Алюминий и его сплавы - раздел Образование, МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Алюминий И Его Сплавы Относятся К Группе Материалов С Малой Плотностью И Высо...
Алюминий и его сплавы относятся к группе материалов с малой плотностью и высокой удельной прочностью и жесткостью. К этой же группе относятся Mg, Be, Ti и их сплавы, а также композиционные материалы. Их применение позволяет снизить массу изделий при одновременном повышении их прочности и жесткости.
Алюминий обладает малой плотностью, хорошей теплопроводностью и электрической проводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все названные свойства алюминия. В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999, где цифра показывает процентное содержание алюминия после запятой (99,999% Al, примесей 0,001%); высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (примесей от 0,005 до 0,05%); и технической чистоты А85, А8 (примесей от 0,15 до 1%). Технический алюминий, выпускаемый в виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и другие.), маркируют АД0, АД1. С увеличением содержания примесей и после пластической деформации прочность алюминия повышается, а пластичность падает. Например, для алюминия А999: sв = 50 МПа; d = 45%, а для марки А0 (1% примесей) - sв = 90МПа; d = 25%.
Алюминий особой и высокой чистоты применяют для изготовления оксидных конденсаторов, химической посуды, в микроэлектронике, для изготовления фольги, поверхностей с высокой отражающей способностью, и другие. Алюминий высокой и технической чистоты применяют для изготовления проводов, труб, изготовления порошков, каркасов потенциометров и других ненагруженных или слабо нагруженных деталей и элементов конструкций: короткозамкнутых обмоток электродвигателей, стрелок и циферблатов приборов, рамок, заклепок. Но алюминий (как и его многие сплавы) подвержен электролитической коррозии в соединении с другими металлами, пайка его затруднена. Он плохо обрабатывается резанием.
Сплавы алюминия характеризуются высокой удельной прочностью, способностью работать в условиях знакопеременных нагрузок, хорошими технологическими свойствами. Временное сопротивление у отдельных сплавов достигает значений s = 500…700МПа, а удельная прочность близка к удельной прочности высоколегированных сталей. Большинство алюминиевых сплавов имеет хорошую коррозионную стойкость (за исключением сплавов с медью), высокую тепло- и электропроводность, обрабатываются давлением, свариваются точечной сваркой, в основном хорошо обрабатываются резанием.
В зависимости от химического состава по основному легирующему элементу алюминиевые сплавы делятся на пять групп: Al+Mg; Al+Si; Al+Cu; Al+Si+Cu; Al + некоторые из названных и другие элементы (Mn, Zn, Ni, Ti и другие). Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной растворимости и промежуточные фазы. Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке, состоящей из закалки на пересыщенный твердый раствор (повышается растворимость легирующих элементов) и естественного или искусственного старения (происходит рекристаллизация и образование вторичных фаз и упрочнение сплава). Алюминиевые сплавы подразделяют, поэтому, на неупрочняемые (нестареющие) и упрочняемые (стареющие).
По технологии изготовления алюминиевые сплавы подразделяют на деформируемые, литейные и порошковые.
К деформируемым сплавам, неупрочняемым термической обработкой, относятся алюминиевые сплавы АМц и АМг. Они отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью. Имеют сравнительно низкую прочность sв = 130…340МПа, которая может быть повышена пластическим деформированием. Сплавы АМг, АМц применяют для изделий, получаемых глубокой вытяжкой, сваркой, при требовании высокой коррозионной стойкости: ротора электродвигателей с полым ротором, сложные шасси приборов и устройств, заклепок, трубопроводов, сварных емкостей и других.
К деформируемым сплавам, упрочненнымтермической обработкой, относятся сплавы системы Al-Cu-Mg. Они характеризуются хорошим сочетанием прочности и пластичности. К ним относятся дюралюминий (маркируются буквой Д), ковочные алюминиевые сплавы (маркируются буквами АК), высокопрочные алюминиевые сплавы (маркируются буквой В). Механические характеристики этих сплавов зависят не только от марки сплава (например, Д1 или Д16; В95 или В96; АК6 или АК8), но и от вида полуфабриката: лист, пруток, прессованный пруток, проволока– подробнее смотри [1,2,4,6 ]. Отметим, что предел прочности этих сплавов алюминия изменяется в пределах sв ~ 300…600МПа; предел текучести s0,2 » 170…560МПа; напряжения предела выносливости s-1 » 100…150МПа. Старение может быть как искусственное, так и естественное (длительностью от 10 часов до 5…7 суток). При искусственном старении в течение первых 20…60 минут после старения сплавы сохраняют высокую пластичность и низкую твердость. Это позволяет проводить такие технологические операции, как клепка, гибка, правка и другие.
Ковочные алюминиевые сплавы (АК6, АК8 и другие) содержат, в сравнении со сплавами дюралюминия, несколько больше Si, и обладают хорошей пластичностью, стойки к образованию трещин при горячей пластической деформации. Их используют для средненагруженных деталей сложной формы: крыльчатки, крепежные детали.
Высокопрочные сплавы типа В95 отличаются по химическому составу от дюралюминия добавкой цинка (система Al+Zn+Mg+Cu), что повышает его временное сопротивление sв до 600…700 МПа и близким к нему по значению пределом текучести. Деформируемые стареющие плакированные сплавы алюминия типа Д1А, Д16А применяют для изготовления корпусов, рам, кронштейнов приборов методами штамповки, плоских и гнутых деталей, и очень широко – в самолетостроении.
Литейные алюминиевые сплавы отличаются от деформируемых большим количеством компонентов сплава. Наилучшими литейными свойствами обладают сплавы на основе Al-Si – силумины. Высокая жидкотекучесть, малая усадка, низкая склонность к образованию горячих трещин и хорошая герметичность силуминов объясняются наличием большого количества эвтектики в структуре этих сплавов.
Литейные алюминиевые сплавы по механическим свойствам уступают деформируемым сплавам: sв » 130…360 МПа, s0,2 » 20…250 МПа, s-1 ~ 40…70 МПа, d ~ 2…10%. Некоторые марки двойных сплавов для повышения механических свойств модифицируют натрием для измельчения структуры. Маркируются силумины буквами АК, например АК12, АК9, АК8М (легирование медью до 1…1,5%) по ГОСТ 1583-83Е. Индекс в марке сплава «ч» или «пч» указывает на снижение содержания примесей в сплаве до 0,1…0,3% (чистый сплав «ч»), или до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты - «пч»), например АК9пч.
Сплавы системы Al-Cu (АМ4,5; АМ5) характеризуются высокой прочностью при обычных и повышенных температурах, хорошо обрабатывается резанием и свариваются, но имеют худшие литейные свойства и низкую герметичность в сравнении с силуминами. Улучшение литейных и механических свойств сплавов системы Al-Cu получают легированием титаном и марганцем (сплав АМ5). Применяют литейные алюминиевые сплавы для изготовления различных деталей приборов: корпуса, рамы, кронштейны, маховики, рычаги, штурвалы и других деталей различными способами литья.
Многие литейные сплавы алюминия при обозначении марок алюминиевых сплавов маркируют буквами АЛ и условным номером сплава, например АЛ2, АЛ9.
Порошковые алюминиевые сплавы характеризуются достаточно высокой прочностью при повышенных температурах до 300…350°С, улучшенными теплофизическими свойствами, их получают методом порошковой металлургии (прессованием и последующим спеканием) из алюминиевых порошков. Порошки (гранулы) получают распылением расплава. В зависимости от скорости охлаждения распыленных частиц (105…108°С/с) получают разные по размерам порошки: от десятых долей до сотен микрометров. Их брикетируют, а затем подвергают пластическому деформированию.
Методами порошковой металлургии изготавливают спеченные алюминиевые порошки(САП) и спеченные алюминиевые сплавы (САС). Сплавы САП состоят из порошка алюминия и дисперсных частиц Al2O3, при спекании которых границы между частицами препятствуют движению дислокаций, что повышает прочность сплава, но снижает пластичность. Содержание Al2O3 в САП1, САП2 колеблется от 6 до 20%.
Спеченные алюминиевые сплавы САС-1, САС-2 и другие относятся к сплавам системы Al-Si-Ni и имеют низкий температурный коэффициент линейного расширения, близкий к ТКЛР сталей, что делает выгодным их применение в приборостроение.
Из порошковых алюминиевых сплавов изготавливают поршневые штоки, лопатки компрессоров, обмотки трансформаторов, конденсаторы. Примеры обозначения алюминиевых сплавов:
Лист АД1 М А – 1,6 П 600´2000В ГОСТ 21631-76 –
лист из алюминия марки АД1, мягкий(М), с нормальным плакированием (А), толщиной 1,6 мм, повышенной точности (П), габариты 600´2000, отделка поверхности по группе В (высокая);
Пруток Д16Т КР 22 ПХНД ГОСТ 21488-76 –
пруток из сплава марки Д16, закаленный и естественно состаренный (Т), круглый (КР), диаметр 22мм, повышенной точности (П), без требований к отделке поверхности (Х), немереной длины (НД).
Все темы данного раздела:
Теоретический материал
Материаловедение – наука, изучающая строение и свойства материалов, закономерности и связи между их составом, структурой и свойствами, их изменения под влиянием различных воздейств
Общие понятия и определения
Рассмотрим некоторые понятия, используемые при изучении дисциплины.
Вещество – есть совокупность взаимосвязанных атомов, ионов или молекул. Вещество и физи
Требования к материалам при их выборе
Современные приборы и устройства работают в различных условиях, при действии статических, вибрационных, ударных нагрузок, при высоких и низких температурах, давлениях, влажности, в контакте с разли
Вопросы для самоконтроля
1. Что изучает материаловедение?
2. Объяснить понятия: вещество, материал, характеристика, параметр, свойство, качество материала.
3. Как связаны между собой понят
Тема 2. Строение металлов
Методические указания. Необходимо понять, как устроены кристаллические и аморфные структуры. Обратить внимание, что тип химической связи не только определяет делени
Кристаллические и аморфные тела
Имеются две разновидности твердых тел, различающихся по свойствам – кристаллические и аморфные.
Кристаллическиетела – сохраняют свою форму, остаются тверды
Строение чистых металлов
Большинство металлов и сплавов имеют кристаллическое строение. Свойства кристаллов зависят от ряда факторов и поэтому могут рассматриваться с разных позиций:
- пространственного расположен
Кристаллографические направления и индексы
Кристаллографическими направлениями являются прямые, выходящие из принятой точки отсчета, вдоль которых на определенном расстоянии друг от друга располагаются атомы
Анизотропия
Свойства кристаллов по различным кристаллографическим направлениям неодинаковы, так как число атомов и расстояния между ними разные по этим направлениям.
Анизотропи
Влияние типа химической связи на структуру и свойства кристаллов. Типы кристаллов
Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы сближаются до определенного расстояния d
Дефекты кристаллического строения
Строение кристаллов отличается от идеальных, рассмотренных выше. В реальных кристаллах всегда имеются дефекты. В зависимости от размеров дефекты кристаллического строения подразделяются на точечные
Дислокационный механизм пластической деформации
Рассмотрим механизм перемещения дислокации при пластической деформации. На рисунке 10 изображена схема передвижения одной из дислокаций под действием силы Р и возникающих при этом н
Вопросы для самоконтроля
1. Чем характеризуется кристаллическое и аморфное строение материала?
2. Виды кристаллов в зависимости от типа химической связи между микрочастицами (атомами, ионами, молекулами).
Строение сплавов
Более широкое применение в технике находят сплавы металлов с металлами, и металлов с неметаллами (карбидами, нитридами и другие), так как они обладают большим разнообразием свойств
Диаграммы состояния двойных сплавов
При охлаждении в сплавах происходят изменения, образуются новые фазы (твердые, жидкие), структуры. Эти изменения можно проследить на основе анализа диаграмм состояния
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое сплав и как его получают? Зачем нужны сплавы?
2. Что такое фаза сплава?
3. Как можно классифицировать сплавы?
4. Какие виды структуры при взаимодействии комп
Тема 4. Строение неметаллических материалов
Методические указания. При изучении данного раздела темы необходимо получить общее представление о многообразии неметаллических материалов, их широком применении не только как конс
Строение полимеров
Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой, у которых молекулы состоят из одинаковых многократно повторяющихся групп атомов-звеньев, соединенных химическими связя
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое полимеры? Назовите известные вам полимеры.
2. Какие свойства отличают полимеры от металлов?
3. По каким признакам классифицируют полимеры, приведите п
Строение стекол
Стекло представляет собой изотропное твердое тело, образующееся при охлаждении расплава стеклообразующих оксидов SiO2, Ba2O3, P2O5
Строение керамики
Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, об
Композиционные материалы
Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам( нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные
Вопросы для самоконтроля
1. Что представляет собой КМ?
2. Чем определяются свойства КМ? Как их можно изменить?
3. Какие материалы используют в качестве упрочнителя, и какие – матрицы?
Тема 5. Свойства материалов и их определение
Методические указания. Начать изучение темы – с классификации свойств. Можно придерживаться и другой классификации, но указанные ниже свойства свести в соответствую
Механические (прочностные) свойства материалов
Механические (прочностные) свойства характеризуют способность материала противостоять деформации или разрушению. Деформация – изменение размеров или формы тела под действием внешни
Твердость материала
Твердость характеризует способность материала сопротивляться внедрению в его поверхность более твердого тела – индентора. В качестве индентора используют закаленны
Теплофизические свойства
Наибольшее значение из теплофизических свойств имеют для материалов те, которые определяют способность отводить тепло, выделяющееся в процессе работы (теплопроводность), тепловое расширение, устойч
Изменение свойств материалов
На основе изучения взаимосвязи состава, структуры и свойств материалов отметим применяемые на практике способы изменения их различных свойств.
Повышение прочности материала повышает надежн
Вопросы для самоконтроля
1. Как можно классифицировать свойства материалов?
2. Назвать механические прочностные свойства материалов и как определяют их показатели при испытаниях?
3. Для че
Тема 6. Термическая и химико-термическая обработка
Методические указания. Задачей данной темы является ознакомление с методами обработки материалов, позволяющими изменить их структуру и фазовый состав, а, следовательно, и свойства.
Диффузия
Диффузия – взаимное проникновение атомов соприкасающихся веществ (компонентов), обусловленное тепловым движением частиц. Атомы перемещаются на расстояния, большие параметров криста
Термическая обработка
Термической обработкой(ТО) называют процессы, связанные с нагревом, выдержкой и охлаждением металла (материала), находящемся в твердом состоянии, с целью изменения
Химико-термическая обработка
Химико-термической обработкой называют процесс поверхностного насыщения сплава различными элементами с целью придания ей тех или иных свойств. При ХТО происходит изменение состава и структуры повер
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое ТО, ее цели, и за счет чего они достигаются?
2. Основные элементы режима ТО и их роль.
3. Все ли виды сплавов могут подвергаться упрочняющей ТО и почему?
4.
Общая характеристика железоуглеродистых сплавов
Сплавы железа (Fe) с углеродом (С) – стали, чугуны, являются наиболее распространенными материалами в машино-и приборостроении. Они обладают прочностью, жесткостью, надежностью, дол
Углеродистые стали
Углеродистые стали сравнительно дешевы и сочетают удовлетворительные механические свойства с хорошей обрабатываемостью резанием и давлением, свариваемостью. Их недостаток – меньшая в сравнении с ле
Легированные стали
Легированные стали по назначению разделяют на конструкционные, инструментальные, и стали и сплавы с особыми свойствами. Их производят и поставляют качественными, высококачественными
Стали и сплавы с особыми свойствами
Деление сталей и сплавов с особыми свойствами на группы (классы) приводят с учетом их превалирующих свойств. Химический состав, свойства регламентированы соответствующими стандартами для каждой гру
Сортамент сталей
Большинство выплавляемого металлургическими заводами металла перерабатывается в различные продукты прокатного производства. Форма поперечного сечения прокатанного изделия называется его про
Вопросы для самопроверки
1. Назовите компоненты сплава железа и углерода.
2. Причины широкого применения сплавов Fe-C.
3. Классификация сталей.
4. Основные структуры (фазы) сплава Fe-C.
Медь и ее сплавы
Медь относится к проводниковым материалам с малым удельным сопротивлением, характеризуется высокой электропроводимостью, теплопроводностью, пластичностью, коррозионной стойкостью в
Сплавы магния
Достоинством магниевых сплавов является их высокая удельная прочность, немагнитность, они не дают искры при ударах и трении, обладают демпфирующими свойствами. Осно
Титан и его сплавы
Титан имеет две полиморфные модификации: низкотемпературную (до 882оС) − α-Ti, имеющий ГП кристаллическую решетку, и высокотемпературную −β-Ti, кото
Бериллий и сплавы на его основе
Бериллий обладает полиморфизмом и имеет низкотемпературную модификацию α-Ве до температуры 1250оС, ГП кристаллическую решетку; и высокотемпературную β
Вопросы для самоконтроля
1. Состав сплавов Fe – C и роль компонентов в нем.
2. Дать характеристику углеродистых сталей, их применение, обозначение.
3. Структурные составляющие сплава Fe – C.
4. Д
Тема 8. Неметаллические конструкционные материалы
Методические указания.. В рамках темы в основном рассматриваются конструкционные материалы на основе полимеров, пластмассы, стекла, керамика. Однако эти же материал
Термопластичные и термореактивные пластмассы
Термопластичные пластмассы (термопласты, полимеры) под нагрузкой ведут себя как вязкоупругие вещества. Стандартные испытания на растяжение и удар дают приближенную
Керамика, стекла, ситаллы
Керамика, стекла, ситаллы имеют хорошие прочностные свойства. Но их характерная особенность – хрупкость, поэтому прочность на сжатие у них в несколько раз больше прочности на изгиб
Вопросы для самоконтроля
1. Назовите группы неметаллических конструкционных материалов и их свойства. Отличие неметаллических материалов, их характеристик от аналогичных параметров металлических конструкционных материалов.
Теоретические материалы
Электротехнические материалы (рисунок 1) подразделяют на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Различаются эти группы по значению удельного электрического сопротивления, характеру з
Энергетические зоны твердого тела
Согласно к
Понятие об электропроводности
Электропроводность характеризует способность материала проводить электрический ток.
Закон Ома выражает зависимость плотности тока j от нап
Электрические свойства и параметры проводниковых материалов
К основным электрическим характеристикам проводниковых материалов, характеризующим их свойства, можно отнести удельную электропроводность, удельное электрическое сопротивление, контактную разность
Полупроводниковые материалы
К полупроводниковым относятся материалы, обладающие удельным сопротивлением в пределах 10-5…108 Ом*м. Их отличительными особенностями от других материалов явля
Вопросы для самоконтроля
1. Сущность зонной теории.
2. В чем суть теории электропроводности Друде?
3. Основные параметры электропроводности, их размерности.
4. Классификация элект
Тема 10. Диэлектрические материалы
Методические указания. При изучении темы обратить внимание на понятие диэлектрик, их классификацию по назначению, применению и природе. Знать основные свойства диэлектриков, физиче
Поляризация диэлектриков и ее виды
В диэлектриках электрические заряды прочно связаны с атомами, молекулами или ионами и в электрическом поле могут лишь смещаться. При этом центры положительных и отрицательных зарядов, которые без д
Влияние температуры и частоты на поляризацию
К основным внешним факторам, влияющим на поляризацию диэлектриков, относятся температура и частота электрического поля. На рисунке 37 показаны общие закономерности влияния указанных факторов на пол
Электропроводность диэлектриков. Виды электропроводности
Электропроводность диэлектриков связана с наличием в них свободных носителей. В отличие от металлов, в диэлектриках электропроводность может быть трех видов: электронная, ионная и молионная. Электр
Параметры электропроводности диэлектриков и их зависимости
Электропроводность диэлектриков характеризуют: удельной объемной σv и поверхностной σs проводимостью, или удельным объемным ρ
Диэлектрические потери
В диэлектрике под действием приложенного к нему напряжения протекает электрический ток, следовательно, в нем рассеивается энергия. Диэлектрическими потерями Pназыва
Электрическая прочность диэлектриков
Если повышать приложенное к диэлектрику напряжение, то по достижении им определенного критического значения Uпр произойдет потеря диэлектриком изоляционных свойств. Сквоз
Нагревостойкость диэлектриков
Нагревостойкость диэлектриков – их способность выдерживать в течение длительного времени нагрев до определенной температуры, сохраняя свои важнейшие свойства. Нагре
Вопросы для самоконтроля
1. Что такое диэлектрик и их классификация?
2. Назвать основные свойства диэлектриков.
3. Поляризация, ее основные виды и влияющие на нее факторы. Чем отличаются у
Тема 11. Магнитные материалы
Методические указания. Необходимо иметь понятие о природе магнетизма, обменной энергии между электронами недостроенных подуровней соседних атомов, доменной структуре магнитных мате
Общие положения
Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию
Основные свойства и параметры магнитных материалов
Согласно квантовой теории, все основные свойства ферромагнетиков обусловлены доменной структурой их кристаллов. Домен - макроскопическая область кристалла размером в единицы или де
Магнитомягкие материалы
МММ можно подразделить на следующие группы: технически чистое железо (включая низкоуглеродистые нелегированные стали); электротехнические стали; сплавы с высокой начальной магнитной
Магнитотвердые материалы
Магнитотвердые материалы (МТМ), в отличие от МММ, имеют большие коэрцитивную силу (от 5 до 600кА/м) и площадь петли гистерезиса, большие потери при перемагничивании, высокие значени
Вопросы для самоконтроля
1. Объясните причину магнетизма в ферро-и ферримагнетиках.
2. Как классифицируются материалы по магнитным свойствам и назначению?
3. Какие основные параметры харак
Теоретические материалы
Надежность работы машин и приборов зависит от качества их изготовления. В общем смысле под качеством понимают степень соответствия показателей изделия потребительским требованиям. Показателями каче
Точность размеров
Под точностью обработки понимают степень соответствия размеров, формы, взаимного расположения, шероховатости поверхностей и других параметров изделий после их изготовления значения
Шероховатость поверхности
Шероховатость поверхности –совокупность микронеровностей обработанной поверхности с относительно малыми шагами. Она получается в результате взаимодействия инструмента с материалом
Список сокращений и условных обозначений
ГП – гексагональная плотноупакованная кристаллическая решетка
ГЦК – гранецентрированная кубическая кристаллическая решетка
КМ – композиционные материалы
М
Новости и инфо для студентов