Алюминий и его сплавы

Алюминий ─ легкий металл (плотность 2700 кг/м³) серебристо-белого цвета с ГЦК кристаллической решеткой. Температура плавления алюминия 660^ºС. Обладает высокой электро- и теплопроводностью, высокой химической активностью и одновременно исключительной коррозионной стойкостью, объясняемой образованием на поверхности беспористой оксидной пленки Al₂О₃, надежно защищающей металл от дальнейшего окисления. Механические свойства алюминия характеризуются низкой прочностью и твердостью и высокой пластичностью.

Сплавы на основе алюминия обладают малой плотностью, высокими удельными механическими свойствами, высокой коррозионнойстойкостью, свариваемостью и т. д.

Алюминиевые сплавы классифицируют на деформируемые (в их структуре отсутствует эвтектика), литейные (сплавы с эвтектикой), неупрочняемые термической обработкой (нагрев таких сплавов не сопровождается твердофазными превращениями), упрочняемые термической обработкой (сплавы с твердофазными превращениями). Кроме того, сплавы подразделяют на жаропрочные, высокопрочные, ковочные, сплавы для заклепок и т. д.

Деформируемыми сплавами, не упрочняемыми термообработкой, являются сплавы на основе систем: Al-Mg и Al-Mn . Сплавы Al-Mg ‑ магналии, например, АМг2, АМг3, АМг6; сплавы Al-Mn, например, АМц.

Наиболее важными деформируемыми сплавами, упрочняемыми термической обработкой, являются:

─ сплавы на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Mn (дюралюмины), например, Д1, Д16, ВД17, Д18, Д19, В65 (сплав ВД17 жаропрочный, Д18 и В65 – сплавы для заклепок);

─ сплавы на основе системы Al-Mg-Si (авиали), например, АВ, АД31, АД35;

─ ковочные сплавы на основе системы Al-Mg-Si-Cu, например, АК6, АК8, на основе системы Al-Cu-Mg с добавками Fe и Ni, например, АК4-1 (сплав жаропрочный);

─ высокопрочные сплавы на основе системы Al-Zn-Mg-Cu, например, В93, В95, В96Ц. К высокопрочным сплавам относится сплав, на основе системы Al-Cu-Li, ─ ВАД23.

Литейными сплавами являются сплавы на основе систем Al-Si (силумины), например, АЛ12 (АЛ2), АЛ7ч (АЛ9); Al-Cu, например, АЛ19, АЛ33; Al-Mg, например, АЛ8, АМг10 (АЛ27).

В соответствии с новой цифровой системой маркировки Al cплавов единица, стоящая в начале марки, характеризует основу сплава – алюминий, вторая цифра обозначает основной легирующий элемент или группу элементов, третья или третья и вторая цифры ‑ те же, что и в старой маркировке, нечетное число или ноль. Цифры, стоящие на четвертом месте, обозначают деформируемый сплав. У литейных сплавов четвертая цифра четная. При такой маркировке сплав Д16, например, обозначается 1160.

Чистота сплавов по контролируемым примесям (Fe, Si и др.) обозначается буквами: пч (практически чистый), ч (чистый), оч(очень чистый), стоящими после марки сплава, например, АМг5оч.

Состояние деформируемых сплавов, отражающее термическое и термомеханическое воздействие, имеет обозначения: М – мягкий, отожженный; Т – закаленный и естественно состаренный; Т1 – закаленный и искусственно состаренный на максимальную прочность; Н – нагартованный (деформация 1…7%); Н1 или НН – усиленно нагартованный; ТН – закаленный, естественно состаренный и нагартованный. Например, АК6Т1 – обозначение закаленного и искусственно состаренного деформируемого (ковочного) алюминиевого сплава АК6, АМг2Н1 – обозначение усиленно нагартованного деформируемого неупрочняемого термической обработкой сплава АМг2.

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов достигается закалкой и последующим старением. Обосновать режимы термообработки таких сплавов, как дюралюмины можно в первом приближении, рассматривая их как сплавы системы Al-Cu ( в дюралюминах медь главный легирующий элемент). Свежезакаленные сплавы имеют довольно низкую твердость и прочность, высокую пластичность. При длительном пребывании закаленного сплава при нормальной температуре происходит естественное старение,при котором атомы легирующих элементов (в сплавах системы Al-Cu атомы меди), расположенные после закалки случайно, собираются в определенных местах кристаллической решетки, образуя участки повышенной концентрации – зоны Гинье-Престона. В результате естественного старения образуются зоны толщиной 0,5…1 и протяженностью 3…6 нм (их называют зоны ГП-1), вызывая упрочнение сплава.

Если естественно состаренный сплав подвергнуть кратковременному нагреву до 250…270^ºС, то зоны ГП растворяются и сплав возвращается в свежезакаленное состояние с характерными для него свойствами (низкой твердостью и высокой пластичностью). Это явление получило название возврат. После возврата сплав может быть вновь упрочнен при естественном или искусственном старении.

При искусственном старении зоны Гинье-Престона укрупняются, достигая 1…4 по толщине и 20…30 нм по протяженности (зоны ГП-2). Концентрация меди в них приближается к стехиометрическому соотношению в соединении CuAl₂. Дальнейшее развитие процессов искусственного старения приводит к образованию метастабильных когерентно связанных с твердым раствором, а затем стабильных обособленных от раствора фаз. Скорость искусственного старения зависит от температуры. Повышение температуры ускоряет процесс, но снижает прочность сплавов. Наибольшее упрочнение получают при естественном старении в результате образования зон ГП-1. Не всегда максимум прочности достигается естественным старением, более того, во многих высокопрочных сплавах (В93, В95 и др.) естественное старение не протекает вообще (упрочнения при длительной выдержке при нормальной температуре не происходит).