Инженеру про алюминиевые сплавы

Плотность алюминия

Наиболее привлекательным для инженеров физическим свойством алюминия является его плотность 2,7 г/см³, что составляет всего лишь треть от плотности сталей.

Рисунок 1 – Прочность на единицу плотности алюминия по сравнению с другими металлами и сплавами [2]

Коррозионная стойкость алюминия

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл. Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость
(и усталостную прочность) алюминиевых сплавов [2]

Температурное расширение алюминия

Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10^-6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей. Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.

Модуль упругости алюминия

Модуль упругости алюминия – 70000 МПа, только треть от модуля упругости сталей. Это влечет за собой существенные последствия для геометрии конструкции, так как прогибы балок, несущая способность колонн, т.е. их боковое выпучивание или местное выпучивание прямо зависят от модуля упругости.

Рисунок 3 – Прочность и модуль Юнга некоторых металлов [2]

Рисунок 4 -Диаграммы растяжения для низкоуглеродистой конструкционной стали (St52)
и алюминиевого сплава 6082-Т6 [2]

Жесткость алюминиевых профилей

Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их  жесткость. Если стальной профиль заменять на алюминиевый с сохранением его жесткости, то утолщать в три раза все стенки не совсем экономично, так как алюминий легче стали как раз в те же три раза. Однако облегчение конструкций за счет применения алюминия – это естественное стремление, как по физическим, так и по экономическим причинам.

При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 раза и получите поперечное сечение с моментом инерции почти в три раза больше. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % веса. При этом в некоторой степени компенсируется потеря жесткости в отношении бокового выпучивания. С учетом того, что часто стандартные стальные профили являются весьма не оптимальными, можно сэкономить и больше чем 50 % веса.  Это хорошо видно из рисунков 5 и 6.  Если нет ограничений по высоте, и боковое выпучивание не является конструкционным параметром, то можно сэкономить до 60 % веса. Если жесткость элемента не важна, а прочность стали близка к прочности алюминиевого сплава, то экономия может быть и до 70 %, но это уже окончательный предел возможной экономии веса.

 Рисунок 5

Рисунок 6 – Четыре балки, которые имеют одинаковый прогиб [2]

Это приводят ко второму важному моменту. Если момент инерции профиля увеличивается в три раза при увеличении высоты профиля только в 1,4 раза, то момент сопротивления сечения увеличится соответственно в 3:1,4=2,1 раза. Поэтому напряжения в алюминиевой балке по сравнению со стальной будут в два с лишним раза меньше. Теперь понятно, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за  высокопрочные алюминиевые сплавы, и почему менее легированные алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31) настолько популярны.

Нагрев алюминия

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева. До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести.

Рисунок 7 – Прочность на растяжение алюминиевого сплава 2014-Т6
при различных температурах испытания [2]

Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.

Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.

Сварка алюминиевых сплавов

Намного серьезней является потеря прочности алюминиевых сплавов при сварке. Здесь температура поднимается настолько высоко из-за локального плавления, что падение прочности вблизи сварного шва надо обязательно принимать во внимание. Термически не упрочняемые сплавы теряют всю свою прочность, полученную при нагартовке, и возвращаются к отожженному состоянию «О». Термически упрочняемые алюминиевые сплавы в состоянии Т6 теряют приблизительно 40 % их прочности (рисунок 8) за исключением сплава 7020, который теряет только 20 %. Все эти сплавы не доходят до состояния полного отжига, поскольку неизбежен определенный эффект закалки при охлаждении шва. Требования к прочностным характеристикам материала в  зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.

 

Рисунок 8 – Влияние нагрева при сварке на прочность
термически упрочненного алюминиевого сплава (6082-Т6) [2]

 Источники:

1. R. Gitter  Selection of structural alloys, Brussels 2008
2. TALAT 2204 – Design Philosophy

Подробнее:
О конструкционных особенностях алюминиевых  сплавов:
Aluminum Structures: A Guide to Their Specifications and Design – J. Randolph Kissell, Robert L. Ferry

О сварке алюминиевых сплавов:
Welding of Aluminium and Its Alloys / Gene Mathers