Механические свойства алюминия

Марка	Сумма примесей, %	Состояние	σВ, МПа	σ0,2, МПа	δ, %	HB, МПа
A995	0,005	Литье		–
A5	0,5		–
A0			–
Деформированное и отожженное
Деформированное

Алюминий имеет высокую отражательную способность. Это позволяет использовать его в прожекторах, рефлекторах, экранах телевизоров.

Алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью к морской воде, органическим кислотам, устойчив в нейтральных растворах солей магния, натрия. Химическая стойкость алюминия различной чистоты обусловливается образованием на его поверхности тончайшей, но плотной беспористой плёнки окиси алюминия Al₂O₃.

В машиностроении чистый алюминий практически не используется. Основное применение алюминия – это производство сплавов, достоинство которых в их малом удельном весе.

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления, способности к упрочнению термической обработкой и другим свойствам (рис. 6.5).

Рис. 6.5. Классификация алюминиевых сплавов

Технические алюминиевые сплавы подразделяют на две группы: применяемые в деформированном виде (прессованные, катаные, кованые) и в литом (деформируемые (А) и литейные (В) сплавы). Границу между сплавами этих групп определяет предел насыщения твёрдого раствора при эвтектической температуре (рис. 6.6). Деформируемые и литейные алюминиевые сплавы подразделяются на не упрочняемые (I) и упрочняемые (II) в результате термической обработки.

Рис. 6.6. Диаграмма состояния «Алюминий – легирующий элемент»

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются медь, магний, кремний, марганец, цинк, реже литий, никель, титан. Легирующие элементы повышают температуру рекристаллизации алюминия. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твёрдые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы СuАl₂, Mg₂Si и др. Это даёт возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки на пересыщенный твёрдый раствор и естественного или искусственного старения.

К деформируемым сплавам, не упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы АМц и АМг.

Сплавы типа АМц (АМц1) относятся к системе «Аl – Мn»; структура состоит из α-твёрдого раствора и вторичных выделений фазы МnАl₆, переходящих в твёрдый раствор при повышении температуры. При легировании железом вместо МnАl₆ образуется сложная тройная фаза (Мn, Fе)Аl₆, которая не растворяется в алюминии, поэтому эти сплавы не упрочняются термической обработкой. В отожженном состоянии обладают высокой пластичностью (δ = 18–22 %) и низкой прочностью (σ_В = 130 МПа).

Сплавы типа АМг (АМг1, АМг5) относятся к системе «Аl – Мg». Магний образует с алюминием α-твёрдый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4 % в результате растворения фазы Мg₂Аl₃. Сплав АМг в отожженном состоянии имеет σ_В = 190 МПа, δ = 23 %.

Сплавы типа АМц и АМг упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном (80 % наклёпа) и полунагартованном (40 % наклёпа) состояниях. Применение наклёпа ограниченно из-за резкого снижения пластичности, поэтому в большинстве случаев сплавы используют в отожженном состоянии. Температура отжига: 350–420 °С.

Сплавы типа АМц и АМг применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой или сваркой, от которых требуется высокая коррозионная стойкость (трубопроводы для бензина и масла, сварные баки и т. п.).

К деформируемым сплавам, упрочняемым термической обработкой, относятся сплавы системы «Аl – Сu». Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. Наиболее характерными представителями этих сплавов являются дуралюмины, широко применяемые в авиа-, судо- и ракетостроении. Согласно диаграмме «Аl – Сu» (рис. 6.7), медь с алюминием образуют твёрдый раствор, максимальная концентрация меди в котором 5,65 % при эвтектической температуре. С понижением температуры растворимость меди уменьшается, достигая 0,1 % при 20 °С.

Из твёрдого раствора выделяется θ-фаза – СuАl₂, содержащая 54,1 % Сu. Она имеет объёмно центрированную тетрагональную кристаллическую решетку и обладает сравнительно высокой твёрдостью. В сплавах, дополнительно легированных магнием, образуется ещё ς-фаза (Аl₂СuМg) с ромбической кристаллической решеткой.

Рис. 6.7. Диаграмма состояния «Al – Cu»

Маркируются дуралюмины буквой «Д» и цифрой, означающей номер сплава, например: Д1, Д16, Д20 и т. д. Поставляются в виде сортового проката в отожженном и термически упрочненном состоянии. Упрочняющая термическая обработка состоит из закалки и естественного старения. При закалке дуралюмины охлаждают в воде при 40 °С. После закалки структура состоит из пересыщенного раствора и нерастворимых фаз, образуемых примесями. При естественном старении образуются зоны Гинье-Престона, богатые медью и магнием.

Зоны Гинье-Престона – это скопление атомов меди, неразрывно связанных с α-твёрдым раствором. Они значительно тормозят перемещение дислокаций, что и является причиной возрастания прочности при старении. Старение продолжается пять-семь суток. Длительность старения значительно сокращается при увеличении температуры до 40 °С и особенно до 100 °С. После закалки и искусственного старения сплавы обладают лучшей пластичностью и менее чувствительны к концентраторам напряжений. Искусственному старению (при 190 °С в течение 10 часов) подвергаются детали, используемые для работы при повышенных температурах (до 200 °С).

Кроме дуралюминов к термически упрочняемым деформируемым сплавам относятся следующие алюминиевые сплавы: ковочные (АК4-1, АК6, АК8 и т. д.), маркируемые буквами АК, и высокопрочные (В95, В96 и т. д.), маркируемые буквой В.

По химическому составу ковочные сплавы близки к дуралюминам, отличаясь от них более высоким содержанием кремния. Детали из ковочных сплавов подвергают закалке от 500–575 °С и старению при 150–165 °С в течение 6–15 часов.

Дополнительное легирование Ni, Fe, Ti повышает температуру рекристаллизации и жаропрочность этих сплавов до 300 °С, что позволяет использовать их при изготовлении поршней, лопаток, дисков осевых компрессоров турбореактивных двигателей и т. п.

Высокопрочные алюминиевые сплавы принадлежат к системе «Аl – Ζn – Мg – Сu» и содержат добавки марганца, хрома, циркония. Эти элементы увеличивают неустойчивость твердого расплава, ускоряют его распад и усиливают старение сплава. Наибольшее упрочнение вызывают закалка с температур 465–475 °С и старение при 140 °С в течение 16 часов. После такой обработки сплав В95 имеет σ_В = 569–600 МПа, δ = 9–12 %, 1500 НВ. Сплавы применяют для высоконагруженных деталей, конструкций, работающих в условиях напряжения сжатия.

Основные требования к литейным алюминиевым сплавам – сочетание хороших литейных свойств (высокой жидкотекучести, небольшой усадки, малой склонности к образованию горячих трещин и пористости) с оптимальными механическими и химическими (сопротивление коррозии) свойствами. К литейным относятся сплавы эвтектического состава на основе систем «Al – Si», «Al – Cu», «Al – Mg».

Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические сплавы на основе «Al – Si» (силумины) (рис. 6.8), например: АЛ2, АЛ4, АЛ9. Наиболее распространён сплав, содержащий 10–13 % Si (АЛ2), обладающий высокой коррозионной стойкостью, большой плотностью отливок. В структуре содержит эвтектику, состоящую из α-твёрдого раствора кремния в алюминии и кристаллов практически чистого кремния. Кремний при затвердевании эвтектики выделяется в виде грубых кристаллов игольчатой формы, которые играют роль внутренних надрезов в пластичном α-твёрдом растворе. Такая структура обладает низкими механическими свойствами.

Силумины обычно модифицируют натрием, который в виде хлористых и фтористых солей вводят в жидкий сплав в количестве 2–3 % от массы сплава. В этом случае в структуре сплава вместо избыточного кремния появляются кристаллы α-твёрдого раствора. Это приводит к увеличению пластичности и прочности.

Рис. 6.8. Диаграмма состояния системы «Al–Si»

Для легирования силуминов используют магний, медь, марганец, титан. Растворяясь в алюминии, они повышают прочность, твёрдость. Медь улучшает обрабатываемость резанием, титан оказывает модифицирующее действие. Медь и магний, обладая переменной растворимостью в алюминии, способствует упрочнению силуминов при термической обработке, состоящей из закалки и искусственного старения. Температура закалки различных силуминов находится в пределах 515–535 °С, температура старения – 150–180 °С.

Из легированных силуминов наибольшее применение имеют сплавы с добавками магния (АК7ч, где ч – содержание примесей 0,1–0,3 %), магния и марганца (АК9ч). Наибольшее упрочнение вызывает метастабильная β^’-фаза (Mg₂Si). Легированные силумины применяют для средних и крупных литых деталей ответственного назначения: корпусов компрессора, картеров, головок цилиндров.

Сплавы системы «Al – Cu» характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, хорошо обрабатываются резанием и свариваются, но (из-за отсутствия эвтектики) обладают плохими литейными свойствами. Сплавы склонны к хрупкому разрушению вследствие выделения по границам зерен грубых частиц θ-фазы: CuAl₂ и Al₇Cu₂Fe, поэтому их применяют в закалённом состоянии, когда эти соединения переведены в твёрдый раствор. Во время нагрева сплава под закалку наряду с растворением θ-фазы из твёрдого раствора выпадают мелкодисперсные частицы фазы Al₁₂Mn₂Cu, увеличивающие прочность при обычных и повышенных температурах. После закалки: σ_В = 320 МПа, σ_0,2 = 180 МПа, 800 НВ.

Сплавы системы «Al – Cu» используют для деталей, работающих при температурах до 300 °С. Так как эти сплавы малоустойчивы против коррозии, то отливки подвергают анодированию, химическому оксидированию и окраске.

Сплавы системы «Al – Mg» обладают высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, обрабатываются резанием и свариваются. Дополнительное легирование бериллием, титаном и цирконием вызывает измельчение зерна и затормаживание процесса естественного старения, приводящего к снижению пластичности и коррозионной стойкости. Термообработка состоит из закалки с охлаждением в масле (40–50 °С). Выдержка при температуре закалки составляет 12–20 часов, что обеспечивает растворение частиц Al₃Mg₂
в α-твёрдом растворе и получение однородного раствора. Добавление до 1,5 % Ѕi улучшает литейные свойства.

Сплавы системы «Al – Mg» применяют для изготовления деталей, работающих в условиях высокой влажности, в судо-, самолето- и ракетостроении.

7. Неметаллические материалы

Полимеры и пластмассы

Полимеры (от греческого polymeres – состоящий из многих частей, многообразный, от poly – много и meros – доля, часть) – соединения с высокой молекулярной массой, молекулы которых состоят из большого числа регулярно или нерегулярно повторяющихся групп атомов – звеньев.

Молекулы, состоящие из многочисленных элементарных звеньев (мономеров) одинакового химического состава и структуры, называются макромолекулами. Свойства вещества определяются не только химическим составом этих макромолекул, но и их взаимным расположением и строением. Поперечное сечение макромолекулы составляет, как правило, несколько нанометров, а длина достигает нескольких тысяч нанометров или нескольких микрометров, поэтому макромолекулы обладают хорошей гибкостью.

По форме макромолекул полимеры делят на линейные (цеповидные), разветвленные, плоские, ленточные (лестничные), пространственные или сетчатые (рис. 7.1). Полимеры с линейной структурой эластичны, при нагревании размягчаются, растворимы в органических растворителях. Полимеры с сетчатой структурой обладают наибольшей прочностью и теплостойкостью.

Рис. 7.1. Форма макромолекулы полимеров:

а – линейная; б – разветвленная; в – ленточная; г – пространственная, сетчатая;

д – паркетная

По фазовому состоянию полимеры подразделяют на аморфные и кристаллические. Аморфные полимеры однофазны и построены из цепных молекул, собранных в пачки (рис. 7.2). Пачка состоит из многих рядов макромолекул, расположенных последовательно друг за другом. Пачки способны перемещаться относительно соседних элементов, так как они являются структурными элементами.

В случае образования кристаллической структуры атомы соседних цепей расположены в правильном трехмерном порядке, образуя определенную пространственную решетку. Кристаллические участки полимера чередуются с аморфными, поэтому степень кристалличности в полимерах никогда не достигает 100 %, в отличие от металлов. Кристалличность сообщает полимеру большую жесткость и твердость, а также теплостойкость. При длительном хранении, эксплуатации и переработке надмолекулярные структуры могут претерпевать изменения.

Рис. 7.2. Схематичное строение пачки:

а – объединение макромолекул в пачки;
б – пачка с аморфным участком

По полярности полимеры подразделяют на полярные и неполярные. Полярность определяется наличием в их составе диполей – разобщенных центров распределения положительных и отрицательных зарядов.

Неполярные полимеры, например:

– полиэтилен, – фторопласт-4,

являются высококачественными диэлектриками, обладают хорошей морозостойкостью, но имеют небольшую прочность (σ_В = 20–45 МПа).

Полярные полимеры, например:

– поливинилхлорид,

жесткие, теплостойкие, прочные (σ_В = 100–200 МПа), но в отличие от неполярных неморозоустойчивые.

Все полимеры по отношению к нагреву подразделяют на термопластичные и термореактивные.

Термопластичные полимеры при нагреве размягчаются, даже плавятся, при охлаждении затвердевают; этот процесс обратим. Структура макромолекул таких полимеров линейная или разветвленная.

Термореактивные полимеры на первой стадии образования имеют линейную структуру и при нагреве размягчаются, затем вследствие протекания химических реакций затвердевают (образуется пространственная структура) и в дальнейшем остаются твердыми.

Для удобства изучения связи состава и структуры со свойствами полимеров их можно классифицировать по различным признакам (составу, форме макромолекул, фазовому состоянию, полярности, отношению к нагреву). По составу все полимеры подразделяют на органические, элементоорганические, неорганические.

Органическими полимерами являются смолы и каучуки. Элементоорганические соединения содержат в составе основной цепи неорганические атомы (Si, Тi, А1), сочетающиеся с органическими радикалами (СН₃, С₆Н₅, СН₂). Эти радикалы придают материалу прочность и эластичность, а неорганические атомы сообщают повышенную теплостойкость.

К неорганическим полимерам относятся силикатные стекла, керамика, слюда, асбест. В составе этих соединений углеродного скелета нет. Основу неорганических материалов составляют оксиды кремния, алюминия, магния, кальция и др.

Пластические массы (пластмассы, пластики) – материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные под влиянием нагревания и давления формоваться в изделия сложной конфигурации и затем устойчиво сохранять приданную форму.

Свойства пластмасс зависят от состава отдельных компонентов, их сочетания и количественного соотношения, что позволяет изменять характеристики пластиков в достаточно широких пределах.

В зависимости от числа компонентов все пластмассы подразделяются на простые и композиционные. Простые (полиэтилен, полистирол и т. д.) состоят из одного компонента – синтетической смолы; композиционные (фенопласты, аминопласты и др.) – из нескольких составляющих, каждая из которых выполняет определенную функциональную роль. В композиционных пластмассах смола является связующим для других составляющих. Свойства связующего во многом определяют физико-механические и технологические свойства пластмассы. Содержание связующего в пластмассах достигает 30–70 %.

Помимо связующего в состав композиционных пластмасс входят:

1) наполнители, повышающие механическую прочность, теплостойкость, уменьшающие усадки и снижающие стоимость композиции (древесная мука, целлюлоза, хлопчатобумажная ткань, бумага, древесный шпон, графит, асбест, кварц, стекловолокно, стеклоткань и др.);

2) пластификаторы, увеличивающие эластичность, текучесть, гибкость и уменьшающие хрупкость пластмасс (дибутилфталат, кастровое масло и др.);

3) смазочные вещества, увеличивающие текучесть, уменьшающие трение между частицами композиций, устраняющие прилипание к формообразующим поверхностям пресс-форм (стеарин, олеиновая кислота и др.);

4) катализаторы, ускоряющие процесс отверждения материала (известь, магнезия и др.);

5) красители, придающие цвет изготовляемым деталям (сурик, нигрозин
и др.);

6) газообразователи – вещества, которые распадаются при нагреве с выделением газообразных продуктов (для изготовления газонаполненных пластмасс).

По характеру связующего вещества пластмассы подразделяют на термопластичные (термопласты), получаемые на основе термопластичных полимеров, и термореактивные (реактопласты), получаемые на основе термореактивных смол.

Термопласты удобны для переработки в изделия, имеют незначительную (1–3 %) усадку при формовании. Материал отличается большой упругостью и малой хрупкостью. Обычно термопласты изготавливают без наполнителя. Но в последние годы стали применять термопласты с наполнителями в виде минеральных и синтетических волокон (органопласты). Реактопласты после отверждения и перехода связующего вещества в термостабильное состояние хрупки, часто дают большую усадку (до 10–15 %) при их переработке.

Особенностями пластмасс являются малая плотность, низкая теплопроводность, значительное тепловое расширение (в десять-тридцать раз больше, чем у стали), хорошие электроизоляционные свойства, высокая химическая стойкость, высокие фрикционные и антифрикционные свойства, меньшее количество отходов.

Недостатками пластмасс являются невысокая теплостойкость (максимальная температура эксплуатации термопластов – до 250 ºС, термореактивных пластмасс – до 400 ºС), низкие модуль упругости и ударная вязкость по сравнению с металлами и сплавами, склонность к старению, т. е. к изменению свойств с течением времени.

Механические свойства пластмасс зависят не только от их структуры, но и от физического состояния и температуры. Пластмассы могут находиться в трех физических состояниях: в стеклообразном, высокоэластичном и вязкотекучем.

При стеклообразном состоянии (твердом или аморфном) атомы, входящие в состав молекулярной цепи, совершают колебательные движения около положения равновесия; движения звеньев и перемещения макромолекул не происходит.

При высокоэластичном состоянии материал характеризуется способностью к большим обратимым изменениям формы при небольших нагревах за счет колебания звеньев и приобретения макромолекулой способности изгибаться.

Вязкотекучее состояние напоминает жидкое, но отличается очень большой вязкостью за счет подвижности всей макромолекулы.

Конструкционные пластмассы в зависимости от показателей механической прочности подразделяют на три основные группы: низкой, средней и высокой прочности.

Основными технологическими свойствами пластмасс являются текучесть, усадка, скорость отверждения (реактопластов) и термостабильность (термопластов).

Текучесть – способность материалов заполнять форму при определенных температуре и давлении, зависит от вида и содержания в материале смолы, наполнителя, пластификатора, смазочного материала, а также от конструктивных особенностей пресс-формы. Для ненаполненных термопластов за показатель текучести принимают «индекс расплава» – количество материала, выдавливаемого через сопло диаметром 2,095 мм при определенных температуре и давлении в единицу времени.

Под усадкой понимают абсолютное или относительное уменьшение размеров детали по сравнению с размером полости пресс-формы. В абсолютной величине усадки наибольшую долю составляет разность между температурными коэффициентами материала пресс-формы и материала детали. Величина усадки зависит от физико-химических свойств связующей смолы, количества и природы наполнителя, содержания в нем влаги и летучих веществ, температурного режима переработки и других факторов. Усадку необходимо учитывать при проектировании пресс-формы.

Продолжительность процесса перехода реактопластов из высокоэластичного или вязкотекучего состояния в состояние полной полимеризации определяет скорость отверждения. Скорость отверждения (полимеризации) зависит от свойств связующего (термореактивной смолы) и температуры переработки. Низкая скорость отверждения увеличивает время выдержки материала в пресс-форме под давлением и снижает производительность процесса. Повышенная скорость отверждения может вызвать преждевременную полимеризацию материала в пресс-форме, в результате чего отдельные участки формующей полости не будут заполнены пресс-материалом.

Под термостабильностью понимают время, в течение которого термопласт выдерживает определенную температуру без разложения. Высокую термостабильность имеют полиэтилен, полипропилен, полистирол и др. Переработка их в детали сравнительно проста. Для материалов с низкой термостабильностью (полиформальдегид, поливинилхлорид и др.) необходимо предусматривать меры, предотвращающие возможность разложения их в процессе переработки, например увеличение сечения литников, диаметра цилиндра и т. д.