Strength of aluminium and aluminium alloys

Main mechanical properties

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

• прочность при растяжении,
• 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 c цинком и медью, например, сплав 7075 (рисунок 1).

 

Рисунок 1 – Strength levels of various aluminium alloys

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 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.

 

Figure 3 – Influence of strain hardening on mechanical properties [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.

Figure 4 – Change in hardness and structure during annealing [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.

Figure 5 – Isotermal annealing curves of allloy 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, что приводит к переохлаждению твердого раствора алюминия и «замораживанию» в нем легирующих элементов в термодинамически неравновесном состоянии.

Figure 6 – Sequences of age hardening of 6ххх aluminium alloys [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.

Figure 7 – Effect of temperature on the natural ageing of alooy 2024
(Rm – tensile strength, Rp0.2 – yield strength 0,2%) [3]

Figure 8 – Typical artificial ageing curves (alloy 2024) [3]

Tensile strength

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.

Figure 9 – Stress-Strain Curves of Aluminium
in Comparision with Various Metals and Alloys [2]

     Алюминий представляют:

• 99,5 %-ный алюминий (алюминиq 1050А)  в отожженном состоянии; хорошо подходит для глубокой штамповки;
• алюминиевый сплав системы Al-Mg с 4,5 % магния – сплав 5083 в полунагартованном состоянии (Н12); применяется в морских и сварных конструкциях;
• алюминиевый сплав 6082 системы Al-Mg-Mn-Si, закаленный и состаренный до состояния Т6 (на максимальную прочность); применяется в строительстве;
• алюминиевый сплав 7075 системы Al-Zn-Mg-Cu в состоянии максимального термического упрочнения; применяется в самолетостроении.

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

Specific strength

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.

 

Figure 10 – Density-Related Strength of Aluminium
in Comparision with Various Metals and Alloys [2]

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