Eigenschaften von Aluminiumlegierungen

За какие Eigenschaften von Aluminium и алюминиевых сплавов их так охотно применяют во всех отраслях промышленности и строительстве?

Korrosionsbeständigkeit

Тонкая естественная оксидная пленка, которая прочно «сцеплена» с основным металлом, обеспечивает многим алюминиевым сплавам значительное сопротивление коррозии во многих атмосферных и химических средах. Особенно отличаются в этом сплавы серий 1ххх, 3xxx, 5ххх и 6ххх.

Bild 1 – Влияние легирующих элементов алюминиевых сплавов
на их коррозионную стойкость и усталостную прочность [3]

Теплопроводность

Алюминий и алюминиевые сплавы являются хорошими проводниками тепла. Теплопроводность алюминиевых сплавов более чем в четыре раза выше, чем у углеродистых сталей. Они начинают плавиться при значительно более низкой температуре, чем стали. Температура плавления чистого алюминия составляет около 660 ° C, а алюминиевые сплавы в зависимости от степени легирования начинают плавиться при более низких температурах, z.B, beim 515 °С для сплава 2017 (D1).

Bild 2 – Теплопроводность алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Электропроводность

Чистый алюминий и некоторые его сплавы имеют очень высокую электропроводность (низкое электрическое сопротивление), уступая только меди среди металлов, которые применяют в качестве проводников электричества. Gleichzeitig, на высоковольтных линиях электропередач, если это позволяет степень загрязненности воздушной атмосферы, применяют именно алюминиевые провода. Они имеют большее поперечное сечение, чем эквивалентные медные провода, однако и вдвое меньший вес, что позволяет, insbesondere, реже ставить опоры и уменьшать их высоту.

Bild 3 – Электрические свойства алюминия [3]

Отношение прочности к весу

Высокое отношение прочность/вес – относительно высокая прочность при низкой плотностиопределяет высокую эффективность алюминиевых сплавов и открывает много возможностей для замены более тяжелых металлов без потери (а может быть и с увеличением) несущей способности изделия или детали. Эта особенность алюминиевых сплавов в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью, а также возможности полной переработки после окончания срока службы, обеспечивает им широкое применение производстве контейнеров и в транспортном машиностроении (самолеты, автомобили, пассажирские вагоны).

Bild 4 – Объем на единицу веса алюминия в сравнении с другими металлами [3]

Алюминий при низких температурах

Aluminiumlegierungen, особенно сплавы серий 3ххх, 5ххх и 6ххх идеально подходят для работы при низких температурах. Многочисленные данные подтверждают, что их пластичность и вязкость, также как и прочность, выше при отрицательных температурах, вплоть до абсолютного нуля, чем при «комнатной» температуре.

Bild 5 – Прочностные свойства алюминиевого сплава 6061 (AD33),
термически обработанного, искусственно состаренного [3]

Технологическая обработка

Алюминиевые сплавы легко обрабатываются большинством известных технологий обработки металлов и особенно легко поддаются прессованию. Прессованием называется процесс продавливания нагретого металла через матрицу, формирующую профили со сложным поперечным сечением. Иногда, это процесс называют более подходящим именем – экструзия. Это свойство алюминиевых сплавов дает возможность изготавливать из них профили с практически неограниченным разнообразием форм поперечного сечения. Это позволяет располагать металл в тех местах и таким образом, чтобы обеспечивать профилю максимальную несущую способность под воздействием заданных нагрузок.

Методы соединения алюминия

Детали из алюминиевых сплавов соединяют с помощью большого количества способов, включая, сварку, пайку, клепку, винтовые соединения, не говоря о большом разнообразии механических способов. Aluminiumschweißen может показаться трудной для тех, кто имеет опыт работы только со сталями и попытается перенести его на алюминий. Сварку алюминиевых сплавов считают довольно легкой, когда применяют такие проверенные методы, как дуговая сварка плавящимся электродом (MIG) и вольфрамовым неплавящимся электродом (TIG) в среде инертного газа.

Переработка лома

Важной характеристикой алюминиевых сплавов является то, что их жизненный цикл практически полностью замкнутони легко поддаются повторному использованию – Recycling – und, в отличие от других конструкционных материалов, они перерабатываются почти в такую же высококачественную продукцию.

Bild 5 – Линия по переработке использованных алюминиевых банок
в слитки для прокатки тонкого листа для изготовления новых банок [3]

Свойства типичные и нормированные

Данные о свойствах алюминия und Aluminiumlegierungen, как и других промышленных материалов, бывают двух основных видов:

  • типичные (номинальные) и
  • нормированные (предельные).

Типичные физические свойства

Physikalische Eigenschaften, такие как:

  • коэффициент термического расширения,
  • коэффициент теплопроводности,
  • электропроводимость,
  • электрическое сопротивление и даже
  • Dichte

практически всегда являются типичными величинами. Их получают по результатам лабораторных испытаний репрезентативных промышленных партий изделий.

Типичные физические свойства алюминиевых сплавов используются как основание для сравнения сплавов и их состояний и не должны применяться для инженерных расчетов.

Типичные физические свойства не являются гарантированными величинами, поскольку в большинстве случаев представляют собой осредненные значения для изделий с различными размерами, формами, и методами изготовления и не могут быть в точности репрезентативными для изделий любых размеров и форм.

Typische mechanische Eigenschaften

Механические свойства могут быть и типичными, и нормированными.

Типичные значения механических свойств:

  • предела прочности,
  • предела текучести,
  • удлинения,
  • твердости,
  • усталостной выносливости

– это их средние oder медианные значения вблизи пика функций распределения.

Bild 6 – Einfluss von Legierungselementen auf die Zugfestigkeit, Härte,
чувствительность к надрезу и пластичность [3]

Bild 7 – Влияние легирующих элементов алюминиевых сплавов
на их плотность и модуль упругости (модуль Юнга) [3]

Bild 8 – Различие явления усталости
между низкоуглеродистой сталью и алюминиевыми сплавами [3]

Эти функции распределения получают при обработке результатов стандартных испытаний выборок образцов из многих промышленных партий изделий. Типичные значения являются репрезентативными для изделий со средним поперечным сечением или толщиной. Они наиболее хорошо подходят для демонстрации соотношений между сплавами и их состояниями. Однако эти данные не годятся для прочностных расчетов конструкций и деталей. So, типичные величины предела прочности на растяжение, z.B, не включают их более высоких значений (на 5-10 % выше), свойственных тонким прессованным профилям, а также более низких значений, которые характерны для очень толстых, термически упрочненных изделий.

Standardisierte mechanische Eigenschaften

Для прочностных расчетов конструкций и деталей применяют нормированные (предельные) значения механических свойств. Нормированное значение – это значение, характеризующее свойства материала или продукта, которое имеет определенную вероятность не превышения при неограниченной серии испытаний. Это числовое значение, обычно соответствует определенной квантили принятого статистического распределения рассматриваемого материала или продукта.

Предельное значение механических свойств обычно устанавливают на базе принципа, согласно которому 99 % материала партии изделий соответствуют ему с вероятностью 0,95. В большинстве случаев эти предельные значения основаны на нормальном распределении данных. Предельные значения механических свойств обычно используют для расчета деталей или конструкций, а также для приемки промышленных партий.

Осредненные механические свойства

Некоторые прочностные параметры материала (например, Elastizitätsmodul, коэффициент ползучести, коэффициент термического расширения) используют в прочностных расчетах и в виде типичных, осредненных величин. В некоторых случаях, z.B, при оценке устойчивости, применяют более низкое или более высокое значение модуля упругости по отношению к его среднему значению.

Quellen:
1. Aluminium und Aluminiumlegierungen. – ASM International, 1993.
2. EN1990:2002 Eurocode 0: Basis of structural design.
3. TALAT 1501