Свойства алюминия и его сплавов 

Свойства алюминиевых сплавов

 

За какие свойства алюминия и алюминиевых сплавов их так охотно применяют во всех отраслях промышленности и строительстве?

Коррозионная стойкость

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

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

Теплопроводность

Алюминий и алюминиевые сплавы являются хорошими проводниками тепла. Это свойство – теплопроводность – у 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 °С, а алюминиевые сплавы в зависимости от степени легирования начинают плавиться при более низких температурах, например, при 515 °С для сплава 2017 (Д1).

Рисунок 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. Вместе с тем, 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, в частности, реже ставить опоры и уменьшать их высоту.

Рисунок 3 – Электрические свойства алюминия [3]

Отношение прочности к весу

Высокое отношение прочность/вес – относительно высокая прочность при низкой плотности – определяет 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).

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

Алюминий при низких температурах

Алюминиевые сплавы, 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.

Рисунок 5 – Прочностные свойства алюминиевого сплава 6061 (АД33),
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. Сварка алюминия 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 замкнут – они легко поддаются повторному использованию – рециклингу – и, в отличие от других конструкционных материалов, они перерабатываются почти в такую же высококачественную продукцию.

Рисунок 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 и алюминиевых сплавов, как и других промышленных материалов, бывают двух основных видов:

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

Типичные физические свойства

Физические свойства, такие как:

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

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.

Типичные механические свойства

Механические свойства могут быть и типичными, и нормированными.

Типичные значения механических свойств:

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

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

Рисунок 6 – Влияние легирующих элементов на прочность при растяжении, твердость,
чувствительность к надрезу и пластичность [3]

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

Рисунок 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. Так, типичные величины предела прочности на растяжение, например, 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.

Нормированные механические свойства

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

Источники:
1. Aluminium and Aluminium Alloys. – ASM International, 1993.
2. EN1990:2002 Eurocode 0: Basis of structural design.
3. TALAT 1501