Heat-treatable aluminium in Eurocode 9

Европейский стандарт EN 1999-1-1, который входит в серию стандартов EUROCODE 9 или Еврокод 9, определяет общие правила и нормы применения алюминиевых сплавов в строительных конструкциях. Еврокод 9 является, в свою очередь, частью серии европейских стандартов для строительства под общим названием EUROCODE.

Алюминиевые сплавы в Еврокоде 9

Еврокод 9 включает рекомендации по применению в строительстве следующих типов алюминиевых сплавов:

• деформируемые, термически упрочняемые
• деформируемые,  термически неупрочняемые
• литейные, как термически упрочняемые, так и термически неупрочняемые.

Ниже представлены рекомендации Еврокода 9 по применению деформируемых алюминиевых сплавов, которые упрочняются термической обработкой [1]

Термически упрочняемый алюминий

Термическое упрочнение

В термически упрочняемых сплавах один (Cu, Zn) или несколько элементов (Mg и Si) могут образовывать интерметаллические соединения, которые связаны с алюминиевой матрицей (GP Zones) (рис. 1). Эти GP Zones образуют дефекты атомной решетки. Это дает увеличение прочности алюминиевого сплава за счет увеличения сопроивления движению дислокаций в атомной решетке (рис. 2).

Процесс термического упрочнения начинается с того, что сплав нагревают выше некоторой контрольной температуры и выдерживают его до тех пор, пока не образуется однородный (твердый) раствор. Затем необходима закалка для получения равномерного распределения всех элементов при температуре окружающей среды. После этого старение приводит к тому, что участвующие элементы начинают диффундировать в алюминиевую матрицу, возникают многочисленные центры зародышеобразования и образуются упрочняющие интерметаллические соединения.

Fig. 1 – GP zones in Al-Cu, Al-Zn and Al-Mg-Si alloys [3]

Fig. 2 – GP zones rezisting dislocation movement [3]

Искусственное старение

Естественное старение начинается сразу после закалки с относительно высокой скоростью, но постепенно, а затем асимптотически приближается к верхнему пределу (T4 на рис. х). В зависимости от сплава процесс естественного старения может занять несколько недель, но для большинства сплавов его можно считать завершенным через неделю.

Искусственное старение может начаться на несколько часов (но и дней, в зависимости от производственных потребностей) позже. Материал, подлежащий искусственному старению, помещают в печь, что позволяет проводить старение в различных температурных режимах. Типичным для всех температур является быстрое упрочнение, постепенно достигающее максимума (Т6). Если материал подвергается воздействию высоких температур в течение более длительного времени, влияние упрочняющих выделений на прочность снижается, и мы получаем состояние перестаривания (Т7).

Как правило, сплавы со старением характеризуются лучшей пластичностью, коррозионной стойкостью (некоторые сплавы, содержащие медь и/или цинк) и лучшей электропроводностью. Термически упрочняемые алюминиевые сплавы преобладают во многих областях, например, экструдированые профилию.

Fig. 3 – Typical ageing curves [3]

Fig. 4 – Strength in function of ageing time at ambient and elevated temperature [2]

 Влияние тепла сварки

Сварка вызывает значительные потери в прочности  материала. В случае сварки температура настолько высока, что эффекты снижения прочности вблизи сварного шва (так называемая зона термического влияния HAZ (рис. 5)) должны быть приняты во вниманиею Часто это является важным аспектом проверки конструкции конструкции. Термически упрочняемые сплавы в состоянии Т6  имеют потерю примерно 40 % своей прочности за единственным исключением сплава 7020, который теряет только 20 % своей первоначальной прочности. Для облегчения проектных расчетов область потерь прочности заменяется прямоугольной областью с шириной Bhaz, которая стандартизирована и может зависеть от толщины материала в пределах нескольких десятков миллиметров. Величина прочности в этой зоне также нормируется и зависит от сплава и состояния [2].

Fig. 5 – Reduction of strength in the heat affected zone (HAZ) (typical for EN AW-6082-T6) [2]

Термически упрочняемые сплавы в Eurocode 9

Еврокод 9 рекомендует применение в строительных конструкциях термически упрочняемые деформируемые алюминиевые сплавы из  двух серий:

• 6ххх
• 7ххх.

Из алюминиевых сплавов серии 6ххх для применения в строительстве рекомендуются следующие сплавы (опускаем здесь и далее при обозначении громоздкую «приставку» EN AW):

• 6060
• 66061
• 6063
• 6005A
• 6082
• 6106

Из алюминиевых сплавов серии 7ххх в строительных конструкциях применятся только сплав:

• 7020.

Типы строительной продукции

Fig. 6 – Фрагмент таблицы 3.1а из стандарта EN 1999-1-1:
строительная продукция из термоупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Химический состав алюминиевых сплавов

На рисунке 7 показан фрагмент таблицы 6 из EN 573-3 для термоупрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов, включенным в Eurocode 9 [4].

Fig. 7 – Фрагмент  таблицы 6 из EN 573-3
для термоупрочняемых деформируемых алюминиевов сплавов в Eurocode 9 [4]

Прочностные свойства профилей, листов и лент

На рис. 8 и 9 показаны характеристические прочностные свойства алюминиевой продукции из сплавов 6082. 6061, 6005А, 6106, 6063, 6060 и 7020.
Fig. 8 – Фрагмент  таблицы 3.2а  из EN 1999-1-1
для термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Fig. 9 – Фрагмент  таблицы 3.2b  из EN 1999-1-1
для термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Выбор термически упрочняемого деформируемого алюминиевого сплава

Выбор подходящего материала из алюминия или алюминиевого сплава для любого применения в конструкционной области определяется сочетанием факторов:

• прочность
• долговечность
• физические свойства
• свариваемость
• формуемость
• доступность как в сплаве, так и в конкретной требуемой форме.

Сравнительные свойства и характеристики этих сплавов представлены в таблице C.I стандарта EN 1999-1-1 (Fig. 5). Свойства и характеристики могут варьироваться в зависимости от состояния сплава.

Fig. 10 – Фрагмент  таблицы C.1  из EN 1999-1-1
для термически упрочняемых деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Алюминиевые сплавы 6082 и 6061

Строительная продукция

Алюминиевый сплав 6082 наиболее широко применяется в строительстве в качестве термически упрочняемого сплава. Обычно этот сплав является основным строительных алюминиевым сплавом для как сварных конструкций, так и конструкций без применения сварки. Сплав 6082 – это высокопрочный сплав, который применяется в различных видах алюминиевого проката:

• сплошных и полых прессованных профилей;
• плит (толстых листов);
• листов;
• поковок.

Сплав 6082 также все шире применяют в конструкциях, которые работают в морской атмосфере.

Сплав 6061 также является широко применяемым термически упрочняемым алюминиевым сплавом для конструкций как с применением сварки, так без нее. Этот сплав применяет в виде:

• прутков,
• сплошных и полых профилей, а также
• труб.

Оба сплава – 6082 и 6061 – обычно применяют в полностью термоупрочненном состоянии Т6: 6082-Т6 и 6061-Т6.

Свойства

Выбор сплавов 6082 и 6061 в качестве конструкционных материалов обеспечивает благоприятная комбинация их свойств:

• высокая прочность после термического упрочнения;
• хорошая коррозионная стойкость;
• хорошая свариваемость как методом MIG, так и методом TIG;
• хорошая способность к формовке (например, гибке) в состоянии Т4 (естественное старение);
• хорошая обрабатываемость резанием.

Применение сплавов 6082 и 6061 в прессованных профилях ограничено менее сложными формами поперечного сечения, чем для других сплавов серии 6ххх.

Алюминиевый сплав 6082 можно соединять заклепками из сплавов 6082, 5754 или 5019 в отожженном состоянии О или более твердых состояниях.

Сварка

Для этих сплавов необходимо учитывать потеря прочности в зоне термического влияния сварки сварных соединений (см. таблицы 2 и 3). Уровень прочности сварных соединений может в определенной степени восстанавливаться за счет естественного старения материала в зоне термического влияния сварного шва. Потеря прочности для состояния Т6 обычно составляет около 40 % (см. таблицы 2) [1].

Алюминиевый сплав 6005А

Прямой отечественный аналог для сплава 6005А отсутствует.

Строительная продукция

Сплав 6005А, который также рекомендуется для строительных конструкций, применяется только в виде прессованных профилей.

Свойства

• Этот сплав имеет довольно высокую прочность и, в тоже время, может прессоваться в более сложные профили, чем сплавы 6082 и 6061. Это особенно относится к тонкостенным полым профилям.
• Коррозионная стойкость сварных и несварных конструкционных элементов из сплава 6005А аналогична стойкости сплава 6082.
• Остальные свойства сплава 6005А аналогичны свойствам сплава 6082 [1].

Сварка

• Аналогично сплавам 6082 и 6061 сплав 6005А хорошо поддается сварке методами TIG и MIG.
• Имеет аналогичную сплаву 6082 потерю прочности в зоне термического влияния сварного шва: для состояния Т6 – около 40 % (см. таблицы 2 и 3) [1].

Алюминиевые сплавы 6060, 6063 и 6106

Строительная продукция

Сплавы 6060, 6063 и 6106 рекомендуются для применения строительных конструкциях. Эти сплавы применяют только в виде прессованных и холоднотянутых изделий. Их применяют, если прочность не имеет первостепенного значения, но требуется хороший внешний вид изделия. Эти сплавы обеспечивают хорошую стойкость к воздействию окружающей среды, хорошо поддаются нанесению защитных и декоративных покрытий и, самое главное, обладают способностью прессоваться в профили с тонкими стенками и сложным поперечным сечением.

Эти сплавы особенно хорошо подходят для анодирования [1].

Сварка

Как и все сплавы серии 6ххх сплавы 6060, 6063 и 6106 хорошо свариваются как методом MIG, так и методом TIG и также теряют прочность в зоне термического влияния сварных соединений. Потеря прочности для состояния Т6 составляет около 40 % (см. таблицы 2 и 3).

Алюминиевый сплав 7020

Сплав 7020 рекомендуется для применения в сварных и несварных строительных конструкциях.

Строительная продукция

Из этого высокопрочного сплава производят сплошные и полые прессованные профили, тонкие и толстые листы, а также трубы. Из этого сплава не так легко прессовать сложные профили, как из сплавов серии 6ххх. Поэтому этому изделия из сплава 7020 изготавливают обычно только под заказ, и они могут иметь более длительный срок поставки.

Сплав 7020, как правило, применяют в полностью термически упрочненном состоянии – 7020-Т6. Этот сплав имеет более высокую прочность в зоне термического влияния сварного шва, чем сплавы серии 6ххх, благодаря его высоким прочностным свойствам после естественного старения.

Свойства

Этот сплав, как и другие сплавы серии 7ххх, является весьма чувствительным к воздействию климатических воздействий. Поэтому его нормальная работа зависит как от правильных методов изготовления и обработки, так и контроля химического состава. Из-за подверженности подповерхностной коррозии на стадии изготовления продукции сплав применяют только в состоянии Т4, а уже после полного изготовления всей конструкции, по возможности, подвергают искусственному старению.

Если зона термического влияния сварки не подвергается после сварки термической обработке, то может понадобиться ее защита от воздействия климатических факторов.

Если изделие из сплава 7020 в состоянии Т6 подвергается каким-либо технологическим операциям, которые могут вызвать наклеп, например, таким как, гибка, резка или пробивка отверстий, то повышается опасность его растрескивания из-за коррозии под напряжением. Это является очень важным и поэтому должно быть прямое сотрудничество конструкторов и производителей по предполагаемым применением и возможными условиями эксплуатации изделия из сплава 7020.

Сварка

Сплав 7020 хорошо поддается сварке методами TIG и MIG. Потеря прочности в зоне термического влияния для состояния Т6 составляет около 20 % (см. таблицы 2 и 3).

 

Источники:

1. EN 1999-1-1:2014
2. Design of aluminium structures Introduction to Eurocode 9 with worked examples – European Aluminium – 2020
3. TALAT 1204
4. EN 573-3