Алюминий и его сплавы как конструкционный материал

Размещено на http://www.allbest.ru/

Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

кафедра материаловедения

«Реферат»

на тему: «Алюминий и его сплавы как конструкционный материал»

Подготовил студент

группы Э - 24

Гусаров Дмитрий

Проверил преподаватель

Сильченков Д.Г.

МОСКВА 2009 г.

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1 Характеристики основных физико-механических свойств алюминия

2 Нахождение алюминия в природе

3 Получение

4 Марки и химический состав (%) первичного алюминия

5 Технический алюминий

6 Химический состав (%) технического алюминия

7 Гарантируемые механические характеристики

8 Применение

9 Классификация алюминиевых сплавов

10 Деформируемые алюминиевые сплавы

11 Маркировка сплавов

12 Сплавы повышенной пластичности и ковочные

13 Термическая обработка

14 Применение

Заключение

Список использованной литературы

ВВЕДЕНИЕ

Алюминий (Aluminium-lat.) - химический элемент третьей группы периодической системы. Атомный номер 13, атомная масса 26,9815. Обозначается латинскими буквами Al . Алюминий - металл серебристо-белого цвета. Кристаллизуется в решетке ГЦК с периодом Ь = 0,4041 нм (при 20°С) и полиморфных превращений не испытывает. Алюминий обладает малой плотностью (2700 кг/м³), низкой температурой плавления (660°С), а также высокой электро- и теплопроводностью. Для алюминия характерна высокая пластичность и малая прочность. Основные физико-механические характеристики алюминия приведены ниже.

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ ОСНОВНЫХ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АЛЮМИНИЯ

Электропроводность алюминия довольно высока и уступает только серебру (Ag) и меди (Cu) (в 2,3 раза больше чем у меди).

Алюминий обладает хорошей коррозионной стойкостью в атмосфере и среде многих органических кислот, что обусловлено образованием на его поверхности сплошной тонкой (? 5 нм) и плотной оксидной пленки Al₂O₃. В щелочных средах и некоторых неорганических кислотах алюминий быстро разрушается.

2 НАХОЖДЕНИЕ АЛЮМИНИЯ В ПРИРОДЕ

Алюминий находится практически везде на земном шаре, так как его оксид (Al₂O₃) составляет основу глинозема. Алюминий в природе встречается в соединениях - его основные минералы:

- боксит - смесь минералов диаспора, бемита AlOOH, гидраргиллита Al(OH)₃ и оксидов других металлов - алюминиевая руда;

- алунит - (Na,K)₂SO_{4 *} Al₂(SO₄)_{3 *} 4Al(OH)₃ ;

- нефелин - (Na,K)₂O _* Al₂O_{3 *} 2SiO₂ ;

- корунд - Al₂O₃ - прозрачные кристаллы;

- полевой шпат (ортоклаз) - K₂O _* Al₂O_{3 *} 6SiO₂ ;

- каолинит - Al₂O_{3 *} 2SiO_{2 *} 2H₂O - важнейшая составляющая часть глины.

И хотя содержание его в земной коре 8,8% (для сравнения, например, железа в земной коре 4,65% - в два раза меньше), а по распространенности занимает третье место после кислорода (O) кремния (Si) в свободном состоянии впервые был получен в 1825 году Х. К. Эрстедом.

3 ПОЛУЧЕНИЕ

Немецкий химик Ф. Вёлер в 1827 получил алюминий при нагревании хлорида алюминия AlCl₃ со щелочными металлами калием (K) и натрием (Na) без доступа воздуха.

AlCl₃ + 3K = 3KCl + Al

(Реакция протекает с выделением тепла). Современный метод получения был разработан независимо американцем Чарльзом Холлом и французом Полем Эру. Он заключается в растворении оксида алюминия Al₂O₃ в расплаве криолита Na₃AlF₆ с последующим электролизом с использованием графитовых электродов. Такой метод получения требует больших затрат электроэнергии, и поэтому оказался востребован только в XX веке. Для производства 1 т алюминия требуется 1,9 т глинозёма и 18 тыс. кВт·ч электроэнергии. По масштабам производства и потребления алюминий занимает второе место после железа.

Отечественная промышленность выпускает первичный алюминий (ГОСТ 11069-74) трех сортов (табл. 16.1): особой чистоты (А999), высокой чистоты (А995-А95) и технической чистоты (А85-А0). В обозначении марки буква «А» означает алюминий, а последующие цифры указывают десятые, сотые и тысячные доли процента содержания алюминия. Например, алюминий марки А995 содержит не менее 99,995% Al, марки А6-99,6% Al, марки А0-99,0% Al.

Алюминий особой и высокой чистоты применяется для лабораторных и специальных целей, алюминий технической чистоты - для технических целей (выпуск деформируемого полуфабриката, получения сплавов и др.).

Основные примеси в алюминии - Fe и Si. Железо и кремний практически не растворимы в твердом алюминии и образуют тройные промежуточные фазы Ь (Fe₂SiAl₆) и в (FeSiAl₅), которые приводят к повышению прочности и снижению пластичности.

4 МАРКИ И ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) ПЕРВИЧНОГО АЛЮМИНИЯ (ГОСТ 11069-74)

* Для суммы титана, ванадия, хрома и марганца.

** Допускается массовая доля железа не менее 0,18%.

*** «Е» - в марках с гарантированными электрическими характеристиками.

5 ТЕХНИЧЕСКИЙ АЛЮМИНИЙ

6 ХИМИЧЕСКИЙ СОСТАВ (%) ТЕХНИЧЕСКОГО АЛЮМИНИЯ

* B: 0,02%; Ti + V: 0,02%.

** B: 0,05%; Ti + V: 0,02%.

7 ГАРАНТИРУЕМЫЕ МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ (НЕ МЕНЕЕ) ЛИСТОВ ИЗ АД0, АД1

* Для полунагартованного состояния Н2 (деформация при прокатке 40-60%) ?_в = 100-135 МПа, ?₁₀ = 8%.

Термической обработкой алюминий не упрочняется. Для полного разупрочнения нагартованного алюминия применяют отжиг при температурах 300-500°С с охлаждением на воздухе или в воде. Для частичного снятия упрочнения нагартованного алюминия проводят отжиг при 150-300°С.

8 ПРИМЕНЕНИЕ

- Благодаря комплексу свойств широко распространён в тепловом оборудовании.

- Алюминий и его сплавы сохраняют прочность при сверхнизких температурах. Благодаря этому он широко используется в криогенной технике.

- Высокий коэффициент отражения в сочетании с дешевизной и лёгкостью напыления делает алюминий идеальным материалом для изготовления зеркал.

- В производстве строительных материалов как газообразующий агент.

- Алитированием придают коррозионную и окалиностойкость стальным и другим сплавам, например клапанам поршневых ДВС, лопаткам турбин, нефтяным платформам, теплообменной аппаратуре, а также заменяют цинкование.

- Сульфид алюминия используется для производства сероводорода.

Идут исследования по разработке пенистого алюминия как особо прочного и лёгкого материала.

9 КЛАССИФИКАЦИЯ АЛЮМИНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Состав промышленных алюминиевых сплавов (ГОСТ 4784-97, ГОСТ 1583-93 и др.), структура и свойства изделий из них в значительной степени определяются способом производства. По способу производства алюминиевые сплавы делятся на две основные группы: деформируемые и литейные.

По способности к упрочнению термической обработкой алюминиевые сплавы подразделяются на неупрочняемые термообработкой и упрочняемые термообработкой (см рисунок 1).

Рисунок 1 - Типовая диаграмма состояния сплавов Al-легирующий элемент (схема): Д - деформируемые сплавы; Л - литейные сплавы; I - сплавы, не упрочняемые термической обработкой; II - сплавы, упрочняемые термической обработкой

В зависимости от уровня прочности, технологических свойств и назначения алюминиевые сплавы разделяют на сплавы высокой, средней и пониженной прочности; ковочные, заклепочные, свариваемые; коррозионностойкие, жаропрочные, криогенные, со специальными физическими свойствами (например, пониженной плотности) и др.

10 ДЕФОРМИРУЕМЫЕ АЛЮМИНИЕВЫЕ СПЛАВЫ

Общие сведения. Из деформируемых сплавов методом полунепрерывного литья получают круглые и плоские слитки, которые подвергают горячей и холодной обработке давлением (прессованию, прокатке, ковке, штамповке и др.). Главной структурной составляющей деформируемых сплавов является твердый раствор на основе алюминия, а объемная доля хрупких интерметаллидов сравнительно невелика (не более 10%), что обеспечивает деформируемость этих сплавов.

Упрочнение деформируемых алюминиевых сплавов, а также изменение физических, технологических, коррозионных свойств достигается с помощью различных методов: нагартовки, термической обработки (закалка + старение), термомеханической обработки (сочетание термической обработки и пластической деформации), закалки из жидкого состояния и упрочнения нерастворимыми частицами оксида алюминия, интерметаллидов и др. (порошковые материалы). Состояние полуфабрикатов из алюминиевых деформируемых сплавов обозначаются буквенно-цифровой маркировкой (табл.)

Упрочнение нагартовкой, повышающее прочностные свойства, применяется особенно широко для термически неупрочняемых сплавов и при термомеханической обработке - для термоупрочняемых сплавов. Сильная нагартовка используется для изделий простой формы (листы, плиты, иногда поковки).

Значительная часть алюминиевых деформируемых сплавов упрочняются термической обработкой: закалкой и естественным (искусственным) старением. Содержание основных легирующих элементов в таких сплавах, как правило, не превышает их растворимости в алюминии при высокой температуре. После закалки структура сплавов представляет собой пересыщенный твердый раствор легирующих элементов в алюминии. Такая структура, в отличие от закаленных сталей, обладает невысокой прочностью и повышенной пластичностью. При последующем старении происходит закономерное изменение структуры и свойств сплавов в результате распада пересыщенного раствора с образованием интерметаллидов.

Состояния (обработки) полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов

В свежезакаленном состоянии длинномерные полуфабрикаты (катаные, прессованные), как правило, подвергаются регламентированному растяжению со степенью остаточной деформации 1-3% для правки и снижения закалочных напряжений, а также некоторого повышения прочности, особенно предела текучести. Для этих же целей кованые полуфабрикаты (поковки, штамповки) в ряде случаев подвергаются обжатию или обжатию-растяжению с остаточной деформацией 1-5%.

Низкотемпературная термомеханическая обработка (НТМО). Для всех алюминиевых сплавов этот процесс имеет общие закономерности. На первой стадии старения возникают зоны Гинье-Престона (ГП), в которых в результате повышенной концентрации легирующего элемента наблюдается сильное искажение кристаллической решетки, приводящее к увеличению прочности и твердости. Эта стадия называется стадией зонного старения. При повышении температуры старения (или увеличении его продолжительности при достаточно высокой температуре) возникают частицы метастабильных фаз, когерентно связанных с матрицей твердого раствора, - стадия фазового старения. Затем появляются более крупные частицы метастабильных фаз - стадия коагуляции. В дальнейшем частицы метастабильных фаз обособляются и укрупняются - стадия отжига. При этом искаженность решетки снижается и, следовательно, снижаются прочность и твердость.

Для каждой стадии старения независимо от систем алюминиевых сплавов характерен определенный комплекс свойств. Зонному старению свойственны относительно низкий предел текучести (у _0,2/у _в = 0,6-0,7), высокое относительное удлинение (д > 10-15%), высокая коррозионная стойкость, в том числе и стойкость против коррозии под напряжением, высокая вязкость разрушения, низкая чувствительность к трещине.

Для фазового старения характерны высокий предел текучести (у _0,2/у _в = 0,9-0,95), низкая пластичность, пониженные вязкость разрушения, сопротивление коррозии под напряжением и расслаивающей коррозии.

На стадии коагуляции прочностные свойства, достигнув максимума, снижаются, при этом значительно улучшается сопротивление коррозии под напряжением и замедленному разрушению.

Для каждого стареющего алюминиевого сплава имеются свои температурно-временные области зонного и фазового старения. Для сплавов систем Al-Cu-Mg, Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg-Si и Al- Zn-Mg-Cu зонное старение протекает при 20 ? С. Для сплавов системы Al-Zn-Mg при 20°С наблюдается фазовое старение. Сплавы систем Al-Cu-Li, Al-Mg-Li при 20°С практически не старятся; для осуществления зонного старения их необходимо подогревать. Поэтому термины «естественное старение» и «искусственное старение» следует употреблять только для указания условий старения - без подогрева или с подогревом. Для характеристики структурного состояния и соответствующего ему комплекса свойств надо использовать термины «зонное старение», «фазовое старение» и «коагуляция при старении».

11 МАРКИРОВКА СПЛАВОВ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Н.В. Короновский, А.Ф. Якушова. «Основы геологии».

2. Ссылка на сайт: www.webelements.com/aluminium.

3. А.М. Пейсахов, А.М. Кучер. «Материаловедение и технология конструкционных материалов».

4. У. Болтов. «Конструкционные материалы» 2 - е издание.

5. Ссылка на сайт: www.metal.ru/aluminium.

6. Cсылка на сайт: www.plasma-welding.ru.

Размещено на Allbest.ru