Aluminium properties

Useful properties of aluminium

Особенно полезными свойствами алюминия для его применения в технике, производстве и быту являются:

  • низкая плотность;
  • высокая коррозионная стойкость;
  • высокая теплопроводность;
  • высокая электропроводность.

Алюминий как химический элемент

  • Третий по распространенности – после кислорода и кремния – среди около 90 химических элементов, который обнаружены в земной коре.
  • Среди элементов-металлов – он первый.
  • Обладает многими полезными свойствами, физическими, механическими, технологическими – благодаря которым он широко применяется во всех сферах человеческой деятельности.
  • Ковкий металл, который имеет серебристо-белый цвет и легко обрабатывается большинством методов обработки металлов давлением: прокаткой, волочением, экструзией (прессованием), ковкой.
  • Плотность составляет около 2,70 граммов на кубический сантиметр.
  • Температура плавления чистого алюминия составляет около 660 градусов Цельсия.
  • Имеет относительно высокие коэффициенты теплопроводности и электропроводности.
  • В присутствии кислорода всегда покрыт тонкой, невидимой пленкой оксида. Эта пленка является в значительной степени непроницаемой и довольно хорошо защищает металл внутри от коррозии.

Комбинация свойств алюминия

Низкая плотность

  • Алюминий – это один из самых легких промышленных конструкционных.
  • Плотность алюминия приблизительно в три раза ниже, чем у стали или меди.
  • Это дает высокую удельную прочность – прочность на единицу массы.

Figure 1 – Volume per Unit Weight [3]

 

Effect of Aluminium Alloying Elements
Figure 2 – The Effect of Alloying Elements on Tensile Strength, hardness, Impact Sensibility and Ductility [3]

Density-Related Strength of AluminiumFigure 3 – Density-Related Strength of Aluminium in Comprasion with Various Metals and Alloys [3]

Stress-Strain Curves of AluminiumFigure 4 – Stress-Strain Curves of Aluminium in Comparision with Various Metals and Alloys [3]

Поэтому алюминиевые сплавы широко применяют в транспортном машиностроении для увеличения грузоподъемности транспортных средств и экономии топлива.

  • Пассажирские вагоны
  • Паромные катамараны,
  • Нефтяные танкеры и
  • Самолеты –

вот лучшие примеры применения алюминия в транспорте.

Зависимость плотности алюминия от его чистоты и температуры
Figure 5 – The Effects of Aluminium Purity and Temperature on Aluminium Density [2]

Коррозионная стойкость

Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость благодаря тонкому слою оксида алюминия на его поверхности. Эта оксидная пленка мгновенно образуется, как только свежая поверхность алюминия входит в контакт с воздухом (рисунок 4). Во многих случаях это свойство позволяет применение алюминия без какой-либо специальной обработки поверхности. Если требуется дополнительное защитное или декоративное покрытие, то применяют анодирование или окраску его поверхности.

Коррозия алюминия через естественное оксидное покрытие
Figure 6
a – natural oxide film on ultra-pure aluminum;
b – corrosion of aluminum with a purity of 99.5% with a natural oxide film
in a corrosion-aggressive environment [2]

Effects-Alloying-Elements-Corrosion-Resistance Figure 7 –  The Effects of Alloying Elements on Corrosion Resistance and Fatigue Strength [3]

Pitting Corrosion Behaviour of 3103 Mill Finish Aluminium SheetFigure 8 – Pitting Corrosion Behaviour of 3103 Mill Finish Aluminium Sheet [3]

Прочность

Прочностные свойства чистого алюминия являются довольно низкими (рисунок 9). Механические свойства могут возрастать:

  • при добавлении легирующих элементов
  • термическом упрочнении (рисунок 10)
  • деформационному упрочнению (рисунок 11).

Типичными легирующими элементами являются:

  • марганец,
  • кремний,
  • медь,
  • магний
  • цинк.

Влияние чистоты алюминия на его прочность и твердость
Figure 9 – Влияние чистоты алюминия на его прочность и твердость [2]

Прочностные свойства алюминиево-медных сплавов
Figure 10 – Прочностные свойства высокочистых деформируемых
алюминиево-медных сплавов в различных состояниях [2]
(О – отожженный, W – сразу после закалки, Т4 – естественно состаренный, Т6 – искусственно состаренный)

Зависимость механических свойств марки алюминия 99,50% от степени нагартовки Рисунок 8 – Механические свойства алюминия 99,50 %
в зависимости от степени полученной холодной деформации [2]

Figure 11 – The Effect of Alloying Elements on Density and Young’s Modulus [3]

Прочность при низких температурах

  • Cталь становится хрупкой при низких температурах.
  • Алюминий при низких температурах повышает свою прочность и сохраняет высокую вязкость.
  • Это свойство дает возможность применения алюминия в условиях космического холода.

Tensile Properties of 6061 AlloyFigure 12 – Tensile Properties of 6061 Alloy Heat Treated, Artifically Aged [3]

Теплопроводность

Алюминий проводит тепло в три раза быстрее, чем сталь. Это физическое свойство является очень важным в теплообменных аппаратах для нагрева или охлаждения рабочей среды. Отсюда – широкое применение алюминия и его сплавов в кухонной посуде, кондиционерах воздуха, примышленных и автомобильных теплообменниках.

Thermal Conductivity Aluminium and other MetalsFigure 13 – Thermal Conductivity of Aluminium
Compared with other Metals [3]

Отражательная способность

Алюминий является отличным отражателем лучистой энергии во всем интервале длин волн. Это физическое свойство позволяет применять его в приборах, которые работают от ультрафиолетового спектра через видимый спектр до инфракрасного спектра и тепловых волн, а также таких электромагнитных волн, как радиоволны и радарные волны [1].

Алюминий имеет способность отражать более 80 % световых волн, что обеспечивает ему широкое применение в осветительных приборах (рисунок 11). Благодаря этому физическому свойству он находит применение в теплоизоляционных материалах. Например, алюминиевая кровля отражает большую долю солнечного излучения, что обеспечивает в помещениях прохладную атмосферу летом и, в то же время, сохраняет тепло помещения зимой.

Отражательные свойства алюминия
Figure 14– Reflectivity of Aluminium [2]

Reflectivity and Emissivity of AluminiumFigure 15 – Reflectivity and Emissivity of Aluminium
with Various Surface Treatments [3]

Figure 16 – Comparison of Reflectivity of Various Metals [3]

Электрические свойства

  • Алюминий является одним из двух доступных металлов, которые имеют достаточно высокую электрическую проводимость, чтобы применять их в качестве электрических проводников.
  • Электрическая проводимость «электрической» марки алюминия 1350 составляет около 62 % от международного стандарта IACS – электрической проводимости отожженной меди.
  • Однако удельный вес алюминия составляет только треть от удельного веса меди. Это означает, что он проводит в два раза больше электричества, чем медь того же веса. Это физическое свойство обеспечивает алюминию широкое применение в высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП), трансформаторах, электрических шинах и цоколях электрических лампочек.

Figure 17 – Electrical Properties of Aluminium [3]

Магнитные свойства

Алюминий обладает свойством не намагничиваться в электромагнитных полях. Это делает его полезным при защите оборудования от воздействия электромагнитных полей. Другим применением этого свойства является компьютерные диски и параболические антенны.


Figure 18 – Magnetic Susceptibility of AlCu Alloy [3]

Отсутствие токсических свойств

Это свойство алюминия – отсутствие токсичности – было обнаружено еще в начале его промышленного освоения. Именно это свойство алюминия дало возможность  его применения для изготовления кухонной посуды и приборов без какого-либо вредного воздействия для тела человека. Алюминий со своей гладкой поверхностью легко поддается чистке, что важно для обеспечения высокой гигиены при приготовлении пищи. Алюминиевая фольга и контейнеры широко и безопасно применяются при упаковке с прямым контактом с продуктами.

Звукоизоляционные свойства

Это свойство алюминия дает ему применение при выполнении звукоизоляции потолков.

Способность поглощать энергию удара

Алюминий имеет модуль упругости в три раза меньший, чем у стали. Это физическое свойство дает большое преимущество для изготовления автомобильных бамперов и других средств безопасности автомобилей.

Алюминиевые профили для поглощения энергии удара при аварии автомобиля

Рисунок 19 – Автомобильные алюминиевые профили
для поглощения энергии удара при аварии

Пожаробезопасные свойства

  • Алюминиевые детали не образует искр при ударе друг о друга, а также другие цветные металлы. Это важно для применения при повышенных мерах пожарной безопасности конструкций.
  • Вместе с тем, с повышением температуры выше 100 градусов Цельсия прочность алюминиевых сплавов значительно снижается (Figure).

Figure 20 – Tensile Strength of 2014-T6 at Test Temperatures [3]

Технологические свойства

Легкость, с которой алюминий может быть переработан в любую форму – технологичность, является одним из наиболее важных его достоинств. Очень часто он может успешно конкурировать с более дешевыми материалами, которые намного труднее обрабатывать:

  • Этот металл может быть отлит любым методом, который известен металлургам-литейщикам.
  • Он может прокатан до любой толщины вплоть до фольги, которая тоньше листа бумаги.
  • Алюминиевые листы можно штамповать, вытягивать, высаживать и формовать всем известными методами обработки металлов давлением.
  • Алюминий можно ковать всеми методами ковки
  • Алюминиевая проволока, которую волочат из круглого прутка, может затем сплетаться в электрические кабели любого размера и типа.
  • Почти не существует ограничений формы экструдировванных профилей, в которые получают из этого металла методом экструзии.

Рисунок 18.1 – Литье алюминия в песчаную форму

Рисунок 21 – Непрерывная разливка-прокатка алюминиевой полосы [5]

 

drawing aluminium sheetFigure 22 – Drawing aluminium sheet [4]

Рисунок 23 – Операция ковки алюминия

Рисунок 25 – Холодное волочение алюминия


Рисунок 26 – Экструзия алюминия

Источники:

  1. Aluminium and Aluminium Alloys. – ASM International, 1993.
  2. A. Sverdlin Properties of Pure Aluminum // Handbook of Aluminum, Vol. 1 /ed. G.E. Totten, D.S. MacKenzie, 2003
  3. TALAT Lecture 1501- Aluminium:Physical Properties, Characteristics and Alloys
  4. TALAT Lecture 3710 – Case Study on Can Making /Eric Wootton, Alcan Deutschland GmbH, Göttingen – 1994