Прочность алюминия

Прочностные характерстики

Практически для любого конструкционного материала, в том числе, и для алюминия, основными механическими характеристиками являются:

• предел прочности на растяжение,
• предел текучести 0,2 %
• относительное удлинение.

Алюминиевые конструкционные сплавы имеют минимальную прочность на растяжение в интервале от 200 до 500 МПа. Максимальную прочность имеют аэрокосмические сплавы, легированные цинком и медью, например, сплав 7075 (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Уровни прочности алюминиевых сплавов

Нелегированный алюминий не способен достигать такого уровня прочности даже в нагартованных (наклепанных) состояниях, которые возникают в результате его холодной пластической деформации. Эти состояния достигаются, например, при холодной прокатке листов и волочении прессованных труб. Вместе с тем, холодная деформация нелегированного алюминия приводит к значительному росту его прочностных свойств (предела прочности R_m при растяжении и предела текучести R_p0,2) по сравнению с нелегированным алюминием в «мягком» состоянии, например, после отжига (рисунок 2).

Типичными конструкционными алюминиевыми сплавами, которые применяют для несущих конструкций зданий и сооружений, являются высоколегированные варианты термически неупрочняемых сплавов систем Al-Mg и Al-Mg-Mn и термически упрочняемых сплавов систем Al-Mg-Si и Al-Zn-Mg.

Рисунок 2- Минимальные величины предела текучести 0,2% и
предела прочности при растяжении
согласно европейских стандартов EN 485-2, EN 754-2 и EN 755-2
для различных типов деформируемых алюминиевых сплавов [1]

Два механизма упрочнения

Существует два механизма упрочнения алюминиевых сплавов, которые могут дополнять друг друга:

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

Точкой отсчета для оценки степени роста прочности алюминиевых сплавов в результате деформационного или термического упрочнения обычно применяют величины прочностных характеристик сплава в «мягком» состоянии, которым является его состояние после полного отжига.

Даже в состоянии полного отжига прочность любого сплава возрастает с увеличением содержания атомов внедрения в твердом растворе алюминия, то есть увеличения содержания легирующих элементов. Примерами являются сплавы систем Al-Mg и Al-Mg-Mn, которые показаны кружками с плюсиками (+) в нижней части диаграммы рисунка 1.

Деформационное упрочнение

Деформационное упрочнение – это пластическая деформация, например, в результате холодной прокатки, которая создает дислокации в кристаллической решетке алюминия. С ростом степени пластической деформации эти дислокации все больше сталкиваются друг с другом и, в результате этого, увеличивают сопротивление дальнейшей деформации и, следовательно, происходит увеличение уровня прочности. Деформационное упрочнение (нагартовка) проявляется себя в виде сильного увеличения отношения  R_p0,2/R_m с соответствующим заметным снижением величины относительного удлинения при разрушении испытательного образца.

Рисунок 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

Смягчающий отжиг

Рекристаллизация

Любое увеличение прочности в результате деформационного упрочнения исчезает при температуре выше 250 ºС как следствие рекристаллизации и прочность алюминиевого сплава возвращается к тому уровню, которые было у него в «мягком» состоянии. 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.

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

Возврат

Такое термическое смягчение (отжиг при температуре 200-250 ºС) применяют, например, для получения «полутвердого» состояния для листа, который находится в «твердом» состоянии. Для заданного уровня прочности алюминиевого сплава относительное удлинение будет значительно выше, чем для того же уровня прочности, которое получено просто холодной пластической обработкой.

Рисунок 5 – Изотермические кривые отжига сплава 5754 [3]

Термическое упрочнение

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов происходит в основном за счет механизма старения. Поэтому этот упрочняющий механизм применим только некоторым системам алюминиевых сплавов, таким как:

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

Нагрев под закалку и закалка

Предварительной операцией для этого механизма упрочнения является операция нагрева до температуры, при которой как можно больше легирующих элементов перешло в твердый раствор алюминия. Эта операция называется термической обработкой на твердый раствор или нагревом под закалку. Затем сплав быстро охлаждают до комнатной температуры путем закалки, что приводит к переохлаждению твердого раствора алюминия и «замораживанию» в нем легирующих элементов в термодинамически неравновесном состоянии.

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

Старение

Процесс упрочнения старением происходит, если этот закаленный сплав:

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

Рисунок 7 – Влияние температуры на естественное старение сплава 2024
(Rm – предел прочности при растяжении, Rp0.2 – предел текучести (0,2%)) [3]

Рисунок 8 – Типичные кривые искусственного старения
при различных температурах для сплава 2024 [3]

Предел прочности  

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

• низкоуглеродистой сталью;
• высокопрочной сталью и
• титановым сплавом.

Рисунок 9– Кривые напряжение-деформация алюминиевых сплавов
в сравнении с другими конструкционными материалами [2]

     Алюминий представляют:

• 99,5 %-ный алюминий (марка алюминия 1050А по международной классификации – аналог марки алюминия АД0 по ГОСТ 4784-97)  в отожженном состоянии; хорошо подходит для глубокой штамповки;
• алюминиевый сплав системы Al-Mg с 4,5 % магния – сплав 5083 (АМг4,5) в полунагартованном состоянии (Н12); применяется в морских и сварных конструкциях;
• алюминиевый сплав 6082 (АД35) системы Al-Mg-Mn-Si, закаленный и состаренный до состояния Т6 (на максимальную прочность); применяется в строительстве;
• алюминиевый сплав 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. здесь).

Отношение прочность/вес 

Как видно из рисунка 1, из всех представленных металлов высокопрочные стали имеют самое высокое отношение прочности к весу. За ними следует титановый сплав Ti-6Al-4V и самолетные алюминиевые сплавы и чуть далее – алюминиевые сплавы 5083-Н12 и 6082-Т6.

Если же рассматривать прочность, которая достигается на единицу массы, поделив прочность на плотность, то мы получим совсем другую картину (рисунок 10). При таком подходе наиболее эффективным конструкционным материалом является алюминиевый сплав 7075, а сплавы 5083-Н12 и 6082-Т6 выглядят более эффективными, чем низкоуглеродистые стали.

 

 

Рисунок 10 – Прочность на единицу плотности алюминиевых сплавов и
других конструкционных материалов [2]

Источники:
1. Материалы Алюминиевой ассоциации Германии
2. TALAT 1501
3. Corrosion Aluminium /Ch. Vargel – ELSEVIER, 2004