Классификация углеродистой стали (стр. 2 из 3)

Строительные стали можно упрочнить холодной обработкой давлением, а также высокотемпературной термомеханической обработкой при прокатке.

Алюминий и сплавы на основе алюминия

Алюминий — металл серебристо-белого цвета, трехвалентен, находится в II группе периодической системы элементов, порядковый номер 13. Его атомный радиус 1,43А; имеет гранецентрированную кристаллическую решетку с параметром от 4,041 до 4,047А, изменяющимся в зависимости от чистоты алюминия. Плотность алюминия в зависимости от температуры имеет следующие значения:

Температура, °С.............. 20 100 400

Плотность, кг/м³............... 2703 2690 2620

В зависимости от чистоты температура плавления алюминия колеблется 667 до 660° С. Чистый алюминий обладает высокой пластичностью (δ≈40%), небольшой прочностью (σ_в≈80 МН/м² (МПа)), высокой электропроводностью, относительно высокой теплопроводностью, теплоемкостью и коррозионной стойкостью на воздухе. В зависимости от содержания примесей чистый алюминий по ГОСТ 11069—64 подразделяется на особо чистый А999 (99,999% А1) и высокой чистоты А99, А995, А97, А95 и технически чистый А85, А8, А7, А6, А5 и т. д. Примеси значительно снижают электропроводность, теплопроводность и пластические свойства алюминия.

Низкий предел прочности чистого алюминия сильно ограничивает область его применения. В качестве конструкционных материалов промышленность широко применяет сплавы алюминия с другими металлами и неметаллами, сочетающие в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные прочностные характеристики добавок. За последние годы в технике нашли применение многокомпонентные легированные сплавы на основе алюминия, которые по своим прочностным и другим свойствам конкурируют с традиционными сплавами на основе железа и других металлов.

Все сплавы на основе алюминия подразделяются на два класса — деформируемые и литейные.

Деформируемые алюминиевые сплавы. В зависимости от химического состава деформируемые сплавы можно разделить на следующие семь групп: сплавы на основе системы Аl—Мn (АМц);

сплавы на основе системы Аl—Мg—Si (АД31, ДДЗЗ, АД35, АВ);

сплавы на основе системы Аl—Сu—Mg (Д1, Д16, В65, ВД17, Д18, Д19);

сплавы на основе системы Аl—Мg—Мn (АМг1, АМг2, АМг3, АМг5, АМг6); сплавы на основе системы Аl—Мg—Zn—Cu (В93, В94, В95, В96);

сплавы на основе системы Аl—Сu—Мg—Ni—Fe (АК2, АК4, АК4-1);

сплавы на основе системы Аl—Si—Мg—Cu (АК6—АК8).

Алюминиевые деформируемые сплавы разделяются на сплавы, упрочняемые и неупрочняемые термической обработкой.

Деформируемые алюминиевые сплавы, подвергаемые механической и термической обработке, имеют специальные буквенные обозначения, указывающие характер этой обработки; М (мягкий) — отожженный; Н — нагартованный, Т — термически обработанный (после закалки и естественного старения), Т1 — после закалки и искусственного старения, ТН — нагартованный после закалки и естественного старения, ТНВ — нагартованный после закалки и естественного старения с повышенным качеством выкатки, О — отожженные листы с повышенной выкаткой, А — плакированные листы, Б — без плакировки (листы), УП — утолщенная плакировка, Р — сплав для заклепок. По новому ГОСТу принята единая цифровая маркировка.

Обработкой давлением в холодном или горячем состоянии из этих cплавов изготавливают трубы, уголки, тавры, плиты, листы и т. д. Высокопластичные термически неупрочняемые сплавы разделяют на «мягкие» (АД, АДО, АД1, АМц, АМг, АМг2) и «твердые» (АМгЗ, АМг5, АМгб). Содержание магния в этих сплавах колеблется от 2 до 7%, а марганца 1,0—1.6%. По структуре эти сплавы представляют однородный твердый раствор марганца, магния, меди и других элементов в алюминии. Упрочнение указанных сплавов достигается деформацией в холодном состоянии (наклеп, нагартовка).

В строительстве и мостостроении термически неупрочняемые алюминиевые сплавы применяют для несущих сварных конструкций (фермы, арки, балки и т. д.), малонагруженных и ненагруженных элементов конструкций здания (кровельные настилы, стеновые панели, дверные и оконные переплеты, арматурные детали).

В строительстве применяют сплавы АМг6М (5,8—6,8% Мg, 0,5— 0,8% Мn, 0,02-0,1 % Тi), АМг5 (4,7—5,7% Мg, 0,2—0,6% Мn), АМг3М (3,2—3,8% Мg, 0,3-0,6% Мn, 0,5-0,8% 51), АМг5ВМ (4,8—5,5% Мg, 0,3—0,6% Мn, 0,02% V). Все эти сплавы обладают высокой коррозийной стойкостью.

Сплав марки АМг6 в состоянии поставки (АМг6М) обладает следующими механическими свойствами: σ_в = 320 МН м² (МПа); НВ 800 МН/м² (МПа), δ = 20%. Прочность этого сплава по сравнению со сталью марки Ст3 в 1,9 раза больше; по сравнению с легированной сталью марки 15ХСНД — в 1,38, а марки 10ХСНД — в 1,17 раза. Сплав высокой прочности АМг4ВМ (σ_в = 280 МН/м² (МПа), 5 = 15%) применяют для сварных ответственных конструкций.

Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой. Сплавы этой подгруппы приобретают высокие механические свойства и хорошую сопротивляемость коррозии только в результате термической обработки. Эти сплавы делят на авиали (АВ, АД31, АДЗЗ), дуралюмин (Д1.Д16, АК6, АК8), сплавы высокой прочности (В96, В95) и специальные сплавы, работающие при повышенных температурах — жаропрочные (АК4, АК4-1, ВД17). Термическая обработка заключается в закалке и последующем старении. Изменение структуры можно проследить по диаграмме состояния системы А1—Си (рис. 55). Выбор температуры закалки определяется левой частью этой диаграммы. При обычной температуре содержание Си составляет 0,5%; с возрастанием температуры растворимость меди в алюминии увеличивается при эвтектической температуре (548° С).

Из диаграммы видно, что алюминий с медью образует ограниченные твердые растворы различной концентрации (в зависимости от температуры) и химическое соединение CuAl₂. Сплавы Al—Сu, содержащие до 0,5% Сu, после медленного охлаждения имеют однофазную структуру α-раствора меди в алюминии; при содержании 0,5— 5,7% Си — двухфазный α-раствор +CuAl₂. Если этот двухфазный сплав нагреть до температуры выше линии предельной растворимости меди в алюминии, то химическое соединение CuAl₂ растворится в алюминии и сплав станет однофазным. Это обстоятельство используется при закалке Al—Cu сплавов. При быстром охлаждении примерно с температуры 550° С СиА1₂ не успевает выделиться из α-твердого раствора и последний зафиксируется в неустойчивом метастабильном состоянии. Этот пересыщенный твердый раствор сохраняется, как правило, около 30 мин (инкубационный период) и в дальнейшем распадается

с выделением соединения CuAl₂. Происходит процесс старения. После старения прочность и твердость увеличиваются. Во время инкубационного периода можно осуществлять пластическую деформацию. По окончании этого периода производить ковку, гибку, отбортовку невозможно.

Естественное старение протекает при комнатной температуре и заканчивается через 4—7 суток. При искусственном старении этот процесс протекает при температуре 150—180° С с выдержкой 2—3 ч.

Выделившиеся дисперсные частицы (θ'-фаза) не отличаются по химсоставу от CuAl₂ и вызывают упрочнение сплава; так, например, если алюминиевомедный сплав после отжига имеет предел прочности разрыву σ_в=200 МН/м² (МПа), и свежезакаленный сплав 250 МН/м² (МПа), то после старения прочность повышается до 400 МН/м² (МПа).

Если сплав после естественного старения подвергнуть кратковременному нагреву при 150—250° С, то он вновь приобретает свойства свежезакаленного сплава (явление возврата). Это широко используют различных технологических деформацией.

С течением времени сплав, обработанный на «возврат», вновь подвергается естественному старению.

К сплавам низкой прочности σ_в < 300 МН/м² (МПа) относятся марки АМг1, АМг2, АМг3, АМг4,АМг5. Они обладают хорошей коррозийной стойкостью. Средней прочностью σ_в - 300 до 450 МН/м² (МПа) обладают ковочные сплавы АК4, АК6, АК8, а также дуралюмин Д1, Д16, Д19 и др. Их применяют после закалки и искусственного или естественного старения. Холодная пластическая деформация со степенью обжатия 5—10% повышает прочностные свойства дуралюмина. Сплавы высокой прочности (σ_в >450 МН/м²) типа В93, В95 применяют после закалки и искусственного старения.

Литейные алюминиевые сплавы находят в промышленности широкое применение. ГОСТ 2685—63 предусматривает более 35 марок литейных алюминиевых сплавов, которые можно разделить на шесть основных групп (по химическому составу):

На основе системы Al—Si(силумины): АЛ2, АЛЗ, АЛ4, АЛ5, АЛ6, АЛ9, АЛ4М, ВАЛ5 и др.;

Al—Mg: АЛ8, АЛ 13, АЛ22, АЛ23, АЛ23-1, АЛ27, АЛ27-1, АЛ28, АЛ29 и др.;

А1—Cu: АЛ7; АЛ 19; А1—2п: АЛ 11, АЛ24;

поршневые: АЛ 10В. АЛ25. АЛ26, АЛЗО;

жаропрочные: АЛ1, АЛ20. АЛ21, ВАЛ1, АЦР-1 и др.

Химический состав некоторых из этих сплавов представлен в табл.3.

Таблица 3

Химический состав некоторых литейных алюминиевых сплавов (ГОСТ 2685—63)

Марка сплава	Химический соетан, % Al— основа
	Mg	Si	Mn	Cu	Ti	Прочие моменты
АЛ2 АЛ4 АЛ9	–0,17–0,3 0,2–0,4	10,0–3,0 8,0–0,5 6,0–8,0	0,2–0,5–
АЛ7 АЛ9	––	––	–0,6–1,0	4,0–5.0 4,5–5,8	0,15–0,35
АЛ27АЛ 13 АЛ22 АЛ23AЛ 28АЛЗАЛ6АЛ10ВАЛ15ВАЛ1АЛ11АЛ18АЛ20АЛ24АЛ26АЛ30	9,5–11,5 4,5–5,5 10,5–13,0 6,0–7,0 4,8–6,3 0.35–0,6 – 0,2–0,5 – 1,25–1,75 0,1–0,3 – 0,7–1,2 1.5–2.0 0.4–0,7 0,8–1.3	– 0,8–1,3 0.8–1.2 – – 4.5–5.5 4,5–6,0 4,5–6,5 3,0–5.0 – 6,0–8,0 1,5–2,5 1.5–2,0 – 20,0–22.0 11.0–13,0	– 0,1-0.4 – – 0,4–1,0 0,6–0,9–– 0,2–0,6 – – 0,3–0,8 0,15–0,3 0,2–0,5 0.4–0,8 –	– – – – – 1,5–3,0 2,0–3.0 6,0–8,0 3,5–5,0 3,75–4,0– 7,5–9,0 3,5–4.5 – 1.5, 2,5 0.8, 1.5	0.05–0,15 – 0,05–0,15 0,05–0,15 0,05–0,15 – – – – – – – 0,05–0.1 0,1–0.2 –, – –, –	0,05–0,1 Sb, 0,05–0,20 Zr–0,03–0,07 Ве0,05–0.20 Zr0,02–0,1 Ве–––––1,75–2.25 Ni7,0–12,0 Zn1,0–1.8 Fe1,2–1,7 Fe3,5–4,5 Zn0,1–0,4 Cr, 1,0–2,0 Ni0,8 Ni, 0,8–1,3 Ni

В зависимости от условий работы детали и химического состава сплава выбирают тот или иной вид термической обработки. Классификация этих видов в зависимости от назначения детали приведена в табл. 4.