4 Кольорові метали і сплави
Як конструкційні матеріали набули найбільше поширення сплави на основі легких металів з густиною до 4500 кг/м3 (алюміній, магній, берилій, титан), а також мідні сплави.
4.1 Алюміній і сплави на його основі
4.1.1 Загальна характеристика алюмінію
Алюміній має температуру плавлення 660оС, кристалізується з утворенням гранецентрованих кристалічних грат, і при його нагріванні не відбувається поліморфних перетворень. Алюміній володіє малою густиною (2699 кг/м3) і характеризується високою хімічною активністю, але утворення на поверхні щільної плівки Al2O3 захищає метал від корозії.
Залежно від змісту домішок первинний алюміній підрозділяють на три класи: особливої чистоти А999 (99,999% Al, інше – домішки); високої чистоти А995, А99, А97, А95 (домішок, відповідно, 0,005, 0,01; 0,03, 0,05 %) і технічної чистоти А85, А8, А7, А6, А5, А0 (домішок, відповідно, 0,15, 0,2, 0,3, 0,4, 0,5, 1 %). Технічний алюміній, що випускається у вигляді напівфабрикату (листи, профілі, прутки й ін.), що деформується, маркують АД0 і АД1.
Механічні властивості:
- відпаленого алюмінію високої чистоти в = 50 МПа, δ = 50%;
- відпаленого технічного алюмінію в = 80 МПа; = 35%.
Збільшення змісту домішок і пластична деформація підвищують міцність і твердість алюмінію.
Алюміній добре обробляється тиском, зварюється газовою і контактним зварюванням, але погано обробляється різанням. Зважаючи на низьку міцність алюміній, застосовують для не навантажених деталей і елементів конструкцій, коли від матеріалу потрібна мала вага, зварюваність, пластичність. З алюмінію виготовляють рами, двері, трубопроводи, цистерни для перевезення нафти і нафтопродуктів, посуд й ін. Висока пластичність дозволяє виробляти з алюмінію тонку алюмінієву фольгу для упаковки цукерок.
Завдяки високій теплопровідності його використовують для різних теплообмінників в промислових і побутових холодильниках. Слід також відзначити високу відбивну здатність алюмінію, чим пояснюється його застосування в прожекторах і рефлекторах.
Алюміній використовується в електротехнічній промисловості для виготовлення кабелів і дротів. Електропровідність алюмінію складає 65% від електропровідності міді, але дріт з алюмінію рівної електропровідності легший мідного.
4.1.2 Алюмінієві сплави
Алюмінієві сплави характеризуються високою питомою міцністю, здатністю чинити опір інерційним і динамічним навантаженням. Тимчасовий опір алюмінієвих сплавів досягає 500…700МПа при густині не більш 2,850 г/см3.
Більшість алюмінієвих сплавів має добру корозійну стійкість (за винятком сплавів з міддю), високі теплопровідність і електричну провідність, хороші технологічні властивості.
Основними легуючими елементами алюмінієвих сплавів є Сu, Mg, Si, Mn, Zn; рідше – Li, Ni, Ti. Алюміній з основними легуючими елементами утворює діаграми, подібні діаграмі А1-Cu (рис. 21).
Р исунок 21 – Діаграма стану «алюміній – мідь»
Багато легуючих елементів утворюють з алюмінієм тверді розчини обмеженої змінної розчинності і проміжні фази CuAl2, Mg2Si й ін. Це дає можливість піддавати сплави зміцнюючій термічній обробці, що складається з гартування з отриманням пересиченого твердого розчину і подальшого природного або штучного старіння.
Згідно з діаграмою стану Al-Cu (див. рис.21), мідь з алюмінієм утворюють твердий розчин, максимальна концентрація міді в якому складає 5,7% при евтектичній температурі. З пониженням температури розчинність міді зменшується, досягаючи 0,2% при 20°С. З твердого розчину при цьому виділяється θ-фаза (СuА12), що містить ~ 54,1%Сu. Вона має об’ємноцентровані кристалічні тетрагональні грати і володіє порівняно високою твердістю (530 HV). У сплавах, додатково легованих магнієм, утворюється ще S-фаза (CuMgAl2) з ромбічними кристалічними гратами (564 HV).
При старінні алюмінієвих сплавів в пересиченому твердому розчині відзначаються пластинчасті виділення міді діаметром (30…60)10-10м і товщиною до 10•10-10м, які називаються зонами Гинье–Престона (зони Г.П.). На цій стадії досягається максимальне зміцнення. При підвищенні температури до 100оС зони Г.П., перетворюються в θ׳-фазу, когерентно пов'язану з матковим твердим розчином, але з гратами, відмінними від твердого розчину і стабільної θ-фази. Міцність алюмінієвих сплавів, що містять такі дисперсні виділення, вже не досягає свого максимального значення. При подальшому підвищенні температури θ׳- фаза перетворюється на стабільну θ-фазу, відбувається її коагуляція і при цьому досягається ще менше зміцнення.
Алюмінієві сплави підрозділяються на:
- деформовані, призначені для отримання поковок, штампувань і прокату (листів, плит, прутків і т. п.);
- ливарні;
- гранульовані (одержувані методами порошкової металургії).
Маркування алюмінієвих сплавів здійснюється таким чином. Буква Д на початку марки позначає сплави типу дуралюмінів. Букви АК на початку марки привласнюють ковким алюмінієвим сплавам, а АЛ – ливарним алюмінієвим сплавам. Буквою В маркіруються високоміцні сплави. Після букв указується умовний номер сплаву. Часто за умовним номером є позначення, яке характеризує стан сплаву: М – м'який (відпалений); Т – термічно оброблений (гартування + старіння); Н – нагартований; П – напівнагартований.
Конструкційна міцність алюмінієвих сплавів залежить від домішок Fe і Si. Вони утворюють в сплавах нерозчинні в твердому розчині фази, які знижують пластичність, в'язкість руйнування, опір розвитку тріщин. Легування сплавів марганцем зменшує шкідливий вплив домішок. Проте ефективнішим способом підвищення конструкційної міцності є зниження змісту домішок з 0,5…0,7% до 0,1…0,3% (чистий сплав), а іноді й до сотих часток відсотка (сплав підвищеної чистоти). У першому випадку до марки сплаву додають букву "ч", наприклад Д16ч, в другому – букви "пч", наприклад В95пч.
4.1.2.1 Алюмінієві сплави, що деформуються
Алюмінієві сплави, що деформуються, підрозділяються на не зміцнювані і зміцнювані термічною обробкою.
До не зміцнюваних термічною обробкою відносяться сплави алюмінію з марганцем (АМц) і алюмінію з магнієм (АМг). Сплави відрізняються високою зварюваністю і високою корозійною стійкістю.
У відпаленому стані вони володіють високою пластичністю і низькою міцністю. Пластична деформація підвищує міцність цих сплавів майже в 2 рази. Проте застосування наклепу обмежене через різке зниження пластичності сплавів, тому їх використовують в відпаленому м'якому стані (АМгМ). Сплави типа АМц і АМг відпалюють при 350…420°С.
При підвищенні змісту магнію тимчасовий опір зростає від 110 МПа (AMгl) до 340 МПа (АМг6) при відповідному зниженні відносного подовження з 28 до 20 %.
Сплави типа АМц і АМг застосовують для виробів, одержуваних глибокою витяжкою і зварюванням (корпуси і щогли судів, рами вагонів й ін.), а також деталей, від яких потрібна висока корозійна стійкість (трубопроводи для бензину і масла, зварні баки).
До сплавів, зміцнюваних термічною обробкою, відносяться дуралюмінієві, кувальні і високоміцні сплави.
Дуралюмінами називають сплави, що відносяться до системи Al-Cu-Mg, в які додатково вводять марганець. При гартуванні сплави дуралюміни нагрівають до 495…505°С (Д16) і до 500…510°С (Д1) і потім охолоджують у воді при 40 °С. Після гартування структура складається з пересиченого твердого розчину і нерозчинних фаз, утворюваних домішками. Далі сплави піддають природному або штучному старінню.
Природне старіння продовжується 5…7діб. Тривалість старіння значно скорочується при збільшенні температури до 40°С і особливо до 100°С. Для зміцнення дуралюмінів, як правило, застосовують гартування з природним старінням, оскільки в цьому випадку сплави володіють кращою пластичністю і менш чутливі до концентраторів напруг.
Штучному старінню (190°С, 10 год.) піддають лише деталі, використовувані для роботи при підвищених температурах (до 200 °С).
Велике практичне значення має початковий період старіння (20…60 хв.), коли сплав зберігає високу пластичність і низьку твердість. Це дозволяє проводити такі технологічні операції, як клепка, правка й ін.
Кувальні алюмінієві сплави маркують буквами АК. Вони володіють доброю пластичністю і стійкістю до утворення тріщин при гарячішій пластичній деформації. За хімічним складом сплави близькі до дуралюмінів, відрізняючись вищим змістом кремнію. Кування і штампування сплавів роблять при 450…475 °С. Їх застосовують після гартування і штучного старіння.
Високоміцні алюмінієві сплави маркують буквою В. Вони відрізняються високим значенням межі міцності (600…700 МПа) і близьким до нього значенням межею текучості. Високоміцні сплави відносяться до системи Al-Zn-Mg-Cu і містять домішки марганцю і хрому або цирконію. Цинк, магній і мідь утворюють фази, що володіють змінною розчинністю в алюмінії (MgZn2, CuMgAl2 і Mg3Zn3Al2). При 480°С ці фази переходять в твердий розчин, який фіксується гартуванням. При штучному старінні відбувається розпад пересиченого твердого розчину з утворенням тонко дисперсних частинок метастабільних фаз, що викликають максимальне зміцнення сплавів. Найбільше зміцнення викликають гартування від 465…475°С і старіння при 140°С протягом 16 год. Після такої обробки сплаву В95 межа міцності досягає 600 МПа, межа текучості 550 МПа, відносне подовження 12%, К1С 30 МПа·м1/2, КСТ 30 кДж/м2 і твердість до 150 НВ.
Сплав В96 має вищі міцні властивості (σв до 700 МПа; σ0,2 до 650 МПа; твердість до 190 НВ), але знижені пластичність (δ до 7%) і в'язкість руйнування. Для підвищення цих характеристик сплави піддають двоступінчатому пом'якшувальному старінню при 100…120°С протягом 3…10 год. (перший ступінь) і 160…170 °С протягом 10…30год. (другий ступінь). Після пом'якшувального старіння у сплаві В95 межа міцності не перевищує 590 МПа, межа текучості 470 МПа, а відносне подовження підвищується до 13%, К1С до 36 МПа·м1/2 і КСТ до 75 кДж/м2.
Сплави застосовують для високо навантажених деталей конструкцій, що працюють в основному в умовах напруг стиснення (обшивка, стрингери, шпангоути, лонжерони літаків).
4.1.2.2 Ливарні алюмінієві сплави
Найбільше поширення набули ливарні сплави на основі систем Al-Si і A1-Си. Маркуються ливарні сплави буквами АЛ і цифрою, яка вказує номер сплаву.
Кращими ливарними властивостями володіють сплави Al-Si (силуміни), для яких характерні висока рідиноплинність, мала усадка, відсутність або низька схильність до утворення гарячих тріщин і добра герметичність. Густина більшості силумінів складає 2650 кг/м3.
Механічні властивості залежать від хімічного складу, технології виготовлення, а також термічної обробки. У подвійних силумінах із збільшенням змісту кремнію до евтектичного складу (12…13%) знижується пластичність і підвищується міцність. Поява в структурі сплавів крупних кристалів первинного кремнію викликає зниження міцності і пластичності.
Не дивлячись на змінну розчинність кремнію (від 0,05% при 200°С до 1,65% при евтектичній температурі), подвійні сплави не зміцнюються термічною обробкою, що пояснюється високою швидкістю розпаду твердого розчину, що частково відбувається вже при гартуванні. Єдиним способом підвищення механічних властивостей цих сплавів є подрібнення структури шляхом модифікації натрієм. Крім модифікуючої дії натрій зсовує евтектичну точку в системі Al-Si у бік більш великого змісту кремнію. Завдяки цьому евтектичний за складом сплав (АЛ2) стає доевтектичним. У його структурі крім дрібнокристалічної евтектики з'являються пластичні виділення первинного алюмінію. Усе це викликає збільшення пластичності і міцності.
Для легування силумінів часто використовують Mg, Cu, Mn, Ti й ін.
Магній і мідь, володіючи змінною розчинністю в алюмінії, сприяють зміцненню силумінів при термічній обробці, що полягає, як правило, з гартування і штучного старіння. Температура гартування різних силумінів знаходиться в межах 515…535°С, температура старіння – 150…180°С. З легованих силумінів середньої міцності найбільше застосування в промисловості знайшли сплави з домішками магнію (АК7ч), магнію і марганцю (АК9ч).
Сплави системи А1-Сu (АМ4, АМ5) добре обробляються різанням і зварюються. Вони характеризуються високою міцністю при звичних і підвищених температурах до 300°С, але володіють поганими ливарними властивостями. Це пояснюється утворенням в даній системі евтектики лише при високому змісті міді (33%), що не досягається в промислових сплавах. Ливарні і механічні властивості поліпшуються в результаті легування титаном і марганцем (АМ5). Марганець, утворюючи пересичений твердий розчин при кристалізації з рідкого стану, сприяє значному зміцненню сплаву.
4.1.2.3 Гранульовані алюмінієві сплави
З гранульованих сплавів широке поширення набули спечені алюмінієві порошки (САП) і спечені алюмінієві сплави (САС).
САП є сумішшю алюмінію з дрібними (до 10-6м) частинками Al2О3. Ці сплави одержують шляхом холодного брикетування початкових сумішей, вакуумного відпалу і подальшого спікання нагрітих брикетів під тиском. У структурі САПів знаходяться дисперсні частинки Аl2О3, які ефективно гальмують рух дислокацій і підвищують міцність сплаву. Зміст цих частинок змінюється від 6…9% (САП-1) до 18...22% (САП-4), відповідно, межа міцності підвищується до 450 МПа, а відносне подовження знижується від 6% до 1…2%.
САПи зберігають високу міцність до 350оС, а при 500оС межа міцності ще зберігається рівною 100 МПа, тоді як для жароміцних дуралюмінів межа міцності при цій температурі знижується до 5 МПа.
САПи з 10…12% Аl2О3 мають таку корозійну стійкість, як і технічний алюміній. На відміну від алюмінієвих сплавів вони не схильні до корозії під напругою.
Недоліком САПів є їх низька здатність до пластичної деформації.
САС є гранульованим алюмінієвим порошком з високим змістом легуючих елементів (марганцю, хрому, титана, цирконію, ванадію), нерозчинних або мало розчинних в алюмінії.
При литті гранул (0,1…1 мм) відцентровим способом краплі рідкого металу охолоджуються у воді з швидкостями до 108 оС/с. При цьому утворюються тверді розчини, які містять легуючі елементи в кількості, що перевищує їх граничну розчинність в рівноважних умовах. Наприклад, гранична розчинність марганцю в алюмінії складає 1,4%, а при охолоджуванні з високою швидкістю утворюється аномально пересичений твердий розчин, що містить до 5% Mn.
Високі швидкості охолоджування сприяють поліпшенню структури сплавів. Якщо при звичних методах лиття спостерігаються грубі первинні і евтектичні виділення інтерметалідних фаз, то в гранульованих алюмінієвих сплавах такі включення стають дисперсними з рівномірним розташуванням в металі, що підвищує механічні властивості.