Алюминий при низких температурах

Конструкционный материал для низких температур

Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как –270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.

Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений.

Алюминий или сталь?

Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти стали.

Хорошим примером применения алюминиевых сплавов при низких температурах является изготовление сосудов давления, которые работают в интервале температур от -195   до 65 °С. Здесь применяют алюминиевые сплавы 5083 и 5456. У этих сплавов в интервале температуры от комнатной до –195 °С предел прочности при растяжении возрастает на 30-40 %, предел текучести – на 5-10 % и относительное удлинение – на 60-100 %.

Прочность при низких температурах

Алюминий и его сплавы, в отличие от сталей, не имеют порога хладноломкости. Напротив, их прочность со снижением температуры возрастает. Длительная выдержка при низких температурах не оказывает влияния на уровень прочностных свойств стабильных термически упрочненных алюминиевых сплавов как непосредственно при этих низких температурах, так и при возвращении к комнатной температуре.

Свежезакаленные термически упрочняемые сплавы могут поддерживаться в этом состоянии в течение длительного времени, если их хранить при низкой температуре для задержки процесса старения. Самолетные заклепки из сплавов AlCuMgSi (дюралюминов) подвергают нагреву под закалку при 495 °С в течение от 5 до 60 минут в зависимости размеров и количества заклепок, после чего они закаливаются в холодной воде. При комнатной температуре заклепки остаются пластичными в течение двух часов, при –5 °С это состояние сохраняется 45 часов, а при –15 °С – 150 часов!

Рост прочностных характеристик алюминиевых сплавов при снижении температуры почти не заметен до –15 °С, но начинает значительно увеличиваться ниже –100 °С. На рисунке показано поведение сплава 6061 в интервале температур от -250 °С до комнатной температуры.

Относительное удлинение

Относительное удлинение большинства алюминиевых сплавов также возрастает со снижением температуры вплоть до –196 °С. У некоторых сплавов Аl-Mg при содержании магния более 4,5 % со снижением температуры относительное удлинение сначала увеличивается, а затем снова снижается, но все равно остается выше, чем при комнатной температуре.

Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при низких температурах, являются сплавы 1100, 2014, 2024, 2090, 2219, 3003, 5083, 5456, 6061, 7005, 7039 и 7075. Их криогенные свойства и применение рассмотрены отдельно: Применение алюминиевых сплавов при низких температурах.

Источники:
1. Aluminum and Aluminium Alloys, AMS International, 1993.
2.  TALAT 1501.

Инженеру про алюминий

Наиболее привлекательным для инженеров физическим свойством алюминия является его плотность 2,7 г/см³, что составляет всего лишь треть от плотности сталей.

Рисунок 1 – Прочность на единицу плотности алюминия по сравнению с другими металлами и сплавами [2]

Коррозионная стойкость алюминия

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл. Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость
(и усталостную прочность) алюминиевых сплавов [2]

Температурное расширение алюминия

Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10^-6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей. Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.

Модуль упругости алюминия

Модуль упругости алюминия – 70000 МПа, только треть от модуля упругости сталей. Это влечет за собой существенные последствия для геометрии конструкции, так как прогибы балок, несущая способность колонн, т.е. их боковое выпучивание или местное выпучивание прямо зависят от модуля упругости.

Рисунок 3 – Прочность и модуль Юнга некоторых металлов [2]

Рисунок 4 -Диаграммы растяжения для низкоуглеродистой конструкционной стали (St52)
и алюминиевого сплава 6082-Т6 [2]

Жесткость алюминиевых профилей

Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их  жесткость. Если стальной профиль заменять на алюминиевый с сохранением его жесткости, то утолщать в три раза все стенки не совсем экономично, так как алюминий легче стали как раз в те же три раза. Однако облегчение конструкций за счет применения алюминия – это естественное стремление, как по физическим, так и по экономическим причинам.

При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 раза и получите поперечное сечение с моментом инерции почти в три раза больше. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % веса. При этом в некоторой степени компенсируется потеря жесткости в отношении бокового выпучивания. С учетом того, что часто стандартные стальные профили являются весьма не оптимальными, можно сэкономить и больше чем 50 % веса.  Это хорошо видно из рисунков 5 и 6.  Если нет ограничений по высоте, и боковое выпучивание не является конструкционным параметром, то можно сэкономить до 60 % веса. Если жесткость элемента не важна, а прочность стали близка к прочности алюминиевого сплава, то экономия может быть и до 70 %, но это уже окончательный предел возможной экономии веса.

 Рисунок 5

Рисунок 6 – Четыре балки, которые имеют одинаковый прогиб [2]

Это приводят ко второму важному моменту. Если момент инерции профиля увеличивается в три раза при увеличении высоты профиля только в 1,4 раза, то момент сопротивления сечения увеличится соответственно в 3:1,4=2,1 раза. Поэтому напряжения в алюминиевой балке по сравнению со стальной будут в два с лишним раза меньше. Теперь понятно, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за  высокопрочные алюминиевые сплавы, и почему менее легированные алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31) настолько популярны.

Нагрев алюминия

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева. До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести.

Рисунок 7 – Прочность на растяжение алюминиевого сплава 2014-Т6

при различных температурах испытания [2]

Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.

Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.

Сварка алюминиевых сплавов

Намного серьезней является потеря прочности алюминиевых сплавов при сварке. Здесь температура поднимается настолько высоко из-за локального плавления, что падение прочности вблизи сварного шва надо обязательно принимать во внимание. Термически не упрочняемые сплавы теряют всю свою прочность, полученную при нагартовке, и возвращаются к отожженному состоянию «О». Термически упрочняемые алюминиевые сплавы в состоянии Т6 теряют приблизительно 40 % их прочности (рисунок 8) за исключением сплава 7020, который теряет только 20 %. Все эти сплавы не доходят до состояния полного отжига, поскольку неизбежен определенный эффект закалки при охлаждении шва. Требования к прочностным характеристикам материала в  зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.

 

Рисунок 8 – Влияние нагрева при сварке на прочность
термически упрочненного алюминиевого сплава (6082-Т6) [2]

 Источники:

1. R. Gitter  Selection of structural alloys, Brussels 2008
2. TALAT 2204 – Design Philosophy

Алюминиевые сплавы при повышенных температурах

Предел прочности 

Прочность алюминиевых сплавов с увеличением температуры снижается, не считая, конечно,  эффекта искусственного старения. При этом длительность выдержки при повышенной температуре важна как для нагартованных алюминиевых сплавов, так и для термически упрочненных сплавов, но не оказывает никакого влияния на свойства алюминиевых сплавов в отожженном состоянии. На рисунке 1 представлены результаты испытаний на статическое растяжение образцов из термически упрочненного алюминиевого сплава 2014-Т6 (АК8) при различных температурах после выдержек различной длительности при тех же температурах. Длительность испытаний при повышенных температурах часто достигает 10000 часов, однако часто результаты испытаний интерполируют и за 10000 часов.

Рисунок 1

Прочность алюминиевых сплавов на срез, сжатие и смятие, а также усталостная прочность изменяются с температурой также как и прочность при растяжении. Обычно принимают, что отношения этих «прочностей» к прочности на растяжение постоянно. Восстановить прочность, которая снизилась из-за воздействия повышенной температуры, можно только термической обработкой или нагартовкой, что обычно не практично для готовых изделий.

Изменение предела прочности при растяжении алюминиевого сплава AlCu4MgSi (2014, АК8) при испытаниях при комнатной температуре после выдержки различной длительности при различных повышенных температурах показано на рисунке 2. После короткого воздействия высокой температуры или длительного воздействия умеренной температуры материал достигает сверхмягкого отожженного состояния и выходит на почти постоянный низкий предел прочности. 

Предел прочности дюралюминового сплава АК8
при повышенных температурах

Рисунок 2 

Модуль упругости

Модуль упругости алюминиевых сплавов также снижается с увеличением рабочей температуры. Однако в отличие от прочностных характеристик, которые стабилизируются при пониженных «отожженных» величинах, он возвращается к своему значению при комнатной температуре после окончания воздействия повышенной температуры (рисунок 3).   

 

Рисунок 3 

Источник: TALAT 1501

 

Свойства алюминия

Алюминий и его сплавы имеют малую плотность 2,64— 2,89 г/см³. Прочностные же свойства зависят от легирования, тер­мической обработки, степени деформирования и могут достигать высоких значений. По прочности многие алюминиевые сплавы не уступают конструкционным сталям.

Чистый алюминий (суммарное содержание примесей не более 0,05%) имеет гранецентрированную кубическую решетку с пара­метрами 4,04 А. Температура его плавления 659,8—660,2° С, температура кипения 1800—2500° С.

Для сплавов алюминия электропроводность составляет 30—50% электропроводности меди, а для чистого алюминия 62—65% электропроводности меди.

Алюминий окисляется с образованием окисной пленки Аl₂0₃, которая защищает его от дальнейшего окисления,Химический состав деформируемых и литейных алюминиевых сплавов по ГОСТам 4784—65 и 2685—63.

Из алюминиевых сплавов в основном изготовляют конструк­ции, работающие при сравнительно низких температурах не свыше 350° С. Так дуралюмин используют для работы при темпе­ратурах не более 200° С, сплавы типа В95 до 125° С, авиали до 80—100° С при длительной работе и до 200° С при кратковре­менной. Специальные сплавы САП (спеченный алюминиевый поро­шок) применяют и для работы при более высоких температурах. До температуры 100° С кратковременные механические свойства меняются мало. Обращает внимание высокое относительное удли­нение алюминиевых сплавов при низких температурах.

Характеристики длительной проч­ности термически не упрочняемых сплавов обычно ниже, чем тер­мически упрочняемых.

Длительные выдержки сплавов типа авиаль при температурах свыше 80—100° С приводят к их упрочнению и снижению пласти­ческих свойств. Исследованиями, проведенными авторами, уста­новлено, что относительное удлинение снижается при указанных условиях с 20—25% (исходное состояние после закалки и есте­ственного старения) до 1—2%. Подобное ухудшение свойств, при которых возможно хрупкое разрушение конструкций, яв­ляется существенным препятствием применения сплавов такого типа для работы при температурах выше 80° С.

Циклическая прочность 

Циклическая прочность деформируемых сплавов при симме­тричном изгибе на базе 5*10⁸циклов составляет 3,5 кГ/мм² для сплава А ДМ, 4,2—6,3 кГ/мм² для сплава АДН, 5—6,5 кГ/мм² для сплава АМцАМ, 15 кГ/мм² для сплава В95.

Области применения литейных сплавов различны. Сплавы группы I рекомендуют для литья в песчаные формы, кокиль и для литья под давлением. Сплав АЛ22 обычно применяют в закален­ном состоянии, а сплав АЛ23 и АЛ29 — в литом. Сплавы группы II имеют высокие литейные свойства благодаря наличию в сплавах двойной эвтектики, которая уменьшает также литейную усадку и склонность к образованию горячих трещин. Сплавы AЛ2, АЛ4 и АЛ9 обладают повышенной коррозионной стойкостью, поэтому их применяют для изделий, работающих во влажной и морской средах. С целью получения заданных механических свойств отливки подвергают термической обработке по различ­ным режимам.

Сплавы группы III обладают высокими механи­ческими свойствами, особенно пределом текучести и повышенной жаропрочностью. У этих сплавов пониженные литейные свойства и коррозионная стойкость, кроме того, они склонны к образова­нию горячих трещин. Для выполнения отливок сложной формы такие сплавы не рекомендуют. Сплав АЛ7 применяют для деталей, испытывающих средние нагрузки и температуры не свыше 200° С. Сплав АЛ 19 по сравнению с АЛ 17 имеет более высокую жаропроч­ность (в 2 раза), и применяют его для силовых деталей в условиях статических и ударных нагрузок при температурах до 300° С.

Сплавы группы IV применяют для всех способов литья. По ли­тейным свойствам они менее технологичны, чем сплавы II.

Сплавы группы V применяют для самых разнообразных дета­лей, работающих при высоких температурах. К этой группе относятся также самозакаливающиеся сплавы.

Механические свойства

Механические свойства всех вышеуказанных, литейных спла­вов зависят от режимов термической обработки, определяющей структурное и фазовое состояние сплавов.

Высокая коррозионная стойкость алюминия объясняется обра­зованием окисиой пленки Аl₂0₃. Коррозионная стойкость алю­миния зависит от влияния агрессивной среды на растворимость защитной окисной пленки, от чистоты обработки поверхности и режима термической обработки. Чистый алюминий обладает высокой стойкостью в сухом и влажном воздухе. В азотной кислоте концентрации 30—50% при увеличении температуры скорость коррозии алюминия возрастает. При концентрации азотной кис­лоты выше 80% коррозия резко снижается. Алюминий обладает высокой стойкостью в разбавленной серной кислоте и в концен­трированной при 20° С. Средние концентрации серной кислоты (более 40%) наиболее опасны для алюминия. При комнатных тем­пературах алюминий устойчив в фосфорной и уксусных кислотах. Такие, как муравьиная, щавелевая, трихлоруксусная и другие хлороорганические кислоты значительно разрушают алюминий. В растворах едких щелочей окисная пленка алюминия раство­ряется. Растворы углекислых солей калия и натрия оказывают меньшее влияние на скорость коррозии алюминия.

Алюминий при температурах до 300° С обладает хорошей стойкостью в жидких металлических средах, например, натрии.

Коррозионная стойкость алюминия в воде и водяном паре при повышенных температурах (выше 200° С) зависит от чистоты алюминия. Если происходит движение среды, то скорость корро­зии повышается в 10—60 раз.

Основными видами коррозии алюминиевых сплавов является межкристаллитная коррозия и коррозия под напряжением. Для повышения коррозионных свойств применяют защитные покрытия, такие, как плакирование, оксидные пленки, лакокрасочные по­крытия, смазки, хромовые или никель-хромовые гальванические покрытия.

Технология производства

Технология производства и термическая обработка могут оказывать существенное влияние на коррозионные свойства спла­вов. Сплавы АД, АД1, АМц, АМг2 и АМгЗ мало чувствительны к методам производства. Коррозионная стойкость сплавов АМг5, АМгб во многом зависит от методов производства. У этих сплавов при длительном нагреве на 60—70° С проявляется склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.

Сплавы Д1, Д18, Д16 и типа В95 имеют пониженную корро­зионную стойкость. Подобные сплавы применяют с соответствую­щей защитой от коррозии. Сплавы типа авиаль обладают высокой коррозионной стойкостью в воде высокой чистоты с до­бавлением углекислого газа при температурах до 100° С.

При изучении влияния облучения на некоторые характеристики алюминия установлено, что после облучения интегральным пото­ком 1,1 х 10¹⁹ нейтрон/см² при 80° С критическое напряжение сдвига увеличивается в 5 раз. При этом электросопротив­ление алюминия повышается на 30%. Влияние облучения на электрическое и критическое сопротивления сдвигу снимается при температуре около 60° С.

Из разработанных свариваемых, термически обрабатываемых, самозакаливающихся при сварке сплавов, наиболее характерны сплавы системы Аl—Zn—Mg. Однако, обладая удовлетвори­тельными прочностными свойствами, они склонны к коррозии под напряжением и замедленному разрушению. Такая склонность вызвана переходом от зонной к фазовой стадии старения даже при комнатных температурах эксплуатации сварных соединений. Поэтому сплавы системы Аl—Zn-Mg можно применять в усло­виях низких температур, исключающих переход к фазовому ста­рению при низком уровне сварочных напряжений. Содержание цинка и магния должно быть при этом минимальным.

Высокая стойкость 

К самозакаливающимся сплавам относится сплав 01911, по химическому составу он является среднелегированным сплавом системы Аl—Zn-Mg. Высокая стойкость против коррозии под напряжением обеспечивается суммарным содержанием цинка и магния до 6,5% и дополнительным введением марганца, хрома, меди и циркония. Причем медь ухудшает свариваемость сплава, поэтому для его сварки применяют проволоку марки 01557, аналогичную по химическому составу сплаву АМг5, но с добавкой циркония й хрома. Сплавы Д20 и АК8 достаточно прочны, но имеют низкую общую коррозионную стойкость. Они обладают высокой стойкостью против коррозии под напряжением и замедленного разрушения.

Перспективными являются спеченные сплавы. К числу жаро­стойких относятся сплавы типа САП, которые можно применять для конструкций, работающих при температурах до 400—500° С. САП содержит до 13% тугоплавкой окисной фазы, поэтому тем­пература плавления его очень высокая (2000° С).

Из сплавов САП-1 (6,0—9,0% А1₂0₃) и САП-2 (9,1 — 13,0% А1₂0₃) изготовляют такие же полуфабрикаты, как из алю­миниевых сплавов. Сплав САП-3 применяют только для прессо­ванных полуфабрикатов. Наибольшая масса прессованных полу­фабрикатов до 400 кг. Размеры изготовляемых листов 1000 X Х7000 мм при толщине от 0,8 до 10 мм.

Сплавы имеют высокие прочностные свойства. Так у сплава САП-1 при 20° С о_в = 35 кГ/мм², а у САП-3  40 кГ/мм². Подобными свойствами обладает сплав САС-1 (25—30% Si и 7% Nі), получаемый из распыленного порошка. Он износостоек, достаточно прочен (<т_а = 25,0-28,0 кГ/мм²), имеет коэффициент линейного расширения, близкий к стали, и высокий модуль упру­гости.

Сплавы САС-1 и САП не склонны к коррозии под напряжением и замедленным разрушениям. Сплав САП можно применять при сравнительно высоких температурах эксплуатации. При сварке этих сплавов обычно применяют присадочную проволоку марки АМг6.

Также по теме:

Алюминий. Описание, свойства, происхождение и применение металла

Кусок чистого алюминия

Алюминий — очень редкий минерал семейства меди-купалита подкласса металлов и интерметаллидов класса самородных элементов. Преимущественно в виде микроскопических выделений сплошного мелкозернистого строения. Может образовывать пластинчатые или чешуйчатые кристаллы до 1 мм., отмечены нитевидные кристаллы длиной до 0,5 мм. при толщине нитей несколько мкм. Лёгкий парамагнитный металл серебристо-белого цвета, легко поддающийся формовке, литью, механической обработке.

СТРУКТУРА

---

Кубическая гранецентрированная структура. 4 оранжевых атома

Кристаллическая решетка алюминия — гранецентрированный куб, которая устойчива при температуре от 4°К до точки плавления. В алюминии нет аллотропических превращений, т.е. его строение постоянно. Элементарная ячейка состоит из четырех атомов размером 4,049596×10^-10 м; при 25 °С атомный диаметр (кратчайшее расстояние между атомами в решетке) составляет 2,86×10^-10 м, а атомный объем 9,999×10^-6 м³/г-атом.
Примеси в алюминии незначительно влияют на величину параметра решетки. Алюминий обладает большой химической активностью, энергия образования его соединений с кислородом, серой и углеродом весьма велика. В ряду напряжений он находится среди наиболее электроотрицательных элементов, и его нормальный электродный потенциал равен -1,67 В. В обычных условиях, взаимодействуя с кислородом воздуха, алюминий покрыт тонкой (2-10^-5 см), но прочной пленкой оксида алюминия А1₂0₃, которая защищает от дальнейшего окисления, что обусловливает его высокую коррозионную стойкость. Однако при наличии в алюминии или окружающей среде Hg, Na, Mg, Ca, Si, Си и некоторых других элементов прочность оксидной пленки и ее защитные свойства резко снижаются.

СВОЙСТВА

---

Самородный алюминий. Поле зрения 5 x 4 мм. Азербайджан, Гобустанский район, Каспийское море, Хере-Зиря или остров Булла

Алюминий — мягкий, легкий, серебристо-белый металл с высокой тепло- и электропроводностью, парамагнетик. Температура плавления 660°C. К достоинствам алюминия и его сплавов следует отнести его малую плотность (2,7 г/см³), сравнительно высокие прочностные характеристики, хорошую тепло- и электропроводность, технологичность, высокую коррозионную стойкость. Совокупность этих свойств позволяет отнести алюминий к числу важнейших технических материалов. Он легко вытягивается в проволоку и прокатывается в тонкие листы. Алюминий химически активен (на воздухе покрывается защитной оксидной пленкой — оксидом алюминия.) надежно предохраняет металл от дальнейшего окисления. Но если порошок алюминия или алюминиевую фольгу сильно нагреть, то металл сгорает ослепительным пламенем, превращаясь в оксид алюминия. Алюминий растворяется даже в разбавленных соляной и серной кислотах, особенно при нагревании. А вот в сильно разбавленной и концентрированной холодной азотной кислоте алюминий не растворяется. При действии на алюминий водных растворов щелочей слой оксида растворяется, причем образуются алюминаты — соли, содержащие алюминий в составе аниона.

ЗАПАСЫ И ДОБЫЧА

---

Кусочки алюминия

По распространённости в земной коре Земли занимает 1-е место среди металлов и 3-е место среди элементов, уступая только кислороду и кремнию. Массовая концентрация алюминия в земной коре, по данным различных исследователей, оценивается от 7,45 до 8,14%.
Современный метод получения, процесс Холла—Эру был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру в 1886 году. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием расходуемых коксовых или графитовых анодных электродов. Такой метод получения требует очень больших затрат электроэнергии, и поэтому получил промышленное применение только в XX веке.

ПРОИСХОЖДЕНИЕ

---

Аллюминий, агрегированный с коркой байерита на поверхности. Узбекистан, Навойская область, Учкудук

Вследствие высокой химической активности он не встречается в чистом виде, а лишь в составе различных соединений. Так, например, известно множество руд, минералов, горных пород, в состав которых входит алюминий. Однако добывается он только из бокситов, содержание которых в природе не слишком велико. Самые распространенные вещества, содержащие рассматриваемый металл: полевые шпаты; бокситы; граниты; кремнезем; алюмосиликаты; базальты и прочие. В небольшом количестве алюминий обязательно входит в состав клеток живых организмов. Некоторые виды плаунов и морских обитателей способны накапливать этот элемент внутри своего организма в течение жизни.

ПРИМЕНЕНИЕ

---

Украшение из алюминия

Широко применяется как конструкционный материал. Основные достоинства алюминия в этом качестве — лёгкость, податливость штамповке, коррозионная стойкость. Электропроводность алюминия всего в 1,7 раза меньше, чем у меди, при этом алюминий приблизительно в 4 раза дешевле за килограмм, но, за счёт в 3,3 раза меньшей плотности, для получения равного сопротивления его нужно приблизительно в 2 раза меньше по весу. Поэтому он широко применяется в электротехнике для изготовления проводов, их экранирования и даже в микроэлектронике при напылении проводников на поверхности кристаллов микросхем.
Когда алюминий был очень дорог, из него делали разнообразные ювелирные изделия. Так, Наполеон III заказал алюминиевые пуговицы, а Менделееву в 1889 г. были подарены весы с чашами из золота и алюминия. Мода на ювелирные изделия из алюминия сразу прошла, когда появились новые технологии его получения, во много раз снизившие себестоимость. Сейчас алюминий иногда используют в производстве бижутерии.

---

Алюминий (англ. Aluminium) — Al

Молекулярный вес	26.98 г/моль
Происхождение названия	от латинского alumen
IMA статус	утверждён в 1978

КЛАССИФИКАЦИЯ

---

Hey’s CIM Ref1.21

Strunz (8-ое издание)	1/A.03-05
Nickel-Strunz (10-ое издание)	1.AA.05
Dana (7-ое издание)	1.1.22.1
Dana (8-ое издание)	1.1.1.5

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

---

Цвет минерала	серовато-белый, белый
Прозрачность	непрозрачный
Блеск	металлический
Спайность	нет
Твердость (шкала Мооса)	2-3
Прочность	ковкий
Плотность (измеренная)	2.7 г/см3
Радиоактивность (GRapi)	0

ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

---

Плеохроизмне плеохроирует

Тип	изотропный
Люминесценция в ультрафиолетовом излучении	не флюоресцентный
Магнетизм	парамагнетик

КРИСТАЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

---

Точечная группа	(4/m 3 2/m) — изометричная гексаоктаэдральная
Пространственная группа	F m3m, P m3m
Сингония	кубическая
Параметры ячейки	a = 4.04Å

Интересные статьи:

mineralpro.ru   26.07.2016  

Теплопроводность сплавов алюминия — технические характеристики.

Теплопроводность алюминия — это технический параметр, характеризующий свойства металла и сплавы на его основе. Значение этого показателя учитывается при формировании составов для изготовления литейных, деформируемых изделий, промышленного производства деталей и установок.

Характеристики теплопроводности учитываются при использовании его в производстве.

Характеристика теплопроводности материалов

Понятие теплопроводности материалов характеризуется способностью переносить тепловую энергию в пределах определенного объекта от нагретых частей к холодным. Процесс осуществляется атомами, молекулами, электронами и происходит в любых телах с неравномерным распределением температуры.

С позиций кинетической физики этот процесс происходит в результате взаимодействия частиц молекул более нагретых участков в пределах образца с другими элементами, отличающимися низшей температурой. Механизм и скорость переноса теплоты зависит от агрегатного состояния вещества.

Категория теплопроводности предусматривает определение скорости нагревания образца материала и перемещение температурной волны в определенном направлении. Показатель зависит от физических параметров:

• плотности;
• температуры фазового перехода в жидкое состояние
• скорости распространения звука (для диэлектриков).

Коэффициент теплопроводности равен количеству теплоты, которая проходит через единицу площади однородного материала за единицу времени при разнице температуры.

Физические свойства алюминия

Химический элемент алюминий имеет кубическую кристаллическую структуру. Его удельный вес при 20 °C составляет 2,7 г/см³, температура плавления – +657…+660,2 °C, скрытая теплота плавления – 94,6 °C.

Алюминий высокой чистоты кипит при +1800…+2060 °C. При нагревании увеличивается показатель удельной теплоемкости металла, проводимость тепла и коэффициент линейного расширения.

Электропроводность алюминия возрастает с понижением температуры: при 189 °C составляет 156 ед., а при 400 °C – 12,5.

Среди химических элементов алюминий отличается высокой активностью. Он легко реагирует с кислородом, образуя плотную окисную пленку, предохраняющую металл от дальнейшего влияния среды.

Свойства сплавов определяются входящими в его состав элементами.

По мере повышения температуры в металле растворяется водород, повышающий пористость материала. Примеси щелочных химических элементов (калия, натрия, кальция), кремния, магния способствуют резкому увеличению пористости алюминия.

Добавки меди, ниобия, никеля, марганца, железа, хрома, ванадия, циркония создают однородную структуру при остывании расплавленного материала. Влияние лигатурных добавок других компонентов на физические свойства металла и его сплавы учитывается в технологии литья изделий.

Наличие дополнительных материалов изменяет показатель проводимости тепла состава и температуру плавления. Например, при обычных условиях формирования алюминиевых сплавов сера и ее соединения уходят в шлак, не оказывая вредного влияния на свойства состава.

Такое же воздействие имеют фосфор, углерод, азот. Они не изменяют механические свойства сплава. Для производства литейных изделий из-за пониженной прочности чистый алюминий применяется редко.

Коррозионная стойкость металла тем выше, чем ниже в нем содержание примесей железа и кремния. Но их наличие несколько повышает прочность материала, снижая при этом пластичность и электропроводность.

Технические характеристики некоторых сплавов на основе алюминия

По технологическим особенностям сплавы подразделяются на основные группы:

• литейные — обладают повышенными литейными технологическими свойствами;
• деформируемые — легко поддаются обработке под давлением.

Например, создание алюминиевой конструкции, используемой в строительстве, требует особого вида сплава с повышенной прочностью, выдерживающего давление и нагрузку.

В зависимости от назначения составов на основе алюминия при их формировании руководствуются нормами и правилами, учитывающими:

• проводимость тепла материалом;
• точку перехода из расплава в твердое состояние;
• наличие лигатурных компонентов, влияющих на технические параметры состава и повышающих прочность.

Соотношение основного компонента к добавкам влияет на показатель проводимости тепла сплава, учитывающегося при изготовлении радиаторов и других видов изделий, предназначенных для монтажа тепловых коммуникаций.

Сводные данные о проводимости тепла алюминиевых сплавов собраны в специальных справочниках. В них приводятся значения распространенных сплавов металла с кремнием, магнием, медью, цинком, дюралюминия. Имеются характеристики литейных сплавов при различных температурах с указанием теплофизических свойств состава. Основными считаются показатели:

• плотности;
• коэффициента теплопроводности;
• коэффициента линейного теплового расширения;
• температуры изменения прочности;
• коррозионной устойчивости на воздухе;
• удельного электрического сопротивления.

Анализ данных свидетельствует о зависимости коэффициента теплопроводности от роста температуры и состава материала. Низкая теплопроводность свойственна в основном литейным составам на основе алюминия с маркировками АК4, АЛ1, АЛ8.

Наиболее высокой плотностью обладают составы основного компонента с кремнием, цинком. Из легких материалов наиболее плотным является состав, содержащий магний. Содержание меди в материале повышает его прочность и устойчивость к коррозии.

Самые плотные сплавы с цинком и магнием

Чем выше содержание в составе на основе алюминия, тем больше его теплопроводность, которая увеличивается при нагревании материала. Наличие лития в составе сплава приводит к уменьшению значения коэффициента теплопроводности.

Удельная теплоемкость сплава с содержанием магния и кремния увеличивается при нагревании. Среди алюминиевых сплавов системы Al-Cu-Mn наиболее теплопроводным является деформируемый состав Д20.

Он содержит в незначительных количествах (0,05–7%) примеси железа, кремния, марганца, титана, циркония, магния, цинка и 91–93,5% алюминия и предназначен для изготовления сварных изделий, работающих при комнатных или кратковременно повышенных температурах.

 

Отжиг алюминия

Под отжигом алюминия и алюминиевых сплавов обычно понимают полный отжиг, в отличие от частичного отжига, отжига для снятия деформационного упрочнения или отжига в контролируемой атмосфере.

Полный отжиг алюминия и алюминиевых сплавов

После полного отжига все алюминиевые сплавы – как термически упрочняемые, так термически не упрочняемые – получают состояние, которое является самым мягким, самым пластичным и наиболее благоприятным для пластической деформации.

Международное обозначение этого состояния буква «О». Иногда эту букву «О» путают с цифрой «0». 

В отечественных стандартах на алюминиевую продукцию есть состояние просто «отжига» и  это состояние обозначают буквой «М». По смыслу и по механическим свойствам сплавов в этом состоянии этот «просто» отжиг является именно полным отжигом, как его понимают в международных стандартах.

Температура отжига

Снижение или полное снятие деформационного упрочнения от холодной пластической деформации (нагартовки или наклепа) достигается при нагреве до температуры от 260 до 440 °С. Это справедливо как для термически упрочняемых, так и для термически не упрочняемых алюминиевых сплавов. 

Скорость разупрочнения нагартованного материала сильно зависит от  температуры. Поэтому время, которое требуется для полного отжига данного алюминиевого сплава с данной степенью нагартовки, может различаться от нескольких часов при низких температурах до нескольких секунд при высоких температурах.      

Какова цель отжига – такова температура отжига

Если целью отжига является просто снятие деформационного наклепа, то нагрева до температуры около 345 °С будет вполне достаточно. Если же необходимо удалить упрочнение от термической обработки или даже просто от охлаждения с температуры горячей обработки, то нужна специальная термическая обработка для получения структуры с выделением упрочняющей фазы в виде крупных  и отдельно стоящих частиц. Такой термической обработкой и является полный отжиг: выдержка при температуре от 415 до 440 °С и медленное охлаждение со скоростью около 30 °С в час до 260 °С.

Высокие скорости диффузии легирующих элементов в алюминии, которые характерны для такой высокой температуры, длительность выдержки и медленное охлаждение обеспечивают максимальную коалесценцию (укрупнение) частиц упрочняющей фазы, что и дает в результате материалу – алюминиевому сплаву –  минимальную твердость.

Выдержка отжига и охлаждение после отжига

При отжиге важно обеспечить, чтобы заданная температура была достигнута во всех частях садки и во всех точках каждого изделия. Поэтому обычно назначают длительность выдержки при температуре отжига не менее 1 часа. Максимальная температура отжига является умеренно критической: рекомендуется не превышать температуру 415 °С из-за возможного окисления и роста зерна. Скорость нагрева может быть критической, например, для сплава 3003, который обычно требует быстрого нагрева для предотвращения роста зерна. Относительно медленное охлаждение на спокойном воздухе или с печью рекомендуется для всех сплавов для минимизации коробления.

Типичные параметры полного отжига для некоторых алюминиевых сплавов представлены ниже.

Параметры полного отжига для снятия деформационного упрочнения

Алюминиевые сплавы

1060, 1100, 1350
3003, 3004, 3105
5005, 5050, 5052, 5083, 5086, 5154, 5182, 5254, 5454, 5456, 5457, 5652
7005
Применяется также для термически упрочняемых сплавов, если целью отжига является только снятие деформационного упрочнения или частичный отжиг.

Температура отжига

345 °С

Длительность выдержки при температуре отжига

Около 1 часа. Длительность пребывания в печи должна быть не более, чем это необходимо, что довести бы все части садки до температуры отжига.

Охлаждение после отжига

Скорость охлаждения после отжига не имеет значения.

Параметры полного отжига для снятия термического упрочнения  

Алюминиевые сплавы

2014, 2017, 2024, 2036, 2117, 2124, 2219
6005, 6061, 6060, 6063, 6066
7079, 7050, 7075, 7079, 7178, 7475

Температура отжига

415 °С

Длительность выдержки при температуре отжига

От 2 до 3 часов

Охлаждение после отжига

Охлаждение со скоростью около 30 °С в час от температуры отжига до 260 °С. Скорость последующего охлаждения не имеет значения.

Источник: Aluminum and Aluminum Alloys, AMS International, 1993. 

Насколько жарко для алюминия?

Q: Я строю систему трубопроводов низкого давления из 6061-T6 и газо-вольфрамовой дуговой сварки (GTAW) для заказчика, который разработал систему. Он будет работать при установившейся температуре от 300 до 400 градусов по Фаренгейту, но будет подниматься до 600 градусов по Фаренгейту. Какой наполнитель мне следует использовать? Кто-то порекомендовал мне избегать 5356. Вы можете объяснить, почему?

A: На самом деле здесь есть два вопроса — один, который вы задали, и тот, который вы не задавали.Итак, давайте сначала ответим на ваш вопрос. Прав тот, кто посоветовал не использовать наполнитель 5356. Это связано с тем, что любой алюминиевый сплав, содержащий более 3 процентов магния, как 5356, может стать чувствительным к коррозионному растрескиванию под напряжением после длительного воздействия температур выше 150 градусов по Фаренгейту, что довольно мало. Поскольку могут возникнуть значительные проблемы с растрескиванием, не следует использовать ни 5356, ни 5183, ни 5556, если ожидается длительное превышение температуры. Поэтому, хотя это может показаться нелогичным, ответ на ваш вопрос заключается в том, что 4043 — правильный выбор для этого приложения.

Теперь к вопросу, который вы не задавали, а именно: стоит ли использовать алюминий при рабочих температурах 400 градусов по Фаренгейту (или, что еще хуже, 600 градусов). Даже если максимальная температура составляет 400 градусов, ответ, вероятно, нет. Как и сталь, алюминиевые сплавы становятся слабее при повышении температуры эксплуатации. Но алюминий плавится всего при температуре около 1260 градусов, поэтому он теряет примерно половину своей прочности к тому времени, когда достигает 600 градусов.

Это означает, что прочность сварного шва 6061-T6, которая составляет 25 KSI при комнатной температуре, составляет только половину от этой прочности (12 KSI) при 600 градусах.Даже при температуре всего 350 градусов его прочность составляет всего 17–18 KSI. В большинстве нормативов не указаны допустимые напряжения для алюминиевых сплавов при рабочих температурах выше 350 градусов. Таким образом, алюминиевые сосуды высокого давления и трубопроводные системы обычно ограничены максимальной рабочей температурой 350 градусов. Пытаться использовать алюминий при температуре эксплуатации 600 градусов, вероятно, очень плохая идея.

Я знаю, что некоторые из вас, читающие это, вероятно, будут оспаривать это, учитывая, что мы используем алюминиевые сплавы для головок цилиндров и блоков цилиндров, в которых камера сгорания нагревается намного выше 350 градусов.Хотя это правда, это не означает, что вся голова или блок сильно нагреваются. Помните, что охлаждающая вода постоянно течет в головках и блоке, поддерживая рабочую температуру на уровне 200 градусов или ниже для основной части материала. Только очень тонкий слой алюминия непосредственно вокруг камеры сгорания подвергается воздействию высоких температур, тогда как основная часть алюминия остается при довольно низких температурах.

.

Что такое анодированный алюминий? (с иллюстрациями)

Многие металлы, но не алюминий, структурно ослабляются в процессе окисления. На самом деле алюминий можно сделать более прочным и долговечным с помощью процесса, называемого «анодированием». Анодирование включает помещение листа алюминия в ванну с химической кислотой, довольно часто в лабораторных экспериментах с ацетоном. Лист алюминия становится положительным анодом химической батареи, а кислотная ванна становится отрицательной.Электрический ток проходит через кислоту, вызывая окисление поверхности алюминия (по сути, ржавчину). Окисленный алюминий образует прочное покрытие, заменяя оригинальный алюминий на поверхности. В результате получается чрезвычайно твердое вещество, называемое анодированным алюминием.

Карбайнер из анодированного алюминия.

Анодированный алюминий может быть почти таким же твердым, как алмаз при правильном процессе анодирования. Во многих современных зданиях используется анодированный алюминий в местах, где металлический каркас подвергается воздействию элементов. Анодированный алюминий также является популярным материалом для изготовления высококачественной посуды, такой как сковороды и кастрюли.Тепло равномерно распределяется по анодированному алюминию, а процесс анодирования обеспечивает естественную защитную поверхность. Можно использовать другой процесс гальваники, чтобы анодированный алюминий выглядел как медь, латунь или другие металлы. Для окраски анодированного алюминия в декоративных целях также можно использовать специальные красители.

Анодированная плита для приготовления эспрессо.

Благодаря своей прочности и долговечности анодированный алюминий также используется в ряде других областей применения. Многие спутники, вращающиеся вокруг Земли, защищены от космического мусора слоями анодированного алюминия.Автомобильная промышленность в значительной степени полагается на анодированный алюминий для облицовки и защитных кожухов открытых частей. Дизайнеры мебели часто используют анодированный алюминий в качестве каркаса для уличных предметов, а также в качестве основного металла для ламп и других декоративных элементов. Современные бытовые приборы и компьютерные системы могут использовать анодированный алюминий в качестве защитного корпуса.

Анодированный алюминий может не подходить для всех областей применения из-за его непроводящей природы.В отличие от других металлов, таких как железо, процесс окисления не ослабляет алюминий. Слой «алюминиевой ржавчины» по-прежнему является частью исходного алюминия и не переносится на пищу и не отслаивается под нагрузкой. Это делает его особенно популярным в сфере общественного питания и в промышленности, где надежность имеет решающее значение.

Листовой алюминий анодирован для защиты от коррозии..

Charpy V-образный надрез — почему не алюминий?

Q: Во многих случаях, когда я квалифицирую спецификации процедуры сварки (WPS) для стали, от меня требуется провести испытания образцов с V-образным надрезом по Шарпи (CVN), но мне никогда не требуется тестировать образцы по Шарпи для процедур сварки алюминия. . Почему нет?

A: Образцы с V-образным надрезом по Шарпи используются для определения ударной вязкости материала, то есть, является ли материал пластичным или хрупким при наличии надреза.Это делается путем взятия стандартного образца с вырезанной на нем выемки, ударов по образцу таким образом, чтобы острие выемки находилось в напряжении, и измерения энергии, поглощенной для разрушения образца. Пластичные образцы поглощают много энергии. Хрупкие образцы поглощают мало энергии. В зависимости от используемого присадочного сплава, деталей процедуры сварки и температуры испытаний стали могут проявлять пластичность или хрупкость. Излишне говорить, что хрупкое поведение нежелательно, и тест CVN пытается отсеять WPS, которые могут привести к хрупкому поведению.

Все стали являются ферритными, объемно-центрированными, кубическими. Хотя они будут пластично разрушаться при комнатной температуре, при понижении температуры вы в конечном итоге достигнете температуры (фактически узкого диапазона температур), при которой поведение разрушения становится хрупким. Это называется температурой перехода из пластичного в хрупкое состояние (DBTT). DBTT отличается для каждого типа стали. В общем, DBTT становится ниже (это хорошо) по мере добавления в сталь сплавов, таких как Ni, Cr и V, и улучшения микроструктуры.

Алюминий бывает другим. Как гранецентрированный кубический материал он не имеет DBTT. При понижении температуры алюминий становится прочнее, но остается пластичным. Фактически, алюминиевые сплавы пластичны даже при температурах жидкого гелия (-425 градусов по Фаренгейту). Вот почему алюминиевые сплавы так часто используются при изготовлении криогенного оборудования. Работы по определению ударной вязкости алюминиевых сплавов и сварных швов алюминия проводились в 1950-1960-х годах. С тех пор ни один производственный кодекс не требует, чтобы образцы по Шарпи выполнялись на алюминиевых сплавах или сварных швах алюминия.

Фактически, испытания по Шарпи не только неактуальны, но также могут вводить в заблуждение для алюминиевых сплавов и сварных швов. Из-за подробностей теста Шарпи тесты на алюминии обычно показывают очень низкие значения. Это не означает, что алюминий является хрупким, только то, что тест не проходит с алюминием. Для алюминиевых сплавов и сварных швов существует стандартный тест на ударную вязкость. Это называется слезоточивым тестом Кана. Его использование и интерпретация задокументированы в спецификации ASTM B871.

.

Получение обозначения T6 для 6061

В: Не могли бы вы рассказать, какие этапы термообработки необходимы для производства 6061-T6? Я слышал, что термическая обработка после сварки повысит его механические свойства.

A: Давайте сначала опишем, что происходит при термообработке сплавов 2XXX, 6XXX или 7XXX. Все эти сплавы подвергаются термообработке методом дисперсионного твердения. Это включает два этапа: термообработку на твердый раствор и старение.

Термическая обработка в растворе выполняется путем повышения температуры сплава примерно до 980 градусов по Фаренгейту и выдерживания ее там примерно в течение часа. Целью этого является растворение всех легирующих элементов в твердом растворе алюминия. Затем закаливаем сплав в воде. На самом деле цель закалки состоит не в том, чтобы упрочнить сплав, хотя она в некоторой степени делает; достаточно быстро охладить, чтобы предотвратить легирующие элементы от осаждения при охлаждении.

Итак, у нас есть твердый раствор магния, кремния и других элементов в алюминии при комнатной температуре.Это называется темпераментом Т4. Если мы возьмем этот материал и термически обработаем его при температуре от 325 до 400 градусов по Фаренгейту, легирующие элементы начнут образовывать упорядоченные массивы атомов в алюминиевой матрице. Эти массивы называются зонами GP, и они значительно усиливают алюминий. это термическая обработка называется старением, в результате чего получается материал со статусом T6.

Для старения используются три обычно используемых цикла время / температура — один час при 400 градусах F; пять часов при 350 градусах по Фаренгейту; и восемь часов при 325 градусах F.Все одинаково эффективны.

Вопрос, однако, в том, сможете ли вы сделать это самостоятельно. Нет никаких сомнений в том, что результатом будут свойства 6061-T6, если вы все сделаете правильно. Основная трудность заключается в том, что деталь обычно сильно деформируется при закалке и требует значительной механической правки перед старением. Часто это очень сложно или даже невозможно, особенно при сварке больших размеров. Вот почему большинство люди используют 6061-T6 в состоянии после сварки.

Кроме того, для 6061 часто встречаются обозначения T3 и T5.Кто они такие? Чтобы считаться Т4, алюминиевая пластина (или экструзия и т. Д.) Должна быть изготовлена, охлаждена, а затем обработана раствором и закалена. Однако производители алюминия закаливают экструзионные профили прямо из пресса, пока они еще горячие. Технически это производит материал Т3, а не Т4. Если вы стареете материал T3, вы получите материал Т5, а не Т6. Просто помните, что для наших целей материалы T3 и T4 такие же, как и материалы T5 и T6.

.