применяемого в конструкциях и архитектурно-строительных деталях, изменяются в широком диапазоне, благодаря чему в соответствии с эксплуатационными требованиями и характером нагрузок можно выбрать тот или другой сплав. Механические свойства алюминия зависят от способа изготовления и вида упрочнения полуфабрикатов (см. табл. 4).

Механические свойства листового проката определяются химическим составом и структурой. Она отличается от структуры металла прессованных профилей плотностью кристаллов вдоль направления деформирования (рис. 7, а, в), которую они получили при прокатке и особенно при холодной обработке: нагартовке, штамповке, вытяжке и других подобных операциях. В результате этого повышается прочность и уменьшается пластичность материала по всему листу (при прокатке) или только в местах деформирования (в остальных случаях).

Листовой прокат, если он поставляется в отожженном состоянии, имеет низкую прочность и высокую пластичность. Исключением являются сплавы АМг5 и АМг6, прочность которых сравнительно выше остальных. У большинства прессуемых сплавов прочность материала горячепрессованных профилей выше отожженных за счет пресс-эффекта и закалки воздушной струей, получаемой непосредственно на прессе. После специальной термической обработки (отжига, закалки, старения) механические свойства прессованных профилей и листов примерно одинаковые.

Модуль упругости Е, модуль сдвига G и коэффициент Пуассона u не зависят от способов получения полуфабрикатов и упрочнения. Для всех сплавов эти величины имеют такое же значение, как и для основы — алюминия. Этого нельзя сказать о пределе усталости о-1. В табл. 4 даны величины предела усталости упрочненного алюминия, полученные при испытании на изгиб вращающихся образцов-консолей, прошедших под нагрузкой 5*10в8 циклов. Наибольшее значение предела усталости имеет дуралюмин Д16, в связи с чем применение его может быть обосновано в конструкциях с переменными нагрузками. Высокопластичные, но малопрочные материалы АМц, AMr имеют высокую ударную вязкость ан, у остальных она колеблется в пределах 2/4*10в-3 Дж/м2.

В отдельную группу материалов выделены сплавы для заклепок. Марки этих сплавов, их механические свойства и коррозионная стойкость в зависимости от состояния поставки представлены в табл. 5. Материал этой группы должен обладать хорошей способностью к холодному деформированию при формировании заклепок и иметь высокую прочность на срез. Этим требованиям отвечают сплавы Д18ПТ, В65Т и АМг5П. Заклепки из термообрабатываемых сплавов Д18ПТ, В65Т и В94Т ставятся в закаленном состоянии независимо от срока старения, что упрощает технологию клепки, так как эти сплавы не требуют дополнительной перезакалки.