Характеристика Значение Комментарий Решётка ГЦК a = 0,40496 нм Плотность, г / см 3 2,7 Низкая (относится к лёгким металлам) Температура плавления, о С 660 Низкая Удельное электро-сопротивление, 10 -8 Ом. м 2,8 Низкое (проводниковый металл, уступает Ag и Cu ) Теплопроводность, Вт / (м. К) 228 Высокая Распространённость в земной коре, % 8 Высокая (у Fe 5 %) Объём производства, млн. т / г > 4 0 Лидер среди цветных металлов Коррозионная стойкость Высокая V уд ( Al) ≈ V уд (Al 2 O 3 ) Алюминий и его сплавы
Чистота 99,9998 % Al 55 x 37 мм
Пример марки: А5 Расшифровка (по ГОСТ 11069-2001): А – алюминий, 5 – цифра (или цифры) после цифр 99 и запятой в значении содержания основного металла в процентах, т.е. А5 содержит 99,5 % Al. Алюминий особой чистоты : марка А999. Алюминий высокой чистоты : марки от А95 до А995. Алюминий технической чистоты : марки от А0 до А85. В марках А5Е и А7Е буква Е указывает на предназначение алюминия для электротехнических целей. Металл Постоянные примеси Взаимодействие с металлом-основой Полезный эффект Вредный эффект Al Fe, Si, Cu, Zn, Ti Растворение Упрочнение Снижение пластичности
Воздействие на структуру Легирующие элементы и примеси Твёрдорастворное упрочнение α и образование фаз- упрочнителей при старении Cu, Mg, Si, Zn, Mn, Li Образование нерастворимых (при отжиге) эвтектических фаз Fe, Ni, Mn, Mg, Si, Cu, Be Образование первичных кристаллов Fe, Ni, Mn, Si, Zr, Cr, Ti Образование интерметаллидов при распаде твёрдого раствора α Mn, Zr, Cr, Ti, Sc Микродобавки для связывания вредных примесей, измельчения зерна α, модифицирования эвтектики, воздействия на распад α Be, Cd, Sr, Na, Ti, B
литейные деформируемые спекаемые Упрочняемые термической обработкой (стареющие) неупрочняемые Силумины ( Al-Si) : АЛ2, АЛ4, АЛ9 и др. Дуралюмины ( Al-Cu-Mg- Mn ) : Д1, Д16 Высокопрочные стареющие ( Al-Cu-Mg-Zn ) : В95, В96 Ковочные ( Al-Cu-Si-Mg) : АК 1 …АК8 Al- Mn : АМц Al-Mg : АМг3 САС САП
ДС – деформируемые сплавы; ЛС – литейные сплавы; НС – неупрочняемые сплавы; УС – сплавы, упрочняемые термической обработкой (подвергаемые закалке с последующим старением)
Жидкотекучесть – способность расплава заполнять литейную форму. Склонность к образованию усадочных пустот Герметичность – способность отливки выдерживать давление газа или жидкости без течи Линейная усадка Склонность к образованию горячих трещин Склонность к ликвации Основное свойство – хорошая жидкотекучесть. Спиральная проба на жидкотекучесть
По химическому составу По назначению Al-Si (силумины) Al-Si-Mg Al-Si-Cu Al-Cu Al-Mg Al- прочие компоненты С высокой герметичностью – АК12 (АЛ2 ), АК9ч (АЛ4), АК7ч (АЛ9), АК8МЗч (ВАЛ8), АК7пч (АЛ9-1 ), АК8л (АЛ34), АК8М (АЛ32) ; Высокопрочные, жаропрочные – АМ5 (АЛ 19), АК5М (АЛ5), АК5Мч (АЛ5-1), АМ4, 5 Кд (ВАЛ10); Коррозионностойкие – АМч11 (АЛ22), АЦ4Мг (АЛ24), АМг10 (АЛ27), АМг10ч (АЛ27-1 )
Силумины – сплавы Al+(4-22) % Si Маркировка: АЛ ## ( алюминий литейный, ## - порядковый номер) или АК ## ( алюминий, кремний, ## - содержание кремния в %%) по ГОСТ 1583-93, например, АК12 (АЛ2 = АК12)
Максимум жидкотекучести в Al-Si сдвинут от эвтектической точки в сторону кремния из-за большей теплоты кристаллизации Si (1,4 против 0,4 кДж / г у Al ) в сочетании с компактностью его первичных кристаллов. У Al-Cu высокая жидкотекучесть эвтектического сплава, но при этом большая хрупкость, поэтому для литья используют сплавы АМ4, АМ5 с малым % Cu (4 и 5 %).
Сплавы типа АМц Основное свойство деформируемых сплавов – высокая пластичность в горячем и холодном состоянии. Подвергаются обработке давлением: прокатке, штамповке, прессованию, ковке ДНАС Низкопрочные : технический алюминий АД, сплавы АМц Средней прочности : магналии АМг3, АМг6, … Al -фольга 13 мкм
Промышленные сплавы
Классический состав (Д1): Al – 4,5 % Cu – 0,5 % Mg – 0, 5 % Mn Аналог – сплав Al – 4,5 % Cu t T T сол T сольвус Закалка Старение
Т, о С Процесс Характеристика < 100 Образование зон Гинье-Престона (ГП, или ГП-1) Плоские дискообразные скопления атомов Cu, Ø (4-10) нм x (0,5-1) нм 100-150 Образование зон ГП-2 ( θ ’’), сильнее обогащённых Cu Состав близок к Al 2 Cu, нет границ с α, Ø (20-30) нм x (1-4) нм 150-200 Образование метастабильной фазы θ ’ Упорядоченное расположение Al и Cu, когерентные границы с α по плоскостям (100) 200-250 Срыв когерентности границ и образование θ Атомы Al и Cu образуют решётку Al 2 Cu, некогерентные границы с α > 250 Коалесценция θ Рост крупных частиц за счёт растворения мелких
Зона Гинье-Престона Стабильная фаза θ ( Al 2 Cu) В θ ' есть плоскости с квадратной сеткой атомов и параметрами, близкими к параметрам решетки алюминиевой матрицы!
Θ = Al 2 Cu, HV 5, 3 ГПа S = Al 2 MgCu, HV 5, 6 ГПа T = Al 6 MgCu 6, HV 4,1 ГПа а – 200 о С, б – 500 о С После закалки и старения, Cu+Mg = 5 % Д1 – 0,5 % Mg, Д16 – 1,5 % Mg
Н τ Т 3 Т 2 Т 1 Т 1 < Т 2 < Т 3 1 – естественное старение; 2, 3 – искусственное старение Состояние σ В, МПа δ, % Отжиг 200 25 Закалка 300 23 Закалка и старение 450 18 Механические свойства Д16
Плотность 8,95 г / см 3 Т- ра плавления 1083 о С Решётка ГЦК Высокая электро- и теплопроводность Состояние σ В, МПа σ 0,2, МПа δ, % Литое 160 35 25 Горячедеформированное 250 95 50 Низкая прочность и высокая стоимость – как конструкционный материал чистая медь не используется. 50 % производимой меди – для электро- и радиотехники Марка М3 М2 М1 М0 М00 % Cu ( масс.) 99,5 99,7 99,9 99,95 99,99 Проводниковая медь
Постоянные примеси Взаимодействие с металлом-основой Полезный эффект Вредный эффект Al, Fe, Ni, Sn, Zn, Ag Растворение Упрочнение Снижение пластичности Pb Образование легкоплавких эвтектик Улучшение обрабатываемости резанием Горячеломкость Bi Нет Горячеломкость + охрупчивание O Образование тугоплавких эвтектик Нет Водородная болезнь S, Se, Tl Снижение пластичности
Бронзы (на основе Cu -ЛЭ, кроме Zn и Ni ) Латуни (на основе Cu-Zn ) Медно-никелевые Оловянные Безоловянные Алюминиевые Бериллиевые Кремнистые Свинцовые Двойные (простые) Многокомпонентные (специальные)
БрО10 Колокольная бронза Особенности микроструктуры БрО10 в неравновесном состоянии: Неравновесный фазовый состав ( α + δ ) вместо ( α + ε ) Наличие эвтектоида ( α + δ ) и отсутствие вторичных кристаллов ε Неравновесный химический состав α (8 % Sn вместо 0). γ
α α α А В С Эвтектоид (α+δ) А В С б в % Sn x 200 Микроструктура ( а ), её схема ( б ) и пространственное распределение концентрации олова в α-фазе ( в ) для сплава БрО10
Деформируемые Литейные Марка σ В, МПа δ, % БрОФ4-0,25 340 52 БрОФ6,5-0,15 400 65 БрОЦ4-3 350 40 БрОЦС4-3,5-2,5 350 40 Марка σ В, МПа δ, % БрО10Ф1 250 7 БрО5Ц5С5 180 4 Характеристика: Однофазные, среднелегированные, с высокой пластичностью Характеристика: двухфазные, с ( α + δ )-эвтектоидом, высоколегированные, с хорошей жидкотекучестью
Однофазные (< 9 % Al, фаза α, высокопластичные, упрочняемые наклёпом, штампуемые ) : БрА5, БрА7 Двухфазные (≥ 9 % Al, фазы после отжига α + γ 2, доэвтектоидные, термически упрочняемые - улучшаемые): БрА10, БрАЖ9-4, БрАЖМц10-3-1,5 Термообработка двухфазных бронз: Закалка на мартенсит из β -области (900-950 о С) + отпуск при 200-250 о С Мартенсит β ’ – игольчатый, невысокой прочности. Упрочнение при отпуске за счёт образования мелких дисперсных частиц γ 2. БрА7 БрА10
t T T сол T сольвус Закалка, 760 о С Старение, 300-350 о С T эвт α + γ ( CuBe ), σ В = 550 МПа α σ В = 500 МПа, δ = 30 % α + γ, σ В = 1200 МПа, δ = 4 % ХПД, ε = 30 % α + γ, σ В = 1400 МПа, δ = 2 %
Л90 Л68 α -латуни: Л90 ( томпак ), % Zn = 10 Л68 ( патронная латунь), % Zn = 32 ( α + β )- латуни : Л63 ( торговая латунь ), % Zn = 37
Марка Ср. состав, % Состояние и фазовый состав σ В, МПа δ, % Обрабатываемые давлением латуни Л90 90 Cu Рекрист., α 285 36 Л68 68 Cu Рекрист., α 340 42 Л63 63 Cu Рекрист., α + β 345 38 ЛС59-1 59 Cu, 1 Pb Рекрист., α + β + Pb 400 45 Литейные латуни ЛЦ40С 59 Cu, 0,8-2 Pb Кокиль, α + β + Pb 300 30 ЛЦ16К4 80 Cu, 4 Si Кокиль, α + β 380 15
Однофазной Двухфазной (светлые зёрна α и тёмные β ) а) литое состояние, б) после деформации и отжига
Жаропрочность – способность материала выдерживать механические нагрузки при высоких температурах без значительной деформации (оценивается сопротивлением ползучести) и без разрушения (оценивается длительной прочностью). Жаростойкость – способность материала сопротивляться окислению при высоких температурах. Назначение : детали газотурбинных двигателей ( лопатки, диски и др.) Рабочие температуры : 750-950 о С Химический состав классического нимоника: Ni-20Cr-2Ti-1Al Фазовый состав : γ + γ ’ Марки : ХН77ТЮ, ХН70МВТЮБ, ХН55ВМТФКЮ и др. Термическая обработка : закалка с 1050…1150 o С на воздухе + старение при 600…800 o С. 20 % γ ’ в матрице γ
Легирующий элемент Взаимодействие с Ni Основное назначение Cr Образует твердый раствор γ Повышение жаростойкости за счёт образования сплошной оксидной плёнки Al Образует фазу γ ’ (Ni 3 Al) Повышение жаропрочности из-за формирования дисперсных выделений γ ’ Ni 3 (Al,Ti) с той же решёткой, что и матрица γ Ti Образует фазу γ ’ (Ni 3 Ti) Неупорядоченная γ -фаза (ГЦК) Упорядоченная на основе ГЦК-решётки γ ’ -фаза ( Ni 3 Al )
Кубоидальные частицы γ ’ в матрице γ. Границы между γ и γ ’ – когерентные. Низкая межфазная энергия на когерентной границе γ ’ / γ → малый размер критического зародыша, низкая работа образования критического зародыша → высокая скорость зарождения зародышей γ ’ → большая дисперсность γ ’. Низкая движущая сила коалесценции → высокая устойчивость частиц γ ’ против укрупнения → стабильность структуры и свойств → высокие рабочие температуры и срок службы. www.msm.cam.uk
Сильная температурная зависимость растворимости γ ’ в γ – основа получения после закалки и старения большого количества упрочняющей фазы γ ’.
В упорядоченном кристалле одиночная дислокация нарушает атомный порядок, поэтому её скольжение чрезвычайно затруднено. Вторая дислокация порядок восстанавливает. Поэтому скольжение дислокаций в упорядоченном кристалле осуществляется парами. Однако при этом между дислокациями возникает антифазная граница (АФГ). Основной механизм упрочнения – образование и увеличение протяжённости АФГ при перерезании частиц γ ’ дислокациями.
Цифры над линиями – температура испытаний в о С.
