Aluminum durability

CHARACTERISTICS strength alloys

Almost any structural material, including, and aluminum, основными механическими характеристиками являются:

  • ultimate tensile strength,
  • yield stress 0,2 %
  • relative extension.

Structural aluminum alloys have a minimum tensile strength in the range of 200 by 500 MPa. Maximum strength aerospace alloys have, doped with zinc and copper, for example, alloy 7075 (drawing 1).

 

Figure 1 – Levels strength aluminum alloys

Нелегированный алюминий не способен достигать такого уровня прочности даже в нагартованных (наклепанных) состояниях, which arise as a result of cold plastic deformation. These conditions are achieved, for example, cold rolling and drawing sheets extruded tubes. At the same time, cold deformation of unalloyed aluminum leads to a significant increase in its strength properties (предела прочности Rm and tensile yield strength Rp0,2) по сравнению с нелегированным алюминием в «мягком» состоянии, for example, после отжига (рисунок 2).

Typical structural aluminum alloys, which are used for load-bearing structures of buildings, are highly alloyed variants thermally neuprochnyaemyh alloys of Al-Mg and Al-Mg-Mn systems and thermally hardenable alloys Al-Mg-Si and Al-Zn-Mg.

Figure 2- The minimum values ​​of yield strength 0,2% and
tensile strength
according to the European Standards EN 485-2, EN 754-2 и EN 755-2
dля различных типов деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Two strengthening mechanism

There are two mechanisms of hardening aluminum alloys, которые могут дополнять друг друга:

  • деформационное упрочнение (нагартовка) и
  • термическое упрочнение (старение).

The starting point for evaluating the degree of growth of strength aluminum alloys as a result of deformation or thermal bonding is typically used quantities strength characteristics of the alloy in the "soft" state, which is its complete state after annealing.

Even in the fully annealed alloy of any strength increases with increasing content of interstitial atoms in the solid solution of aluminum, that is, increasing the content of alloying elements. Examples include alloys of Al-Mg and Al-Mg-Mn, которые показаны кружками с плюсиками (+) в нижней части диаграммы рисунка 1.

strain hardening

Strain hardening - a plastic deformation, for example, as a result of cold rolling, which creates dislocation in the crystal lattice of aluminum. With more and more confronted with each other as the degree of plastic deformation of these dislocations and, as a result, increased resistance to further deformation and, Consequently, strength level is increased. Деформационное упрочнение (нагартовка) проявляется себя в виде сильного увеличения отношения Rp0,2/Rm with a corresponding notable reduction in magnitude of the elongation at fracture of the test specimen.

Figure 3 – Влияние степени нагартовки на механические свойства [3]

Этот механизм упрочнения применяют для повышения прочности алюминия и алюминиевых сплавов следующих систем легирования:

  • Al
  • Al-Mn
  • Al-Mg
  • Al-Mg-Mn

Soft annealing

recrystallization

Any increase in strength as a result of strain hardening disappears at a temperature above 250 ° C as a result of recrystallization and strength aluminum alloy returns to the level, who was in his "soft" state. Отжиг при температуре ниже температуры рекристаллизации (которая зависит от химического состава сплава и степени холодной пластической деформации) приводит к менее драматичной потере прочности в результате процесса возврата.

Figure 4 – Изменение твердости и структуры при отжиге [3]

Return

Такое термическое смягчение (отжиг при температуре 200-250 ºС) применяют, for example, for "semisolid" state for a sheet, which is in the "solid" state. For a given level of strength aluminum alloy elongation is significantly higher, than for the same level of strength, which is obtained by treating a cold plastic.

Figure 5 – Isothermal annealing curves alloy 5754 [3]

thermal hardening

Thermal hardening aluminum alloy is mainly due to aging mechanism. This mechanism is applicable only reinforcing certain systems aluminum alloys, such as:

  • Al-Cu
  • Al-Cu-Mg
  • Al-Mg-Si
  • Al-Zn
  • Al-Zn-Mg
  • Al-Zn-Сu-Mg

Heating for quenching and tempering

Pre-hardening operation for this mechanism is the heating operation to a temperature, in which as much as possible alloying elements turned into solid solution of aluminum. This operation is called a thermal treatment at a solid solution by heating for quenching or. Then the alloy is rapidly cooled by quenching to room temperature, resulting in overcooling of the solid solution of aluminum and "freeze" in its alloying elements in a thermodynamically nonequilibrium state.

Figure 6 – Операции термического упрочнения сплавов серии 6ххх [3]

Aging

The process of age hardening occurs, если этот закаленный сплав:

  • хранят в течение длительного времени при комнатной температуре (естественное старение) – Figure 7;
  • выдерживают при повышенной температуре (около 200 ºС) в течение нескольких часов (искусственное старение) – Figure 8.


Figure 7 – Temperature effect on the natural aging of the alloy 2024
(Rm – tensile strength, Rp0.2 – предел текучести (0,2%)) [3]


Figure 8 – Typical curves of artificial aging
at different temperatures for alloy 2024 [3]

Tensile strength

On the image 9 показаны типичные кривые напряжение-деформация при испытаниях на одноосное растяжение четырех различных алюминиевых сплавов в сравнении с:

  • низкоуглеродистой сталью;
  • high-strength steel and
  • tytanovыm alloy.

Curves-naprjazenie-strain-aljuminija-and-cost

Figure 9 Stress-strain curves of aluminum alloys
в сравнении с другими конструкционными материалами [2]

Алюминий представляют:

  • 99,5 %-ный алюминий (марка алюминия 1050А по международной классификации – analogue aluminum brand AD0 GOST 4784-97) в отожженном состоянии; хорошо подходит для глубокой штамповки;
  • aluminum alloy Al-Mg system with 4,5 % magnesium – alloy 5083 (АМг4,5) в полунагартованном состоянии (Н12); применяется в морских и сварных конструкциях;
  • Aluminium alloy 6082 (АД35) системы Al-Mg-Mn-Si, закаленный и состаренный до состояния Т6 (на максимальную прочность); применяется в строительстве;
  • Aluminium alloy 7075 (В95) системы Al-Zn-Mg-Cu в состоянии максимального термического упрочнения; применяется в самолетостроении.

(Численные данные по прочности на растяжение многих алюминиевых сплавов см. here).

The ratio of strength / weight

As seen from the figure 1, of all high-strength steel represented metals have the highest strength to weight ratio. This is followed by the titanium alloy Ti-6Al-4V and aircraft aluminum alloys, and little more - Aluminum alloy 5083-H12 and 6082-T6.

If we consider the strength, which is achieved per unit weight, dividing the strength by the density, то мы получим совсем другую картину (рисунок 10). In this approach the most efficient structural material is aluminum alloy 7075, and alloys 5083-H12 and 6082-T6 appear to be more effective, than the low-carbon steel.

 

prochnost-aljuminija-po-otnosheniju-k-plotnosti

Figure 10 - strength per unit density of aluminum alloys, and
других конструкционных материалов [2]

Sources:
1. Materials Aluminum Association Germany
2. TALAT 1501
3. Corrosion Aluminium /Ch. dragline – ELSEVIER, 2004