Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как –270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений.
Алюминий или сталь?
Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти стали.
Прочность при низких температурах
Алюминий и его сплавы, в отличие от сталей, не имеют порога хладноломкости. Напротив, их прочность со снижением температуры возрастает. Длительная выдержка при низких температурах не оказывает влияния на уровень прочностных свойств стабильных термически упрочненных алюминиевых сплавов как непосредственно при этих низких температурах, так и при возвращении к комнатной температуре.
Свежезакаленные термически упрочняемые сплавы могут поддерживаться в этом состоянии в течение длительного времени, если их хранить при низкой температуре для задержки процесса старения. Самолетные заклепки из сплавов AlCuMgSi (дюралюминов) подвергают нагреву под закалку при 495 °С в течение от 5 до 60 минут в зависимости размеров и количества заклепок, после чего они закаливаются в холодной воде. При комнатной температуре заклепки остаются пластичными в течение двух часов, при –5 °С это состояние сохраняется 45 часов, а при –15 °С – 150 часов!
Относительное удлинение
Относительное удлинение большинства алюминиевых сплавов также возрастает со снижением температуры вплоть до –196 °С. У некоторых сплавов Аl-Mg при содержании магния более 4,5 % со снижением температуры относительное удлинение сначала увеличивается, а затем снова снижается, но все равно остается выше, чем при комнатной температуре.
Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при низких температурах, являются сплавы 1100, 2014, 2024, 2090, 2219, 3003, 5083, 5456, 6061, 7005, 7039 и 7075.
Свойства алюминия: плотность, теплопроводность, теплоемкость Al
Теплопроводность и плотность алюминия
В таблице представлены теплофизические свойства алюминия Al в зависимости от температуры. Свойства алюминия даны в широком диапазоне температуры — от минус 223 до 1527°С (от 50 до 1800 К).
Как видно из таблицы, теплопроводность алюминия при комнатной температуре равна около 236 Вт/(м·град), что позволяет применять этот материал для изготовления радиаторов и различных теплоотводов.
Кроме алюминия, высокой теплопроводностью обладает также медь. У какого металла теплопроводность больше? Известно, что теплопроводность алюминия при средних и высоких температурах все-таки меньше, чем у меди, однако, при охлаждении до 50К, теплопроводность алюминия существенно возрастает и достигает значения 1350 Вт/(м·град). У меди же при такой низкой температуре значение теплопроводности становится ниже, чем у алюминия и составляет 1250 Вт/(м·град).
Алюминий начинает плавиться при температуре 933,61 К (около 660°С), при этом некоторые его свойства претерпевают значительные изменения. Значения таких свойств, как температуропроводность, плотность алюминия и его теплопроводность значительно уменьшаются.
В таблице приведены следующие теплофизические свойства алюминия:
Удельная теплоемкость алюминия
Удельная теплоемкость алюминия существенно зависит от температуры и при комнатной температуре составляет величину около 904 Дж/(кг·град), что значительно выше удельной (массовой) теплоемкости других распространенных металлов, например таких, как медь и железо.
По данным таблицы видно, что величина удельной теплоемкости алюминия значительно выше значения этого свойства у меди и железа, поэтому такое свойство алюминия, как возможность хорошо накапливать тепло, широко применяется в промышленности и теплотехнике, делая этот металл незаменимым.
Электропроводность по отношению к меди при температуре 20 °С
65,5%
Удельное электросопротивление, мк*Ом*м
0.0265
Температурный коэффициент электросопротивления
0,042
180 °С
7,8*10 4
20 °С
7,1*10 4
100 °С
7,0*10 4
200 °С
6,6*10 4
400 °С
5,6*10 4
500 °С
5,0*10 4
600 °С
4,4*10 4
Модуль сдвига при температуре 20 °С
2,7*10 4 МПа
Магнитная характеристика алюминия
Слабо парамагнитен
Механические свойства алюминия 6
в отожженном состоянии
50
в деформированном (холоднокатаном) состоянии
115
в отожженном состоянии
70-90%
в деформированном состоянии
50-60%
Ударная вязкость при температуре 20 °С aм
140
в отожженном состоянии
25
в литом состоянии
20
в деформированном состоянии
30-35
При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металлов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1.7).
Механические свойства алюминия различной чистоты
Состояние
Содержание Аl, %
Предел прочности при растяжении σв2МПа
Предел текучести при растяжении σ.00,2, МПа
Относительное удлинение δ, %
Твердость по Бринеллю, НВ
Литой в землю
99,996
50
—
45
13-15
Литой в землю
99,5
75
—
29
20
Литой в землю
99.0
85
—
20
25
Литой в кокиль
99,0
90
—
25
25
Деформированный и отожженный
99.0
90
30
30
25
Деформированный
99,0
140
100
12
32
Литой в землю
98,0
90
35
12,5
28
Технологические свойства алюминия [6]
Температура
литья горячей обработки отжига отпуска Линейная усадка, % Допускаемая деформация (холодная и горячая), % Начало рекристаллизации, °С Жидкотекучесть, мм.
690-710 350-450 370-400 150 2,7 75-90 150 317
Коррозионные свойства алюминия [6].
Алюминий и его сплавы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в атмосферных условиях как сельской местности, так и городских промышленных районов.
Сернистый газ, сероводород, аммиак и другие газы, находящиеся в воздухе промышленных районов, не оказывают заметного влияния на скорость коррозии алюминия и его сплавов. Алюминий практически не корродирует в дистиллированной и чистой пресной (естественной) воде даже при высоких температурах (до 180 °С). Действие пара на алюминий и его сплавы также незначительно.
Алюминий и его сплавы, не содержащие меди, достаточно стойки в естественной (не загрязненной) морской воде. Сернокислые соли магния, натрия, алюминия, а также гипосульфит практически не действуют на технический алюминий. Скорость коррозии алюминия возрастает в присутствии в воде солей ртути, меди или ионов хлора, разрушающих защитную оксидную пленку на алюминии.
В концентрированной азотной кислоте при комнатной температуре алюминий и его сплавы устойчивы, но быстро разрушаются в разбавленных кислотах.
Слабые растворы серной кислоты, концентрацией до 10%, при комнатной температуре незначительно влияют на технический алюминий, но с повышением концентрации и температуры скорость коррозии резко возрастает. В концентрированной серной кислоте алюминий практически устойчив.
Соляная кислота быстро разрушает алюминий и его сплавы, особенно с повышением температуры. Такое же действие на алюминий оказывают растворы плавиковой и бромистоводородной кислот. Слабые растворы фосфорной (менее 1%), хромовой (до 10%) и борной (при всех концентрациях) кислот на алюминий и его сплавы действуют незначительно.
Алюминий и его сплавы быстро разрушаются в растворах едких щелочей, однако в растворах аммиака они довольно стойки, особенно сплавы, содержащие магний. Амины на них действуют также незначительно.
Следует отметить, что алюминий и однофазные сплавы на алюминиевой основе более стойки в коррозионном отношении, чем сплавы двухфазные и многофазные.
Из диаграммы состояния алюминий-кремний (рис. 1.3) видно, что при температуре эвтектики 577°С в алюминии растворяется до 1,65% кремния. С понижением температуры область твердого раствора α резко уменьшается.
Примеси кальция и других элементов, присутствующих в стандартных марках алюминия в незначительном количестве, не имеют практического значения. Небольшие добавки церия, натрия и титана оказывают существенное влияние на структуру и свойства определенных алюминиевых сплавов.
Водород хорошо растворяется в алюминии и оказывает отрицательное влияние на его свойства, вызывая при литье пористость. Азот при высоких температурах вступает в реакцию с алюминием с образованием тугоплавкого соединения.
При постоянном вдыхании пыли металлического алюминия и его оксида может возникнуть алюминоз легких. Рабочие, подвергшиеся воздействию пыли, должны проходить периодически флюорографическое обследование. У рабочих, занятых в производстве алюминия, часты катары верхних дыхательных путей (рипиты, фарингиты).
Наибольшую опасность для здоровья представляет процесс электролиза глинозема, протекающий в расплавленном криолите (Na3AlF6) при температуре 950 °С. Электролиз расплавленных солей может сопровождаться выбросами большого количества фторидной пыли, фторсодержащих газов, а также паров и частиц битума-компонента анодной массы. Рабочим, занятым на этой операции, также грозят ожоги кожи и глаз при попадании на них расплавленного металла. Во избежании несчастных случаев электролизные ванны необходимо надежно изолировать, рабочие должны иметь средства индивидуальной защиты:, противопылевые маски, очки. перчатки, фартуки, сапоги и т.д. В электролизных цехах должен регулярно проводиться контроль за содержанием пыли в воздухе.
ПДК алюминия и его оксида по ГОСТу и нормативам США приведены ниже:
Стандарт
Вещество
Агрегатное состояние
ПДК, мг/м 1 (в пересчете на металл)
ГОСТ 12. 1.005
Алюминий
Пыль
2
STEL ACGIH*
Алюминий, оксид алюминия
Пыль
20
TLV ACGIII**
То же
То же
10
TLV ACGIH
Алюминий
Порошок (от 00,2 до 0,04 мкм)
5
TLV ACGIH
Алюминий
Пары
5
* Предел кратковременного влияния, т.е. максимальная концентрация, воздействию которой человек может подвергаться не более 15 минут подряд при условии, что в течении дня допускается не более 4-х таких воздействий с промежутками не менее 60 минут.
** Величина порогового предела концентрации вещества, устанавливаемая американской конференцией государственных гигиенистов и определенная для 8-часового рабочего дня и 40-часовой рабочей недели.
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
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]
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 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]
Основным сырьем для производства алюминия служат бокситы — руда, представляющая собой в основном гидратированный оксид алюминия Al2O3Ч2H2O. Мировым лидером по производству алюминия являются США, затем Россия, Канада и Австралия. Алюминий наиболее известен как сырье для производства сплавов, используемых для изготовления пищевых емкостей (бидонов, баллонов, банок и т.п.), легкой кухонной посуды и другой домашней утвари. Неочищенный алюминий был впервые выделен Х.Эрстедом в 1825, хотя еще в 1807 Х.Дэви обнаружил неизвестный металл при обработке глины серной кислотой. Дэви не смог выделить металл из соединений, но назвал его алюминум (от лат. alumen — квасцы), а его оксид — глиноземом (alimina); вскоре это название металла по аналогии с названиями других металлов изменили на «алюминий», что стало общепринятым.
Свойства алюминия
Замечательным свойством алюминия является его легкость; плотность алюминия примерно в три раза меньше, чем у стали, меди или цинка. Чистый алюминий — мягкий металл, но образует сплавы с другими элементами, что обеспечивает большой диапазон полезных свойств. В ряду величин теплопроводности и электрической проводимости алюминий стоит после серебра и меди.
Алюминий отличается высокой реакционной способностью, поэтому он не встречается в природе в свободном состоянии. Металлический алюминий быстро растворяется в соляной кислоте с образованием хлорида AlCl3, медленнее — в серной с образованием сульфата Al2(SO4)3, но с азотной кислотой реагирует только в присутствии солей ртути.
В реакции со щелочами он образует алюминаты, например, с NaOH образует NaAlO2. Алюминий проявляет амфотерные свойства, так как он реагирует и с кислотами, и со щелочами. На воздухе алюминий быстро покрывается прочной защитной пленкой оксида Al2O3, предохраняющей его от дальнейшего окисления.
Поэтому алюминий стабилен на воздухе и в присутствии влаги даже при умеренном нагревании. Если защитная пленка оксида нарушена, то при нагревании на воздухе или в кислороде он сгорает ярким белым пламенем. При нагревании алюминий активно реагирует с галогенами, серой, углеродом и азотом. Расплавленный алюминий реагирует с водой со взрывом.
Применение алюминия
С давних времен квасцы применяли в медицине как вяжущее средство, в крашении для протравы, и для дубления кожи. Квасцами часто называют смешанные сульфаты одно- и трехвалентного металлов, например алюминия и калия (минерал сольфатерит). Римский ученый Плиний Старший (1 в. н.э.) в своей Естественной истории упоминает о квасцах как о солях, свойства которых изучали алхимики. Впервые для дубления кожи и в медицинских целях квасцы применили египтяне; они, а также лидийцы, финикийцы и иудеи, знали, что некоторые краски, например индиго и кошениль, лучше сохраняются, если их смешивать или пропитывать квасцами. Кристаллический оксид алюминия, встречающийся в природе под названием корунд, используется как абразив, благодаря высокой твердости. Рубин и сапфир — разновидности корунда, окрашенные примесями, являются драгоценными камнями.
Применение металлического алюминия
Алюминий — один из наиболее легких конструкционных металлов. Сплавы, получаемые из алюминия после термообработки, наряду с низкой плотностью отличаются высокой прочностью и другими важными механическими свойствами, что делает алюминий незаменимым для изготовления деталей транспортных средств (поршни и картеры, блоки и головки цилиндров авиационных и автомобильных двигателей, подшипники, силовой набор и обшивка фюзеляжей и пр.).
Алюминий легко подвергается волочению и вытяжке, что используется в производстве пищевых емкостей. Удельная электропроводность алюминия составляет ок. 61% электрической проводимости меди, но плотность алюминия в три раза меньше.
Сочетание хорошей проводимости с высокой коррозионной стойкостью на воздухе расширяет возможности использования алюминиевых кабелей, часто упрочняемых сталью, для высоковольтных электропередач. Алюминий отличается также и высокой теплопроводностью, что используется в двигателях, системах охлаждения и других устройствах.
Металл легко полируется механически и электролитически, поэтому его применяют также для отражателей телескопов и аналогичных целей. Алюминий широко используется как упаковочный материал и имеет максимальный среди других упаковочных материалов коэффициент извлечения при вторичной переработке. Рекуперация алюминиевого вторсырья позволяет экономить энергию, так как ее расход в этом случае меньше, чем при производстве алюминия из руды.
В 1981 доля рекуперированного алюминия в производстве пищевых емкостей составляла 53,2%, а к 1991 достигла 62,4% и продолжает расти. Алюминий отличается высокой коррозионной стойкостью благодаря образованию на его поверхности оксидной пленки и поэтому используется как кровельный материал, обшивка, а также в рефлекторах дневного и ИК-света.
Коррозионную стойкость его можно еще повысить методом электролитического анодного окисления, известного как анодирование, в результате чего увеличиваются толщина и сцепление оксидной пленки. Анодированная поверхность легко окрашивается, такой способ часто применяют для архитектурных панелей
Коррозионная стойкость алюминия в сочетании с красивым внешним видом обеспечивает его широкое применение в холодильной технике. Алюминий — сильный восстановитель, и его используют для выделения менее активных металлов, а также в качестве антиоксиданта в производстве стали и взрывчатых веществ. Алюминиевый порошок применяют в отделочных работах.
Алюминиевая краска устойчива к действию промышленных выбросов и выхлопных газов, поэтому широко применяется как защитное покрытие на фасадных частях металлоконструкций, нефтяных танков, в железнодорожном оборудовании и других конструкциях.
Алюминиевая фольга — блестящий изолирующий материал, используемый для упаковки пищевых продуктов и для заворачивания их при кулинарной обработке, как декоративное покрытие книг, буквенных знаков, а также в производстве электроконденсаторов.
Алюминиевый порошок применяется в порошковой металлургии для изготовления точных деталей, а также служит добавкой в твердых топливах ракетных двигателей. Термитная смесь широко используется как сварочный материал для ремонта толстостенных конструкций, например для сварки стальных рельс.
Сплавы алюминия
Чистый алюминий, мягкий и пластичный, малопригоден для прямого технического применения. Для получения широкого спектра легких алюминиевых сплавов применяется процесс Холла — Эру. Нужды воздухоплавания во времена Первой мировой войны способствовали интенсивному развитию технологии алюминиевых сплавов. Сегодня развивается область специальных сплавов с помощью различных технологий. Из некоторых алюминиевых сплавов получают листовой прокат и профиль, из других тянут пруток, трубы, изготовляют брус с заданным углом, сложные секции и заготовки для обработки давлением. Многие сплавы можно прессовать, вытягивать, волочить и штамповать при комнатной температуре, другие обрабатывают только при повышенной температуре.
Термообработка алюминия
Наиболее важным в технологии сплавов алюминия было открытие А.Вильма в 1911 того, что у некоторых сплавов улучшаются механические свойства в результате специальной термообработки, известной как старение. Впервые это было установлено для сплавов с медью и магнием, а затем и для всех сплавов. Старение проводят в две стадии; на первой сплав нагревают до температуры несколько ниже температуры плавления алюминия, при этом такие компоненты, как медь, образуют твердый раствор. При быстрой закалке компоненты сплава остаются в твердом растворе. На второй стадии при сравнительно низком нагреве растворенные компоненты сплава выделяются в виде чрезвычайно мелких частиц в алюминиевой матрице, улучшая механические свойства сплава. Но не все эффекты увеличения прочности являются следствием термообработки; некоторые из них объясняются тем, что компоненты сплава образуют твердые растворы или интерметаллические соединения.
Литье алюминия и обработка давлением
Отливка в землю (точнее, в глинисто-песчаные формы) используется для изготовления массивных деталей типа блока цилиндров двигателей, а для массового производства мелких деталей применяется литье в стандартные формы, в том числе и литье под давлением. Широко используются формы для отливок, сделанные из керамики, стали или чугуна (литье в постоянную форму, или кокильное литье). Обычный литьевой сплав может содержать до 8% Cu или до 13% Si. Наиболее распространенные алюминиевые литьевые сплавы содержат добавки Mg, Ni, Fe, Mn или Zn. Низкая температура плавления алюминия и его хорошие литьевые свойства способствуют широкому применению алюминиевого литья.
Кроме того, используют алюминиевые заготовки, которые приобретают превосходные качества после термообработки и обработки давлением. Ранее широко применялся дюраль — сплав алюминия с 4% меди, предварительно подвергнутый тепловой и механической обработке. Теперь дюрали — это широкий набор высокопрочных алюминиевых сплавов, содержащих кроме меди также марганец, магний, кремний и др. Эти сплавы имеют прочность на разрыв до 414 МПа (42,2 кг/мм2), близкую к прочности низкоуглеродистой стали. Более современный сплав, содержащий цинк, при комнатной температуре имеет прочность на разрыв до 690 МПа (70,3 кг/мм2). Эти сплавы используются в производстве деталей самолетов и могут заменять некоторые старые медьсодержащие сплавы.
Сплавы алюминия горячей и холодной обработки
Алюминий и его сплавы можно подвергать холодной и горячей обработке. При горячей обработке происходит разрушение структуры слитка и превращение ее в однородную мелкозернистую структуру с улучшенными свойствами. Горячая формовка и штамповка позволяют изготавливать тонкие заготовки, которые невозможно получать при холодной обработке. Таким способом получают пруток, проволоку, катанку, лист и другой специальный профиль. Холодная обработка производится на конечной стадии для получения в основном листа, прутка, проволоки и труб. При холодной обработке увеличивается прочность и твердость изделия. В общем, горячая обработка используется для первичной обработки слитка, а холодная имеет преимущество на последней стадии обработки.
Конструкционный материал для низких температур — алюминий
Алюминиевые сплавы являются очень важным классом конструкционных металлов для применения при отрицательных и даже криогенных температурах. Их применяют в деталях для работы при таких низких температурах как –270 °С. При отрицательных температурах большинство алюминиевых сплавов проявляют лишь незначительные изменения своих прочностных свойств.
Предел прочности при растяжении (временное сопротивление) и предел текучести алюминиевых сплавов со снижением температуры могут лишь незначительно уменьшаться, а ударная прочность остается приблизительно постоянной. Поэтому алюминий является полезным материалом для многих низкотемпературных применений.
Основным сдерживающим фактором широкого применения алюминиевых сплавов в криогенной технике является их довольно низкое относительное удлинение по сравнению с некоторыми аустенитно-ферритными сталями. Поэтому в критических применениях с повышенными требованиями к безопасности, применяют все-таки эти стали.
Прочность алюминия при низких температурах
Алюминий и его сплавы, в отличие от сталей, не имеют порога хладноломкости. Напротив, их прочность со снижением температуры возрастает. Длительная выдержка при низких температурах не оказывает влияния на уровень прочностных свойств стабильных термически упрочненных алюминиевых сплавов как непосредственно при этих низких температурах, так и при возвращении к комнатной температуре.
Свежезакаленные термически упрочняемые сплавы могут поддерживаться в этом состоянии в течение длительного времени, если их хранить при низкой температуре для задержки процесса старения. Самолетные заклепки из сплавов AlCuMgSi (дюралюминов) подвергают нагреву под закалку при 495 °С в течение от 5 до 60 минут в зависимости размеров и количества заклепок, после чего они закаливаются в холодной воде. При комнатной температуре заклепки остаются пластичными в течение двух часов, при –5 °С это состояние сохраняется 45 часов, а при –15 °С – 150 часов!
Относительное удлинение алюминия
Относительное удлинение большинства алюминиевых сплавов также возрастает со снижением температуры вплоть до –196 °С. У некоторых сплавов Аl-Mg при содержании магния более 4,5 % со снижением температуры относительное удлинение сначала увеличивается, а затем снова снижается, но все равно остается выше, чем при комнатной температуре.
Деформированными алюминиевыми сплавами, которые чаще всего применяют для работы при низких температурах, являются сплавы 1100, 2014, 2024, 2090, 2219, 3003, 5083, 5456, 6061, 7005, 7039 и 7075.
Изменение физико-механических свойств алюминия под действием температуры
Повышение температуры вызывает увеличение электрического сопротивления; для высокочистого алюминия температурный коэффициент электрического сопротивления равен 0,00429 1/град. Изменение величины электрического сопротивления алюминия в функции температуры носит прямолинейный характер.
При понижении температуры ниже 20° С величина электрического сопротивления резко уменьшается. Для алюминиевой проволоки (из алюминия марки АЕ). удельное электрическое сопротивление при —60° С снижается на 20%, т.е. равно 0,25-0,0282 ом мм2/м.
С повышением температуры до 0,4Т (Т — абсолютная температура) у металлов начинается рекристаллизация (процесс образования и роста новых кристаллов).
Температура начала рекристаллизации зависит от степени деформации, чистоты металла и длительности нагрева; чем больше примесей в металле и короче время нагрева, там выше температура рекристаллизации.
При достижении температуры рекристаллизации деформированный металл вследствие образования новых кристаллов полностью теряет свою механическую прочность и восстанавливает пластичность. Для алюминия температура рекристаллизации находится около 120° С. Эта температура относится к сильнодеформированному чистому алюминию. Однако при длительных нагревах рекристаллизация алюминия может наступить и при более низких температурах.
На рис. 2-4 показано изменение механических свойств алюминиевой проволоки из алюминия марки А5 0 5 мм в функции температуры. Проволока испытывалась в холодно-деформированном состоянии.
Изменение механических характеристик алюминиевых шин сечением 40X4 из алюминия марки А 2 в зависимости от температуры (до 350° С) представлено на рис. 2-5. Снижение предела прочности у них отмечается, начиная с температуры 50С, при этом относительное удлинение почти не изменяется.
При сбалчивании алюминиевых шин между со бой в месте соединения при определенном давлении и температуре может наступать ослабление
Рассматривая влияние повышенных температур на изменение свойств проводникового алюминия, следует принимать во внимание токовые нагревы, так как при эксплуатации наблюдается потеря прочности алюминиевых проводов, шин и других изделий, вызванная токовыми нагревами.
С понижением температуры у всех металлов, в частности у алюминия, прочность на разрыв возрастает, удлинение снижается.
При охлаждении от +20 до —60° С у алюминиевой проволоки (03 мм) предел прочности возрос на 10,5%, при этом относительное удлинение снизилось на 13% первоначального значения. После продолжительной (50 суток) выдержки алюминиевой проволоки при температуре —60° С не наблюдалось изменения предела прочности, измеренного при комнатной температуре.
