Коррозионные свойства алюминия.
Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.
В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например, по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.
На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.
Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):
| Марка | СодержаниеAl | СодержаниеFe | Скорость коррозии |
| А7 | 99.7% | < 0.16% | 0.25 – 1.1 |
| А6 | 99.6% | < 0.25% | 1.2 – 1.6 |
| А0 | 99.0% | < 0.8% | 27 - 31 |
Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.
При температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.
Алюминий устойчив в следующих средах:
- промышленная атмосфера
- естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,
примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.
- морская вода
- концентрированная азотная кислота
- кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.
- слабые (до 10%) растворы серной кислоты,
- 100% серная кислота
- слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)
- борная кислота в любых концентрациях
- уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино
- раствор аммиака
Алюминий неустойчив в таких средах:
- разбавленная азотная кислота
- соляная кислота
- разбавленная серная кислота
- плавиковая и бромистоводородная кислота
- щавелевая, муравьиная кислота
- растворы едких щелочей
- вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.
Контактная коррозия
В контакте с большинством технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.
Механические свойства
Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм2 для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).
Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм2.
Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:
| Параметр | Ед. изм. | Деформированный | Отожженный |
| Предел текучести ?0.2 | кгс/мм2 | 8 - 12 | 4 - 8 |
| Предел прочности при растяжении ?в | кгс/мм2 | 13 - 16 | |
| Относительное удлинение при разрыве ? | % | 5 – 10 | 30 – 40 |
| Относительное сужение при разрыве | % | 50 - 60 | 70 - 90 |
| Предел прочности при срезе | кгс/мм2 | ||
| Твердость | НВ | 30 - 35 |
Приведенные показатели очень ориентировочны:
1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 – 25НВ, для А5 – 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 – 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм2, а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.
2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм2 для проволоки и 8 – 11 кгс/мм2 для труб.
Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм2) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.
Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С - 5 кгс/мм2, а при 200 С - 0.7 кгс/мм2. Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм2 соответственно.
Низкая температура плавления и температура начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.
Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до - 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.
Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.
Технологические свойства.
Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм), изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.
Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.
Обрабатываемость резанием очень низкая.
Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.
Свариваемость.
Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.
Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства.
Применение.
Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.
Материал.............Модуль упругости .........Предел текучести .............................Плотность
Алюминий......................10-11..............................11-59 (4-22 отожженный)..........168.5
Сталь..............................30............. ......................46-162...........................................490
Титан..........................15-16.5................................40-120...........................................280
Заметьте, что модуль упругости (жесткость) и удельный вес (вес) в значительной степени независим от качества, термообработки, или легирующих элементов материалов. Например, все стали, от "водопроводных труб", используемых в велосипедах "из универмага" до экзотических сплавов, используемых в многотысячедолларовых велосипедах, имеют модуль упругости 30, и удельный вес 490.
Любой, кто сообщает вам, что особенная марка стали (или алюминия, или титана) является "легче" или "жестче", чем другая марка или модель, травит байки. Однако, имеются реальные различия в напряжении текучести среди различного качества труб рам.
Эти величины модуля упругости показывают, что, если вы строили бы идентичные рамы из этих трех материалов, используя те же самые диаметры труб и толщины стенок, алюминиевая рама, была бы только на 1/3 столь же жесткой, как стальная, а титановая только наполовину.
Предел прочности показывает, что алюминиевая рама была бы значительно более слабая, в смысле более легко повреждаемая, чем рамы из титана или стали.
Величина удельного веса показывает, что алюминиевая рама весила бы только 1/3 от стальной рамы, в то время как рама из титана весила бы около половина веса от веса стальной.
Эти общие слова, однако, являются в основном бессмысленными, потому что никто не строит рамы из трех различных металлов с одинаковыми размерами труб!
Реальные велосипеды учитывают природу материала при выборе диаметра и толщины стенок каждой трубки, которая составляет раму. Жесткость главным образом связана с диаметром труб. Прочность главным образом связана с толщиной стенок, хотя диаметр также влияет на это. На вес влияют, и диаметр, и толщина стенок.
Изготовитель рам может принимать компромиссные решения, выбирая различные толщины стенок и диаметры труб, позволяя раме быть сделанной или жестче, или прочнее, или легче.
Тонкостенные трубы большого диаметра
Преимущества большего диаметра труб могут, теоретически, применяться к стальной конструкции (обычно такие трубы обозначают аббревиатурой Fat), но имеется практический предел. Вы могли бы строить стальную раму с трубами диаметром 2 дюйма, и это будет более жесткая рама, чем что-нибудь реально существующее, даже более жесткая, чем необходимо. Производя стенки труб достаточно тонкими, вы могли бы сделать их также очень, очень легким.
Почему же производители не делают этого? Здесь есть две причины:
• Чем более тонкие стены труб используются, тем тяжелее сделать хорошее соединение труб друг с другом. Это - одна из причин, почему получают трубы с более толстыми стенками около концов, где трубы соединяют вместе с другими трубами.
• Кроме того, если стены получаются слишком тонкими, они станут слишком легко вдавливаться, а также точки крепления для бутылок, ограничителей тросов, креплений переключателей и т.п. будут иметь недостаточную прочность.
Жесткость и качество езды
Жесткость рамы (или отсутствие ее) не имеет так много влияния на качество езды (накат рамы), как многие люди считают и уверяют вас. Давайте посмотрим на это с пары различных направлений:
Жесткость на кручение / изгиб
Это главным образом связано с напряжениями, произведенными силами, которые вы создаете от работы педалями. Любая рама будет гнуться относительно каретки в соответствии с нагрузкой на педалях. Этот изгиб может чувствоваться, и многие велосипедисты принимают это за трату энергии. Фактически, этого не происходит, потому что металлы, используемые в рамах велосипедов - очень эффективные пружины, и энергия возвращается в конце рабочего хода, так что очень немного или почти ничто в действительности не теряется. В то время как не имеется никакой фактической потери эффективности от гибких рам, большинство велосипедистов находит это ощущение неприятным, и предпочитает рамы, которые являются достаточно жесткими в области каретки и цепного привода. Это больше касается крупных, тяжелых велосипедистов, и тех, кто любит активно работать педалями, особенно на подъемах.
Другая область, где жесткость в поперечном направлении может быть проблемой, особенно велотуристу - задний треугольник, когда имеется груз на заднем багажнике. Рама, которая является слишком мягкой в этой области, будет чувствоваться гибкой и может быть склонной к опасным кол****иям при высоких скоростях педалирования. Большая часть этой гибкости - обычно заключается непосредственно в багажнике, но может иметься достаточно гибкости на верхних перьях задней вилки, чтобы ухудшить условия движения.
Вертикальная жесткость
Так как эта статья имеет дело с рамами, проблема - удар идущий от дороги, передаваемый с задней шины на седло. Качества поездки на руле до некоторой степени определены вилкой (особенно, если она амортизаторная), также как геометрией, и гибкостью в других болтовых соединениях, но не связаны с выбором материала рамы.
Многое из того, что обычно говорят относительно различных материалов рамы, касается предполагаемых различий в вертикальной жесткости. Говорится, что одна рама более комфортна при езде и поглощает дорожные удары, в то время как другая - жесткая и заставляет вас чувствовать каждую трещину в тротуаре. Фактически все эти "различия" являются или мнимым эффектом, или вызваны кое-чем другим чем выбор материала рамы.
Удары передаются от задней шины, через колесо, верхние перья задней вилки, подседельный штырь, раму седла, и обтяжку седла. Все эти части рассеивают удар в большей или меньшей степени, но не в равной степени.
Полимеры
Возможность использования пластика для того или иного производства во многом определяется свойствами полимеров: механическими, физическими и химическими. Основными механическими свойствами полимеров являются их удовлетворительная прочность, но при этом низкая жесткость в сравнении с металлами. Главные физические свойства полимеров: это низкая электропроводность и теплопроводность, низкое водопоглощение, а также возможность варировать свойства полимеров в широком диапазоне. Полимеры, их свойства и применение в разных отраслях дали возможность стать очень популярными, являются одним из самых востребованных материалов 21 века. Химические свойства полимеров - это прежде всего высокая химическая стойкость, однако некоторые из них способны под воздействием небольшого количества реагента резко изменить свои физические и механические свойства, например, при вулканизации каучука, дублении кожи и пр.
| Обозначение | Название | Плотность | Технологические характеристики | ||||
| Международное | Русское | г/см3 | Т эксп°С | Атмосф. стойкость | Т, °С | ||
| (23°С) | min | max | (УФ-излучение) | формы | переработки | ||
| ABS АБС | Акрилонитрил бутадиен стирол | 1.02-1.06 | -40 | Не стоек | 40-90 | 210-240 | |
| ABS+PA АБС + ПА | Смесь АБС-пластика и полиамида | 1.05 - 1.09 | -40 | Удовл. стойкость | 40-90 | 240-290 | |
| ABS+PC АБС + ПК | Смесь АБС-пластика и поликарбоната | 1.10 - 1.25 | -50 | Не стоек | 80-100 | 250-280 | |
| ACS АХС | Сополимер акрилонитрила | 1.06 - 1.07 | -35 | Хорошая стойкость | 50-60 | ||
| ASA АСА | Сополимер стирола и акрилонитрила | 1.06 - 1.10 | -25 | Хорошая стойкость | 50-85 | 210-240 | |
| CA АЦЭ | Ацетат целлюлозы | 1.26 - 1.30 | -35 | Хорошая стойкость | 40-70 | 180-210 | |
| CAB АБЦ | Ацетобутират целлюлозы | 1.16 - 1.21 | -40 | Хорошая стойкость | 40-70 | 180-220 | |
| CAP АПЦ | Ацетопропионат целлюлозы | 1.19 - 1.40 | -40 | Хорошая стойкость | 40-70 | 190-225 | |
| CP АПЦ | Ацетопропионат целлюлозы | 1.15 - 1.20 | -40 | Хорошая стойкость | 40-70 | 190-225 | |
| CPE ПХ | Полиэтилен хлорированный | 1.03 - 1.04 | -20 | Не стоек | 80-96 | 160-240 | |
| CPVC ХПВХ | Хлорированный поливинхлорид | 1.35 -1.50 | -25 | Не стоек | 90-100 | ||
| EEA СЭА | Сополимер этилена и этилен-акрилата | 0.92 - 0.93 | -50 | Не стоек | 205-315 | ||
| EVA СЭВ | Сополимер этилена и винилацетата | 0.92 - 0.96 | -60 | Не стоек | 24-40 | 120-180 | |
| FEP Ф-4МБ | Cополимер тетрафторэтилена | 2.12 - 2.17 | -250 | Высокая стойкость | 200-230 | 330-400 | |
| GPPS ПС | Полистирол общего назначения | 1.04 - 1.05 | -60 | Не стоек | 60-80 | ||
| HDPE ПЭНД | Полиэтилен высокой плотности | 0.94 - 0.97 | -80 | Не стоек | 35-65 | 180-240 | |
| HIPS УПС | Ударопрочный полистирол | 1.04 - 1.05 | -60 | Не стоек | 60-80 | ||
| HMWDPE ВМП | Высокомолекулярный полиэтилен | 0.93 - 0.95 | -269 | Удовл. стойкость | 40-70 | 130-140 | |
| In И | Иономер | 0.94 - 0.97 | -110 | Удовл. стойкость | 50-70 | 180-220 | |
| LCP ЖКП | Жидкокристаллические полимеры | 1.40 - 1.41 | -100 | Хорошая стойкость | 260-280 | 320-350 | |
| LDPE ПЭВД | Полиэтилен низкой плотности | 0.91 - 0.925 | -120 | Не стоек | 50-70 | 180-250 | |
| MABS АБС-прозрач. | Сополимер метилметакрилата | 1.07 - 1.11 | -40 | Не стоек | 40-90 | 210-240 | |
| MDPE ПЭСД | Полиэтилен среднего давления | 0.93-0.94 | -50 | Не стоек | 50-70 | 180-250 | |
| PA6 ПА6 | Полиамид 6 | 1.06 - 1.20 | -60 | Хорошая стойкость | 21-94 | 250-305 | |
| PA612 ПА612 | Полиамид612 | 1.04 - 1.07 | -120 | Хорошая стойкость | 30-80 | 250-305 | |
| PA66 ПА66 | Полиамид 66 | 1.06 - 1.19 | -40 | Хорошая стойкость | 21-94 | 315-371 | |
| PA66G30 ПА66Ст30% | Стеклонаполненный полиамид | 1.37 - 1.38 | -40 | Высокая стойкость | 30-85 | 260-310 | |
| PBT ПБТ | Полибутилентерефталат | 1.20 - 1.30 | -55 | Удовл. стойкость | 60-80 | 250-270 | |
| PC ПК | Поликарбонат | 1.19 - 1.20 | -100 | Не стоек | 80-110 | 250-340 | |
| PEC ПЭК | Полиэфиркарбонат | 1.22 - 1.26 | -40 | Хорошая стойкость | 75-105 | 240-320 | |
| PEI ПЭИ | Полиэфиримид | 1.27 - 1.37 | -60 | Высокая стойкость | 50-120 | 330-430 | |
| PES ПЭС | Полиэфирсульфон | 1.36 - 1.58 | -100 | Хорошая стойкость | 110-130 | 300-360 | |
| PET ПЭТ | Полиэтилентерефталат | 1.26 - 1.34 | -50 | Удовл. стойкость | 60-80 | 230-270 | |
| PMMA ПММА | Полиметилметакрилат | 1.14 - 1.19 | -70 | Хорошая стойкость | 70-110 | 160-290 | |
| POM ПОМ | Полиформальдегид | 1.33 - 1.52 | -60 | Хорошая стойкость | 75-90 | 155-185 | |
| PP ПП | Полипропилен | 0.92 - 1.24 | -60 | Хорошая стойкость | 40-60 | 200-280 | |
| PPO ПФО | Полифениленоксид | 1.04 - 1.08 | -40 | Удовл. стойкость | 120-150 | 340-350 | |
| PPS ПФС | Полифениленсульфид | 1.28 - 1.35 | -60 | Удовл. стойкость | 120-150 | 340-350 | |
| PPSU ПАСФ | Полифениленсульфон | 1.29 - 1.44 | -40 | Удовл. стойкость | 80-120 | 320-380 | |
| PS ПС | Полистирол | 1.04 - 1.1 | -60 | Не стоек | 60-80 | ||
| PVC ПВХ | Поливинилхлорид | 1.13 - 1.58 | -20 | Удовл. стойкость | 40-50 | 160-190 | |
| PVDF Ф-2М | Фторопласт-2М | 1.75 - 1.80 | -60 | Высокая стойкость | 60-90 | 180-260 | |
| SAN САН | Сополимер стирола и акрилонитрила | 1.07 - 1.08 | -70 | Высокая стойкость | 65-75 | 180-270 | |
| TPU ТЭП | Термопластичные полиуретены | 1.06 - 1.21 | -70 | Высокая стойкость | 38-40 | 160-190 |
Температура стеклования Tст и температура плавления
Tпл некоторых пластических полимерных материалов
Примечание. Ниже Tст пластмассы хрупки и тверды, между Tст и Tпл – гибки и податливы, вышеTпл они являются вязкими расплавами.
| Полимер | Tст, °С | Tпл, °С |
| Полиэтилен | –80 | |
| Полипропилен | –10 | |
| Полистирол | – | |
| Поливинилхлорид | ||
| Поливинилиденхлорид | –20 | |
| Полиметилметакрилат | – | |
| Полиакрилонитрил | ||
| Найлон-6 (капрон) | ||
| Найлон 66 | ||
| Полиэтилентерефталат | ||
| Полиформальдегид (полиоксиметилен, параформ) | –85 | |
| Полиэтиленоксид (полиоксиэтилен) | –67 | |
| Триацетат целлюлозы | ||
| Тефлон (политетрафторэтилен) | –113 |
В технической литературе часто попадаются международные сокращения обозначений полимеров. Если не уметь в них разбираться и распознавать пластики по обозначениям, то это может привести к сложностям в работе с материаламми. Чтобы избежать трудностей, нужно пользоваться специализированным справочником, в котором легко найти не только обозначение полимеров, но и различных материалов на их основе.