Сплавы на основе алюминия

Министерство образования  и науки Российской Федерации

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Тульский государственный  университет»

 

Политехнический институт

Факультет Транспортно-технологические системы

Кафедра Подъемно-транспортные машины и оборудование

 

 

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

 

по дисциплине

 

НОВЫЕ КОНСТРУКЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

на тему

 

 
Сплавы на основе Алюминия

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил: ст.гр.640781/09                                                      Большаков В.Б

 

Проверил: д.т.н.; профессор                                                     Дронов В.С.

 

 

 

 

 

Тула 2013 г.

Оглавление

Введение 3

1. Алюминий и сплавы на его  основе 4

1.1.Общая характеристика  и классификация алюминиевых  сплавов. 5

1.2. Деформируемые  алюминиевые сплавы. 6

1.3.Литейные  алюминиевые сплавы. 12

1.4. Специальные  алюминиевые сплавы. 15

2. Литые композиционные  материалы на основе алюминиевого  сплава для машиностроения 19

Заключение: 23

Список используемой литера туры: 24

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Материалы с малой плотностью (легкие материалы) широко применяют в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности. Применение легких материалов дает возможность снизить массу, увеличить грузоподъемность летательных аппаратов без снижения скорости и дальности полета, повысить скорость движения автомобилей, судов, железнодорожного транспорта.

К основным конструкционным легким металлам относятся пластмассы, цветные металлы Mg, Be, Al, Ti и сплавы на их основе, а также композиционные материалы. Особенно перспективны материалы, которые дают возможность снизить массу конструкций при одновременном повышении их прочности и жесткости. Основными критериями при выборе конструкционных материалов в этом случае являются удельные прочность и жесткость. Среди сплавов на основе Al, Mg и пластмасс лишь отдельные группы имеют

 

1. Алюминий и сплавы на его основе

Алюминий – один из самых  легких металлов (): примерно второе легче меди или железа. По теплопроводности и электропроводности он уступает лишь серебру, золоту и меди. Алюминий – химически активный  металл. Однако на поверхности алюминия легко образуется плотная окисная пленка , которая защищает его от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Окисная пленка обладает очень хорошим сцеплением с металлом и малопроницаема для всех газов. Он устойчив в тех средах, которые не разрушают защитную окисную пленку. Сернистый газ, аммиак, сероводород мало влияют на стойкость алюминия в воздухе. Он обладает хорошей коррозионной стойкостью в морской воде.

Алюминий обладает малой плотностью, хорошими теплопроводностью и электропроводимостью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Примеси ухудшают все эти свойства.

Постоянные примеси алюминия Fe, Si, Си, Zn, Ti .В зависимости от содержания примесей первичный алюминий подразделяют на три класса: особой чистоты А999 (≤0,001 % примесей), высокой чистоты А995, А99, А97, А95 (0,005-0,05% примесей) и технической чистоты А85, А8 и др. (0,15-1% примесей). Технический алюминий, выпускаемый в Виде деформируемого полуфабриката (листы, профили, прутки и др.), маркируют АДО и АД1. Механические свойства алюминия зависят от его чистоты и состояния. Увеличение содержания примесей и пластическая деформация повышают прочность и твердость алюминия (табл. 1.1).

 

Табл. 1.1 Механические свойства алюминия

 

Из  других свойств алюминия следует  отметить его высокую отражательную способность, в связи, с чем он используется для прожекторов, рефлекторов, экранов телевизоров. Алюминий имеет малое эффективное поперечное сечение захвата нейтронов. Он хорошо обрабатывается давлением, сваривается газовой и контактной сваркой, но плохо обрабатывается резанием. Алюминий имеет большую усадку затвердевания (6 %). Высокая теплота плавления и теплоемкость способствуют медленному остыванию алюминия из жидкого состояния, что дает возможность улучшать отливки из алюминия и его сплавов путем модифицирования, рафинирования и других технологических операций.

1.1.Общая характеристика и классификация алюминиевых сплавов.

 Алюминиевые сплавы характеризуют высокой удельной прочностью, способностью сопротивляться инерционным и динамическим нагрузкам, хорошей технологичностью. Временное сопротивление алюминиевых сплавов достигает 500 — 700 МПа при плотности не более 2850 кг/м³. По удельной прочности некоторые алюминиевые сплавы ( = 23 км) приближаются или соответствуют высокопрочным сталям ( = 27 км). Большинство алюминиевых сплавов имеют хорошую коррозионную стойкость. Алюминиевые сплавы пластичнее магниевых и многих пластмасс. Большинство из них превосходят магниевые сплавы по коррозионной стойкости, пластмассы - по стабильности свойств

Основными легирующими элементами алюминиевых сплавов являются Си, Mg, Si, Mn, Zn; реже-Li, Ni, Ti. Многие легирующие элементы образуют с алюминием твердые растворы ограниченной переменной растворимости и промежуточные фазы: CuAl₂, Mg₂Si и др. (рис. 1.1). Это дает возможность подвергать сплавы упрочняющей термической обработке. Она состоит из закалки на пересыщенный твердый раствор и естественного или искусственного старения.

Легирующие элементы, особенно переходные, повышают температуру рекристаллизации алюминия (рис. 1.2). При кристаллизации они образуют с алюминием пересыщенные твердые растворы.

Конструкционная прочность алюминиевых сплавов зависит от примесей Fe и Si. Они образуют в сплавах нерастворимые в твердом растворе фазы: FeAl₃, a (Al, Fe, Si), Р (Al, Fe, Si) и др. Независимо от формы (пластинчатой, игольчатой и др.) кристаллы этих фаз снижают пластичность, вязкость разрушения, сопротивление развитию трещин. Легирование сплавов марганцем уменьшает вредное влияние примесей, так как он связывает их в четвертую фазу а(А1, Fe, Si, Мп), кристаллизирующуюся в компактной форме. Однако более эффективным способом повышения конструкционной прочности является снижение содержания примесей с 0,5-0,7% (ГОСТ 4784-74) до 0,1-0,3% (чистый сплав), а иногда и до сотых долей процента (сплав повышенной чистоты).

Классификация алюминиевых сплавов. В зависимости от способа получения полуфабрикатов и изделий алюминиевые сплавы можно разделить на деформируемые и литейные. Помимо этого, методами порошковой металлургии изготавливают САП (спеченные алюминиевые порошки) и САС (спеченные алюминиевые сплавы). Заготовки, полученные методами порошковой металлургии, затем подвергают обработке давлением, поэтому порошковые алюминиевые сплавы следует рассматривать как разновидность деформируемых.

Деформируемые и литейные сплавы можно разделить  на термически упрочняемые и термически неупрочняемые. Термическое упрочнение, в свою очередь, может достигаться закалкой с последующим естественным или искусственным старением.

Поскольку свойства сплавов зависят, прежде всего, от их фазового состава, применяемые в промышленности сплавы можно также разбить по системам легирования, в которых основные легирующие компоненты будут определять типичные для данной системы физические и химические свойства.

1.2. Деформируемые алюминиевые сплавы.

К сплавам, неупрочннемым термической обработкой, относятся сплавы АМц и АМг (табл. 1.2). Сплавы отличаются высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и высокой коррозионной стойкостью.

Сплавы  АМц относятся к системе А1-Мп (рис. 1.3, а). Структура сплава АМц состоит из -твердого раствора и вторичных выделений фазы МпА1₆, переходящих в твердый раствор при повышении температуры. В присутствии железа вместо МпА1₆ образуется сложная тройная фаза (MnFe)Al₆, практически нерастворимая в алюминии, по этому сплав АМц не упрочняется термической обработкой. В отожженном состоянии сплав обладает высокой пластичностью и низкой прочностью. Пластическая деформация упрочняет сплавы почти в 2 раза. Легирование сплава АМц титаном приводит к измелчанию рекристаллизованного зерна.

Сплавы АМг относятся к системе Al — Mg (см. рис. 12.3, б). Магний образует с алюминием α - твердый раствор, концентрация которого при повышении температуры увеличивается от 1,4 до 17,4% в результате растворения фазы Mg₂Al₃. Однако сплавы, содержащие до 7% Mg, дают очень незначительное упрочнение при термической обработке. Вследствие этого сплавы АМг, как и АМц, упрочняют с помощью пластической деформации и используют в нагартованном  (АМгН - 80 %  наклепа) и полунагартованном (АМгП-40% наклепа) состояниях.

Однако применение наклепа ограничено из-за резкого снижения пластичности сплавов, поэтому их используют в отожженном (мягком - АМгМ) состоянии. Сплавы АМц и АМг отжигают при температуре 350-420 °С. При повышении содержания магния в структуре сплавов АМг увеличивается количество фазы Mg₂Al₃. При этом временное сопротивление повышается от ПО МПа (AMrl) до 430 МПа (АМгб) при соответствующем снижении относительного удлинения с 28 до 16%. Легирование магнием, кроме того, вызывает склонность к окислению во время плавки, разливки и кристаллизации, что приводит к появлению оксидных пленок в структуре и снижению механических свойств. Поэтому сплавы с высоким содержанием магния (АМгб, АЛ27) для устранения склонности к окислению легируют бериллием. Укрупнение зерна, вызванное бериллием, устраняется добавкой титана или циркония.

ТАБЛИЦА 1.2. Химический состав (ГОСТ 4784 — 74) и механические свойства деформируемых алюминиевых сплавов

 

		Содержание  элементов				Механические  свойства
Сплав		(остальное А1), %			Вид полуфабриката		ст0,2		5,	НВ
	Си	Mg	Мп	Прочие		МПа			%
АМц**	_		1-1,6	_	Листы	130	50	55	20	300
АМг2**	—	1,8-2,6	0,2-0,6	—	»	190	100	125	23	450
АМгб**	—	5,8-6,8	0,5-0,8	0,02-0,1 Ti,	»	340	170	—	20	700
				0,002-
				-0,005 Be
Д1 ***	3,8-4,8	0,4-0,8	0,4-0,8	—	»	400	240	105	20	950
					Прессованные	480	320	125	14
					прутки
Д16***	3,8-4,9	1,2-1,8	0,3-0,9	—	Листы, плиты Прессованные	440	330	115	18	1050
						530	400	140	11
					прутки
Д18***	2,2-3	0,2-0,5	—	—	Проволока	300	170	95	24	700
	1,4-2	1,8-2,8	0,2-0,6	0,01-0,25 Cr	Листы, плиты	540	470	150	10	1500
				5-7Zn	Прессованные прутки	600	560	150	8	1500
АК6****	1,8-2,6	0,4-0,8	0,4-0,8	0,7-1,2 Si	Поковки	400	299	125	12	1000
АК8***	3,9-4,8	0,4-0,8	0,4-1	0,6-1,2 Si	»	480	380	130	9	1350

* σ_i определен на базе 5- 10⁶ циклов.  ** Механические свойства после отжига.

*** Механические свойства после закалки и естественного старения.

**** Механические свойства после закалки и искусственного старения.

К группе деформируемых сплавов, упрочняемых термической обработкой, относятся тройные и более сложные сплавы систем алюминия с медью, магнием, марганцем, кремнием, литием и бериллием. Упрочняющая термическая обработка сплавов включает закалку и последующее старение. Для многих алюминиевых сплавов применяется не только искусственное, но и естественное старение. При этом свойства алюминиевых сплавов в свежее закаленном состоянии могут существенно отличаться от таковых после естественного старения.

В России принята следующая система обозначений  состояния деформируемых алюминиевых сплавов после упрочняющей обработки: Т — закалка и естественное старение; Т1 — закалка и искусственное старение на максимальную прочность; Т2 — закалка и искусственное старение с некоторым перестариванием для повышения коррозионной стойкости; ТЗ — закалка и искусственное старение с более сильным перестариванием, чем при Т2, для обеспечения необходимой устойчивости против коррозионного растрескивания.

При выборе температуры и продолжительности  старения обычно исходят из условия  обеспечения максимальной прочности. Наряду с термическим упрочнением для алюминиевых сплавов очень часто используются различные варианты термомеханического упрочнения:

• высокотемпературная термомеханическая обработка (ВТМО), основная цель которой — повышение прочности и коррозионной стойкости при сохранении высокой пластичности. Сущность ВТМО заключается в совмещении операций закалки и горячей деформации, при этом температура нагрева под деформацию, как правило, соответствует температуре нагрева под закалку для данного сплава, а ускоренное охлаждение производится непосредственно после окончания горячей пластической деформации. Для некоторых сплавов деформация производится после предварительного подстуживания до температур оптимальной технологической пластичности, которые в зависимости от природы сплава могут быть как выше, так и ниже порога рекристаллизации;
• низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО), заключающаяся в проведении холодной деформации между операциями закалки и окончательного старения. Основная ее цель — повышение прочности (при этом заметно снижается пластичность);
• межоперационная термомеханическая обработка (МТМО), направленная на уменьшение анизотропии, особенно, характеристик пластичности. МТМО используется в основном при производстве массивных горячедеформированных полуфабрикатов (поковок, штамповок, плит). Предложено много различных режимов МТМО, однако, общим для них является наличие дополнительных операций деформации и термообработки, что обеспечивает получение готовых полуфабрикатов с более однородной и менее текстурованной структурой.