Механические характеристики алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы

Среди всех сплавов своими эксплуатационными качествами выделяются алюминиевые. Их применяют при производстве летательных аппаратов, возведении домов, выпуске наземного транспорта и морских судов. При этом выделяют довольно много недостатков, которыми обладают алюминиевые сплавы: мягкость, не очень высокая прочный, относительно невысокая устойчивость к воздействию повышенной влажности. Однако всего несколько основных положительных качеств определяет широкое распространение алюминиевых сплавов в самых различных областях промышленности. Рассмотрим все особенности данного материала подробнее.

Характеристики алюминиевых сплавов

Сплавы на основе алюминия могут обладать самыми различными характеристиками, так как при их получении проводится смешивание различных примесей. Именно поэтому рассматривая механические свойства алюминиевых сплавов следует уделить внимание тому, какие именно элементы входят в состав.

Для начала отметим классификацию материалов, которые получаются при соединении меди и алюминия. Они делятся на три основные группы:

1. Действующие элементы медь и алюминий.
2. Действующие элементы медь, магний и алюминий.
3. Сочетание меди, алюминия и магния с добавлением легирующих элементов (в основном марганца).

Последняя группа сегодня получила довольно большое распространение, так как температура плавления алюминиевых сплавов, входящих в нее, довольно высока. Сплавы последней группы называют дюралюминием.

Рассматривая дюралюминий уделим внимание нижеприведенным моментам:

1. В состав данного сплава входят железо и кремний. В большинстве случаев подобные легирующие элементы воспринимаются как вещества, ухудшающие эксплуатационные качества. В данном случае железо способствует повышению жаростойкости, а кремний позволяет с высокой эффективностью провести старение.
2. Входящие в состав магний и марганец повышают прочность. За счет их включения в состав стало возможно использовать дюралюминий при производстве обшивочных листов для высокоскоростных поездов и летательных аппаратов или самолетов.

Часто встречается сплав, представляющий собой сочетание алюминия и магния. Технические характеристики подобного алюминиевого сплава зависят от того, сколько магния в составе.

Среди основных особенностей можно отметить нижеприведенные моменты:

1. С увеличением концентрации магния повышается прочность, но уменьшается коррозионная стойкость.
2. Прирост магния на 1% приводит к повышению прочности примерно на 30 000 Па.
3. В большинстве сплавов не более 6% магния. Это связано с тем, что слишком большая концентрация станет причиной покрытия всей поверхности коррозией. Также большая концентрация марганца становится причиной неоднородности структуры, неравномерная нагрузка может стать причиной появления трещины или другой деформации.

Сочетание алюминия с марганцем практически не подвергают термической обработке. Это связано с тем, что даже при соблюдении условий проведения закалки существенно изменить эксплуатационные качества сплава не получится. Плотность алюминиевого сплава может колебаться в достаточно большом диапазоне: от 2 до 4 грамм на кубический сантиметр.

Рассматривая слав, прочность которого имеет рекордные показатели, следует уделить внимание сплаву алюминия с цинком и магнием. При применении современных технологий производства можно добиться качеств, которые будут характерны для титана. Среди особенностей подобного сплава отметим:

1. Термическая обработка становится причиной растворения цинка, за счет чего предел прочности алюминиевого сплава возрастает в несколько раз.
2. Применять подобный материал в электрической промышленности нельзя, так как прохождение электричества становится причиной существенного снижения коррозионной стойкости.
3. Коррозионная стойкость в некоторых случаях повышается путем добавления меди, но все же она становится низкой.

В литейной промышленности весьма большое распространение получили алюминиевые сплавы, которые в своем составе имеют кремний. Тот момент, что при термической обработке кремний отлично растворяется в алюминии, позволяет использовать металл при фасонном или формовочном литье. Получаемые изделия хорошо обрабатываются резанием, а также обладают повышенной плотностью.

Очень редко встречаются смеси алюминия и железа, а также никеля. Это связано с тем, что подобные элементы зачастую применяются исключительно как легирующие вещества.

Примером можно назвать то, что железо добавляется в состав для упрощения процесса отделения детали от формы. В состав могут добавляться титан, который существенно повышает показатель прочности.

Подводя итоги по характеристикам алюминиевых сплавов можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Предел текучести может варьироваться в достаточно большом диапазоне.
2. Температура плавления алюминия может изменяться в зависимости от того, какие применялись легирующие вещества.
3. Прочность материала можно существенно повысить.
4. Некоторые легирующие элементы снижают коррозионную стойкость, улучшая другие эксплуатационные качества. Именно поэтому проводится покрытие поверхности защитными веществами.

Из-за легкости и прочности, а также относительно высокой коррозионной стойкости алюминиевые сплавы получили достаточно широкое применение. Альтернативных материалов, которые обладают подобными свойствами и низкой стоимостью, практически нет.

Сферы применения

Алюминий и алюминиевые сплавы получили самое широкое применение, что связано с основными эксплуатационными качествами. Их применение во многом зависит от состава. Примером назовем следующие моменты:

1. Изначально сплавы стали применяться при изготовлении элементов дирижаблей или самолетов, что связано с легкостью и прочностью.
2. Сегодня за счет того, что состав определяет плавление при достаточно высоких температурах, сплавы стали применять при изготовлении скоростных поездов. Для снижения их веса применяется алюминиевые сплавы. При движении на большой скорости поверхность нагревается, но при этом не деформируется.
3. Машиностроительная, пищевая и легкая промышленность, сфера производства бытовой техничек и электроники – применение алюминиевого сплава весьма обширно.

Столь обширная сфера применения определена также тем, что процесс производства сплава весьма прост, получаемый материал не имеет высокой стоимости, а эксплуатационные качества могут быть изменены путем добавления различных легирующих элементов.

Классификация

Рассматривая виды алюминиевых сплавов следует отметить, что они могут классифицироваться по достаточно большому количеству признаков. Классификация алюминия его сплавов по типу вспомогательных элементов подразумевает выделение следующих основных групп:

1. С добавлением присадок. В качестве присадки применяется просто огромное количество различных веществ, к примеру, магний, цинк, хром, кремний и другие.
2. С добавлением интреметаллидов. Эту группу можно охарактеризовать добавлением соединением нескольких металлов, к примеру, меди и магния, лития и магния.

Специальные алюминиевые сплавы могут состоять из огромного количества элементов. Их добавление проводится для придания материалу особых эксплуатационных качеств.

В зависимости от выбранного метода металлообработки можно выделить:

1. Деформируемые сплавы – твердые, из-за повышенной пластичности могут подвергаться обработки путем прессования или ковки. Для повышения эксплуатационных качеств может проводится дополнительная обработка.
2. Литейные поступают на производство в жидком виде. Подобный материал легко поддается резке после отвердевания. Пример применения литейного сплава — изготовление корпусных деталей различной формы.

По степени прочности можно выделить несколько групп:

Кроме этого в отдельную группу принято выделять дуралюмины, которые обладают особыми эксплуатационными качествами.

Легкий алюминиевый сплав может иметь достаточно большое количество различных примесей. При этом химический состав отражается на маркировке.

Деформируемые алюминиевые сплавы

Довольно большое распространение деформируемых алюминиевых сплавов можно связать с тем, что при их применении процесс производства различных изделий существенно упрощается. Область применения следующая:

Деформируемые алюминиевые сплавы

В результате получаются различные заготовки или уже практически готовые детали с исключительными эксплуатационными качествами. После получения требующейся формы проводится отжиг, закалка или старение, которые позволяют существенно повысить показатель прочности. Данный типа алюминия применяют для получения труб, листа или профиля.

Литейные алюминиевые сплавы

Технологии получения деталей и заготовок путем литья применяются на протяжении многих лет. Они хороши тем, что позволяют получать самые различные формы, которые могут иметь сложные поверхности. Сплавы на основе алюминия могут переходить в текучее состояние при более низких температурах, чем другие металлы. Именно поэтому процесс изготовления различных деталей существенно упрощается.

Среди других особенностей материала данной группы отметим:

1. После формирования устойчивой кристаллической решетки полученную поверхность достаточно легко подвергать механической обработке.
2. Получаемые заготовки рассматриваемым методом также хорошо поддаются обработке методом давления.

Литейные алюминиевые сплавы получили весьма широкое применение в различных отраслях промышленности, особенно тех, в которых нужно получать сложные корпусные детали. За счет литья по форме существенно упрощается дальнейшая механическая обработка.

Литейные алюминиевые сплавы

Основные требования, предъявляемые к литейным алюминиевым сплавом – сочетание хороших литейных свойств и оптимальных физико-механических качеств. Данную группу можно разделить на:

1. Конструкционные герметичные. Этот тип материала характеризуется высокими литейными качествами, а также удовлетворительной коррозионной стойкостью и механической обрабатываемостью. Как правило, получаемые заготовки и изделия в дальнейшем не подвергаются термической обработке для повышения эксплуатационных качеств. Для изготовления средних и крупных деталей, которые зачастую представлены корпусами, достаточно часто проводится легирование состава.
2. Высокопрочные и жаропрочные. Довольно часто подобный состав дополнительно легируется титаном, за счет чего обеспечиваются высокие эксплуатационные качества. Жаропрочность выдерживается в пределах 350 градусов Цельсия. Для упрочнения состава проводится закалка на протяжении достаточно длительного периода. Довольно часто подобный сплав применяется при получении крупногабаритных заготовок самого различного предназначения.
3. Коррозионностойкие составы характеризуются тем, что обладают высокой коррозионной стойкостью при эксплуатации в самых различных агрессивных средах. Структура хорошо подается обработке методом резания и сваривания. Однако стоит учитывать относительно невысокие литейные свойства.

Последняя разновидность алюминиевых сплавов достаточно часто применяется при изготовлении деталей, которые будут эксплуатироваться при воздействии морской воды.

Принципы маркировки

Довольно большое количество сложностей возникает с определением марки материала. Маркировка алюминиевых сплавов проводится так, чтобы их можно было просто определить. Как правило, каждому составу присваивается свой номер, который может состоять из цифр и букв.

Среди особенностей маркировки можно отметить нижеприведенные моменты:

1. Начинается маркировка с одной или нескольких букв, которые указывают на состав.
2. Кроме этого марки имеют цифровой порядковый номер.
3. В конце обозначения также может указываться цифра, которая указывает на особенности проведенной термической или иной обработки.

Разберем применяемые правила обозначений на конкретном примере сплава Д17П. Первая буква указывает на то, какой именно состав. В данном случае это дюралюминий. Все дюралюминии имеют определенный химический состав, однако концентрация основных элементов может существенно отличаться. Поэтому число 17 – порядковый номер, указывающий на конкретный материал (то есть с определенными качествами). В конце есть буква, которая применяется для обозначения полунагартованного сплава. Данный метод обработки предусматривает воздействие давления без предварительного нагрева сплава, а значит прочность будет вполовину меньше максимального значения.

В заключение отметим, что каждый состав обладает своими особыми физико-механическими качествами. Данные свойства определяют то, куда именно будет направлен материал для изготовления деталей или дальнейшей обработки. Наиболее важными свойствами принято считать пластичность, теплопроводность, электрическую проводимость и другие. Немаловажным фактором также является то, насколько качественно было проведено изготовление материала. Применение современных технологий позволяет с высокой точностью контролировать концентрацию тех или иных элементов, исключает вероятность появления различных дефектов. В большинстве случаев производство проводится в соответствии с ГОСТ и другими мировыми стандартами.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Механические свойства алюминия

Что такое механические свойства?

Механические свойства алюминия, как и других материалов – это свойства, которые связаны с упругой и неупругой реакцией материала на приложение к нему нагрузки, в том числе, зависимость между напряжениями и деформациями. Примерами механических свойств являются:

• модуль упругости (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел прочности (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел текучести
• предел усталости
• удлинение (относительное) при разрыве
• твердость.

Механические свойства часто ошибочно относят к физическими свойствам.

Механические свойства материалов, в том числе, алюминия и его сплавов, которые получают путем испытания материала на растяжение, например, модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении и относительное удлинение называют механическими свойствами при растяжении.

Модуль упругости

Модуль упругости, который часто называют модулем Юнга – это отношение напряжения, которое приложено к материалу, к соответствующей деформации в том интервале, когда они являются прямо пропорциональными друг к другу.

Различают три типа напряжений и соответственно три типа модулей упругости для любого материала, в том числе для алюминия:

• модуль упругости при растяжении
• модуль упругости при сжатии
• модуль упругости при сдвиге (сдвиговый модуль упругости).

Таблица – Модули упругости при растяжении алюминия и других металлов [1]

Прочность при растяжении

Отношение максимальной нагрузки перед разрушением образца при испытании его на растяжение на исходную площадь поперечного сечения образца. Также применяются термины «предел прочности при растяжении» и «временное сопротивление разрыву».

Предел текучести

Напряжение, которое необходимо для достижения заданной малой пластической деформации в алюминии или другом материале при одноосной растягивающей или сжимающей нагрузке.

Если пластическая деформация под воздействием растягивающей нагрузки задается как 0,2 %, то применяется термин «предел текучести 0,2 %» (R_p0,2).

Рисунок – Типичная диаграмма напряжение-деформация
для алюминиевых сплавов

Удлинение (при разрыве)

Часто называется «относительным удлинением». Увеличение расстояния между двумя метками на испытательном образце, которое возникает в результате деформирования образца при растяжении до разрыва между этими метками.

Величина удлинения зависит от размеров поперечного сечения образца. Например, величина удлинения, которая получена при испытании алюминиевого листового образца будет ниже для тонкого листа, чем для толстого листа. Тоже самое относится и к прессованным алюминиевым профилям.

Удлинение А

Удлинение в процентах после разрыва образца при исходном расстоянии между метками 5,65 · √ S, где S – исходная площадь поперечного сечения испытательного образца. Устаревшее обозначение этой величины А₅ в настоящее время не применяется. Аналогичная величина в русскоязычных документах обозначается δ₅.

Легко проверить, что для круглых образцов это расстояние между исходными метками вычисляется как 5·d.

Удлинение А_50мм

Удлинение в процентах после разрыва образца по отношению к исходной длине между метками 50 мм и постоянной исходной ширине испытательного образца (обычно 12,5 мм). В США применяется расстояние между метками в 2 дюйма, то есть 50,8 мм.

Сдвиговая прочность

Максимальное удельное напряжение, то есть максимальная нагрузка, разделенная на исходную площадь поперечного сечения, которую выдерживает материал при испытании на сдвиг. Сдвиговая прочность обычно составляет 60 % от прочности при растяжении.

Сдвиговая прочность является важной характеристикой качества заклепок, в том числе, алюминиевых.

Коэффициент Пуассона

Отношение между продольным удлинением и поперечным сокращением сечения при одноосном испытании. Для алюминия и всех алюминиевых сплавов во всех состояниях коэффициент Пуассона обычно составляет 0,33 [2].

Твердость

Сопротивление металла пластическому деформации, обычно измеряемое путем отпечатка.

Твердость Бринелля (HB)

Сопротивление проникновению сферического индентора при стандартизированных условиях.

Для алюминия и алюминиевых сплавов твердость НВ приблизительно равна 0,3·R_m, где R_m – предел прочности при растяжении, выраженный в МПа [2].

Если применяется индентор из карбида вольфрама, то применяется обозначение HBW.

Твердость Викерса (HV)

Сопротивление проникновению алмазного индентора в виде квадратной пирамиды при стандартизированных условиях. Твердость HV приблизительно равна 1,10·HB [2].

Усталость

Тенденция металла разрушаться при длительных циклическом напряжении, которое значительно ниже предела прочности при растяжении.

Усталостная прочность

Максимальная амплитуда напряжения, которую может выдерживать изделие при заданном количестве циклов нагружения. Обычно выражается как амплитуда напряжения, которая дает 50%-ную вероятность разрушения после заданного количества циклов нагружения [2].

Усталостная выносливость

Предельное напряжение, ниже которого материал будет выдерживать заданного количество циклов напряжения [2].

Механические свойства алюминия и алюминиевых сплавов

В таблицах ниже [3] представлены типичные механические свойства алюминия и алюминиевых сплавов:

• предел прочности при растяжении
• предел текучести при растяжении
• удлинение при растяжении
• усталостная выносливость
• твердость
• модуль упругости

Механические свойства представлены отдельно:

• для алюминиевых сплавов, упрочняемых нагартовкой.
• для алюминиевых сплавов, упрочняемые термической обработкой.

Эти механические свойства – типичные. Это означает, что они годятся только для сравнительных целей, а не для инженерных расчетов. В большинстве случаев они являются средними значениями для различных размеров изделий, их форм и методов изготовления.

Механические характеристики сплавов АМг и АМц

Механические свойства алюминиевого сплава АМц зависят от температуры горячей прокатки. Увеличение температуры прокатки уменьшает временное сопротивление разрыву и увеличивает временое сопротивление разрыву. Эта зависимость верна для полуфабрикатов в любом состоянии: горячекатанном, холоднокатанном и отожженном.

Механические свойства листов АМц в горячекатанном и отожженом состоянии после холодной прокатки, обжатие 80%

Сос­тояние	Температура горячей прокатки, °C
	480 — 500		350 — 380
	σв, МПа	δ , %	σв, МПа	δ , %
Горячекатанное	157	19,3	204	12,7
Отожженное при Т, °C:
350	110	21,0	200	9,0
400	110	22,0	160	12,0
500	110	23,0	130	19,0

Гарантируемые механические характеристики полуфабрикатов из сплава АМц

Полу­фабри­каты	Сос­тояние	σв, МПа	δ , %	τ ср, МПа
		не менее
Листы толщиной, мм:	М
0,3–3,0		100–150	22	–
3,0–6,0		100–150	20	–
0,3–6.5	Н2 (П)	150–220	6	–
0,3–0,5	Н	190	1	–
0,5–0,8		190	2	–
0,8–1,2		190	3	30
1,2–1,6		190	4	40
Трубы всех размеров	М	130	–	–
	Н	140	–	–
Профили всех размеров	М	170	16	160
Прутки	ГП	170	16	–
Проволока для заклепок	Без ТО	–	–	70
Плиты толщиной 11–25мм	ГК	120	15	–

Сплавы алюминия с магнием (манганалии) не упрочняются термической обработкой. В помышленности применяют большую группу сплавов системы Al-Mg: АМг1, АМг2, АМг3, АМг4, АМг5, АМ6, АМг61 и др. Полуфабрикаты из этих сплавов обладают высокой пластичностью и невысокой прочность по сравнению с термически упрочняемыми сплавами типа Д16 или В95. Манганалии хорошо свариваются всеми видами сварки. Они стойкие к коррозии в морской атмосфере.

Прочность сплавов алюминия с магнием Al-Mg повышают нагартовкой полуфабрикатов: увеличивается временное сопротивление разрыву и предел текучести, при снижении пластичности. Степень нагартовки 35% не уменьшает высокую коррозионную стойкость АМг-сплавов и не влияет на свариваемость. Околошовная зона АМг-сплавов из-за нагрева при сварке имеет характеристики отожженого материала.Увеличение содержания магния в сплавах до 6% приводит к резкому росту прочностных характеристик, особенно предела текучести. После концентрации Mg выше 5,5% (АМг6) рост предела текучести существенно замедляется. Пластичность уменьшается до 4% магния, а затем медленно повышается.

Манганалии сохраняют высокие коррозионные свойства при любых нагревах, если содержание магния не превышает 4,5%. В сплавах с 5-7% Mg по границам зерен выделяется при закалке и старении β -фаза Al₃Mg₂, которая создает местные очаги коррозии. Сплошное выделение β-фазы предотвращают отжигом при 310-325°С, при котром β-фаза равномерно распадается по всему зерну. Такая структура растравливается равномерно в электролите.

Сплавы АМг4, АМг5, АМ6, АМг61 — наиболее прочные сплавы системы алюминий-магний. Они обладают высокой технологической пластичностью, но быстро нагартовываются в процессе холодной деформации, а также высокими значениями σ_в и σ_0,2.

Механические свойства сплавов цветных металлов

Основные характеристики механических свойств сплавов цветных металлов

• E — модуль упругости — коэффициент пропорциональности между нормальным напряжением и относительным удлинением;
• G — модуль сдвига (модуль касательной упругусти) — коэффициент пропорциональности между касательным напряжением и относительным сдвигом;
• μ — коэффициент Пуассона — абсолютное значение отношения поперечной деформации к продолной в упругой области;
• σ_т — предел текучести (условный) — напряжение при котором остаточная деформация после снятия нагрузки составляет 0,2%;
• σ_в — временное сопротивление (предел прочности) — прочность на разрыв;
• δ — относительное удлинение — отношение абсолютного остаточного удлинения образца после разрыва к начальной расчётной длине;
• твёрдость (HB, HRC, HV).

Механический свойства алюминиевых сплавов

Для обозначения состояний деформируемых сплавов приняты следующие обозначения: М — мягкий, отожжённый; П — полунагартованный; Н — нагартованный; Т — закалённый и естественно состаренный; Т1 — закалённый и искусственно состаренный на высокую прочность; Т2 — закалённый и искусственно состаренный по режиму, обеспечивающему по сравнению с режимом Т1 более высокие значения вязкости разрешения и сопротивления коррозии под напряжением; Т3 — аналогично Т2 с улучшенными свойствами. Буква «ч» в обозначении марки сплава указывает на повышенную чистоту сплава (по содержанию примесей).

Механические свойства алюминиевых деформируемых сплавов

E = 70. 72 ГПа, G = 27. 28 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,31. 0,33.

Система легирования	Сплав, состояние	Полуфабрикат	Предел прочности σв, МПа	Предел текучести σт, МПа	Твёрдость HB, МПа
Al — Mg	АМг5М	Пруток, штамповка	300	160	HB 650
Al — Mg	АМг6М	Поковка	300	150	—
Al — Mg	АМг6Н	Лист	400	300	—

Механические свойства титановых сплавов

E = 110. 120 ГПа, G = 42. 45 ГПа, коэффициент Пуассона μ = 0,31. 0,34.

Система легирования	Сплав	Полуфабрикат	Предел прочности σв, МПа	Предел текучести σт, МПа
ВТ1-1	99,04% Ti	Сплав малой прочности после отжига.	450-600	380-500
Ti — Al	ВТ5	Среднепрочный сплав после отжига.	750-950	650-700
Ti — Al — V	ВТ6	Высокопрочный сплав после закалки и старения.	1150	1050

Механический свойства медных сплавов

Медные сплавы разделяются на две основные группы: латуни и бронзы. Латуни — сплавы, легированные цинком. Различают простые и специальные латуни.

Простые латуни (двойные сплавы) маркируют буквой Л, за которой следует содержание меди в процентах. В обозначении специальных латуней после буквы Л следуют заглавные буквы легирующих элементов и содержание меди в процентах, затем через тире — процентное содержание каждого легирующего элемента. Бронзы — сплавы, легированные различными элементами за исключением цинка. Маркируют бронзы буквой Бр, в остальном повторяется система маркировки латуней. Сплавы, в которых основным легирующим элементом является никель, именуются медно-никелевыми и имеют специальные названия. Деформируемые медные сплавы поставляются в мягком (отожженном и закаленном), полутвердом (обжатие 10-30%), твердом (обжатие 30-50%) и особо твердом (обжатие более 60%) состояниях. Сплавы на основе олова или свинца — баббиты, маркируются буквой Б, за которой следует цифра, обозначающая содержание олова в сплаве.

Технологические свойства алюминиевых сплавов.

Технология изготовления корпусных конструкций из алюминиевых сплавов

Алюминиевые сплавы

В судостроении для корпусных конструкций наряду со сталями различных марок применяют легкие сплавы.

Легкие сплавы обладают высокой удельной прочностью и наиболее широко применяются при изготовлении скоростных судов, яхт, небольших катеров, а также надстроек судов (см. рис.12.1, 12.2).

Рис.12.1. Корпус яхты из алюминиевого сплава

Из легких сплавов наибольшее распространение получили алюминиевые удельной массой 2,6 – 2,8 г/см 3 . Алюминиевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью; меньше, чем сталь, подвержены обрастанию морскими организмами и немагнитны.

Рис.12.2. Стальное судно с надстройкой из алюминиевого сплава

Введение в алюминиевые сплавы таких металлов как марганец Mn, магний Mg, кремний Si, медь Cu, цинк Zn позволяет получать материалы с разнообразными механическими и технологическими свойствами (см. рис.12.3.).

По сравнению со стальным прокатом, эти сплавы имеют особенности в обработке, которые обусловлены химическим составом и механическими характеристиками

Алюминиевые сплавы разделяют на две группы:

– литейные, применяемые для изготовления фасонного литья;

– деформируемые, применяемые для изготовления листов, профилей и поковок.

Литейные сплавы в судостроении применяют для отливки судовых деталей любой конфигурации – дельные вещи, детали судовых устройств, оборудование кают и тому подобное.

Деформируемые сплавы в свою очередь разделяют на сплавы, упрочняемые и не упрочняемые термической обработкой.

К термически не упрочняемым сплавам относятся:

а) – сплавы алюминия с марганцем – АМц (Al+Mn). Эти сплавы свариваются и предназначены для изготовления судовых конструкций, которые не рассчитываются на прочность (легкие переборки, листы зашивки), а также для деталей, которые изготавливаются штамповкой.

б) – сплавы алюминия с магнием – АМг (Al+Mg). Эти сплавы в зависимости от марки могут также применяться для корпусов морских и речных судов и быстроходных судов.

Для термически не упрочняемых сплавов по сравнению с термически упрочняемым характерна повышенная пластичность, более низкая прочность, хорошая свариваемость и более высокая коррозионная прочность.

Термически упрочняемые сплавы обладают более низкой коррозионной стойкостью и высокими механическими характеристиками, которые достигаются в результате термообработки. При повторном нагреве, например, в процессе сварки, прочность таких сплавов снижается на 40-60% и приближается к характеристикам термически не упрочняемых сплавов.

Рис.12.3. Основные системы легирования алюминиевых сплавов.

1 – литейные сплавы; 2 – термически не упрочняемые сплавы;

3 – сплавы, упрочняющие при старении.
Механические свойства легких сплавов зависят от вида изготавливаемых из них полуфабрикатов (листы, профили, панели, трубы), от их размеров, а также способа механической и термической обработки. В зависимости от этих условий для каждого сплава механические свойства могут изменяться в широком диапазоне.

Механические свойства некоторых алюминиевых сплавов приведены в таблице:

Сплав	Предел прочности, МПа	Предел текучести , МПа	Относительное удлинение , %
Термически не упрочняемые сплавы
АМц	88-147	18-22
АМг5	255-274	108-147	12-15
АМг61	314-333	156-206
Термически упрочняемые сплавы
1985Т	343-411	206-274	14-16
К48-1Т1	10-12
Д16	225-480	230-352	8-13

Технологические свойства алюминиевых сплавов.

1. Все сплавы допускают правку и гибку в холодном или нагретом состоянии.

2. Режутся механической, плазменной, лазерной или водяной резкой.

3. С повышением температуры до 80 – 100 0 С механические свойства сплавов значительно изменяются, что обуславливает повышенные требования к точности выдержки температурного режима.

4. Сплавы более чем сталь чувствительны к концентрации напряжений, поэтому нельзя допускать царапин, рисок, острых надрезов на поверхности деталей.

5. Сплавы имеют повышенную восприимчивость к наклепу в процессе холодной обработки давлением.

6. Сплавы не удовлетворяют условиям кислородной резки (Температура воспламенения металла выше температуры его плавления).

7. К недостаткам алюминиевых сплавов относятся более значительные по величине, чем при сварке стальных конструкций, сварочные деформации. Основными причинами этого являются в 2 раза более высокие, чем у стали коэффициенты теплопроводности и линейного расширения и в 3 раза меньший модуль нормальной упругости.

Сортамент материалов из алюминиевых сплавов включает листы, профили и прессованные панели. Листы из алюминиевых сплавов получают прокаткой, а профили и панели – прессованием. Прессованные профили изготавливают из заготовки – слитка, предварительно нагретого в печи и вложенного в контейнер пресса. Слиток продавливают сквозь матрицу, имеющую отверстия по контуру прессуемого профиля. Процесс прессования обеспечивает высокие механические свойства полуфабрикатов.

Алюминиевые сплавы, их состав, свойства и особенности работы

Для строительных конструкций применяются алюминиевые сплавы с содержанием легирующих компонентов и примесей 5-7 % (технический алюминий с примесями до 1 % ввиду малой прочности применяется очень редко и только для декоративных и ограждающих элементов).

Алюминиевые сплавы разделяются на деформируемые (обрабатываемые давлением: прессованием, вытяжкой, прокаткой, штамповкой и т.д.), применяемые в строительных конструкциях, и на литейные, применяемые в основном в машиностроении.

Алюминиевые сплавы легируют марганцем, магнием, кремнием, цинком, медью, хромом, титаном или одновременно несколькими этими компонентами, в зависимости от чего система сплава получает наименование и марку с условным обозначением.

Алюминиевые сплавы поставляют в различных состояниях термической обработки и нагартовки (наклеп, вытяжка).

Технический алюминий обладает очень высокой коррозионной стойкостью, но малопрочен и пластичен.

Алюминиево-марганцевые и алюминиево-магниевые сплавы обладают высокой коррозионной стойкостью, сравнительно высокой прочностью и хорошо свариваются. Многокомпонентные сплавы обладают средней и высокой коррозионной стойкостью, средними и высокими показателями прочности и могут применяться в сварных и клепаных несущих и ограждающих конструкциях.

Термическая обработка повышает прочностные характеристики сплавов в 1,3-1,5 раза. При сварке конструкций из термически обработанных сплавов происходит некоторое разупрочнение материала в зоне термического влияния, которое надо учитывать при расчете и конструировании сварных соединений. Термически не упрочняются сплавы марок АМг и АМц.

Чтобы повысить коррозионную стойкость, алюминиевые сплавы могут быть плакированными (покрытыми тонкой пленкой чистого алюминия при изготовлении полуфабриката).

Структура алюминиевых сплавов состоит из кристаллов алюминия, упрочненных легирующими элементами (легирующие элементы входят в твердый раствор с алюминием и упрочняют его). Особенно большое упрочнение сплава получается, если количество легирующего компонента больше максимально растворимого при обычной температуре, тогда компоненты выделяются в виде упрочняющих включений. Ввиду относительно малой прочности включений и прослоек между зернами под действием нагрузки происходят более плавные деформации, и, в отличие от малоуглеродистой стали, площадки текучести в сплавах не получается.

На рис. 1 приведены диаграммы работы некоторых алюминиевых сплавов на растяжение (там же для сравнения дана кривая для стали 3). Наиболее существенные отличия в работе алюминиевых сплавов и стали заключаются в меньшем угле наклона первоначальной прямолинейной части диаграммы алюминиевых сплавов, характеризующем модули упругости материалов (2,1∙10 4 кН/см 2 для сталей и 0,71∙10 4 кН/см 2 для алюминиевых сплавов), в отсутствии площадки текучести у алюминиевых сплавов, а также в меньшем относительном удлинении термически обработанных сплавов.

1-технический алюминий АД1М; 2- сплав 1915Т; 3- сталь 3

Механические свойства алюминиевых сплавов зависят не только от химического состава, но и от условий их обработки. Основное отличие работы алюминиевых сплавов от работы стали заключается в том, что они более деформативны, т. е. имеют меньшую жесткость. У алюминиевых сплавов модуль упругости при растяжении Е=0,7∙10 4 кН/см 2 , а модуль упругости при сдвиге G=0,27∙10 4 кН/см 2 что почти в 3 раза меньше, чем у стали; поэтому при равных напряжениях прогибы алюминиевых конструкций в 3 раза больше. Коэффициент Пуассона m=0,3. На диаграмме растяжения алюминиевых сплавов нет площадки текучести. За предел текучести условно принимается напряжение s при котором относительная остаточная деформация достигает e=0,2 %. При температурах свыше 100 °С наблюдается некоторое снижение прочностных характеристик, а начиная примерно с 200 °С появляется ползучесть. Коэффициент температурного расширения алюминия =0.000023, что в 2 раза больше чем у стали. При пониженных температурах все механические показатели алюминиевых сплавов улучшаются. Ударная вязкость сплавов при нормальной температуре ниже чем у стали (около 3,0 кг∙м/см 2 ), и почти не снижается при отрицательных температурах.

Изменение механических свойств алюминиевых сплавов при старении происходит более интенсивно, чем у стали, и увеличение пределов текучести и прочности значительно выше. Увеличение прочности алюминиевых сплавов при старении учитывают при назначении их расчетных сопротивлений. Расчетные формулы для алюминиевых конструкций при различных силовых воздействиях имеют такой же вид, как и для стальных конструкций. Значения различных коэффициентов принимают в зависимости от марок сплавов по нормам проектирования алюминиевых конструкций СНиП II-24-74.

К достоинствам алюминиевых сплавов можно отнести: относительно высокую прочность при малой плотности самого материала; высокую технологичность при обработке прессованием, прокаткой или ковкой, позволяющую изготовлять изделия сложной формы; высокую стойкость против коррозии, высокие механические характеристики при отрицательных температурах; отсутствие искрообразования при ударных воздействиях.

Недостатки алюминиевых сплавов:относительно небольшой модуль упругости; высокий коэффициент температурного расширения; относительная сложность выполнения соединений; дефицитность и пока ещё высокая стоимость; малая огнестойкость.

Профили из алюминиевых сплавов для алюминиевых конструкций получают прокаткой, прессованием или гнутьем. Прокатывают только плоские профили: листы полосы, ленты. Прессованные профили могут быть самого различного очертания, поперечное сечение их должно вписываться в круг диаметром матрицы размером 320 мм (имеются отдельные прессы с диаметром матрицы 530мм). Эти профили изготавливают на специальных прессах. Цилиндрическая, нагретая примерно до 400°С заготовка из алюминиевого сплава продавливается через стальную матрицу с отверстием по форме сечения профиля. Матрица удерживается держателем. Прессоваться могут как сплошные так и пустотелые (трубчатые) профили.

Гнутые профили изготавливают путём гибки тонких листов или лент на роликогибочных станах или гибочных прессах.

Основы расчета металлических конструкций. Расчетная схема, опорные за-крепления элементов. Предельные состояния. Группы предельных состоя-ний. Расчет конструкций по допускаемым напряжениям и сопоставление его с расчетом по предельным состояниям.

Цель и назначение расчета конструкций – проверка прочности, устойчивости и жесткости предварительно намеченной конструктивной схемы сооружения, позволяющая уточнить размеры и обеспечить надежность сооружения при наименьших затратах металла. Расчёт сооружений и их конструктивных элементов производится на основе методов сопротивления материалов и строительной механики. Основной целью этих методов является определение внутренних усилий, которые возникают в конструкциях под действием приложенных нагрузок.

Расчет начинают с составления расчетной схемы сооружения, временно отвлекаясь от действительной формы сечения элементов. Опорные закрепления элементов наделяют, при этом некоторыми теоретическими свойствами (шарнирные опоры, опоры с упругими и жесткими защемлениями и т. п.). Определив по принятой расчетной схеме усилия в элементах, производят подбор сечений, проверяют несущую способность и конструируют закрепления так, чтобы удовлетворить поставленным задачам. Иногда бывают необходимы более точные методы определения напряжений с учетом развития пластических деформаций. Однако математическая сложность этих методов вынуждает часто применять в формулах ряд коэффициентов, значения которых приводятся в таблицах. Согласно СНиП II-23-81*, строительные конструкции рассчитывают на силовые другие воздействия по предельным состояниям.

За предельное состояние принимается такое состояние конструкции, при котором она перестает удовлетворять предъявленным к ней эксплуатационным требованиям, т.е. либо теряет способность сопротивляться внешним воздействиям, либо получает недопустимую деформацию или местное повреждение.

Группы предельных состояний

Первая группа – по исчерпанию несущей способности (прочности, устойчивости или выносливости).

Вторая группа – по пригодности к нормальной эксплуатации в соответствии с заданными технологическими или бытовыми условиями.

Ко второй группе предельных состояний относятся состояния затрудняющие нормальную эксплуатацию или снижающие долговечность в следствии появления недопустимых перемещений колебаний и др. Расчет конструкций по предельным состояниям направлен на предотвращение наступления любого из предельных состояний при возведении сооружения в течение всего срока службы. Граничное условие первой группы предельных состояний:

,

где — наибольшее расчетное усилие в элементе конструкций от суммы расчетных нагрузок наиболее не выгодной комбинации;

— предельное усилие, которое может воспринять рассчитываемый элемент(зависит от материала и размеров элемента).

Граничное условие второй группы предельных состояний :

f f_u,

где f – деформация или перемещение конструкции (зависит от нагрузок, материала и системы конструкций);

f_u – предельных деформация или перемещение (зависит от значения конструкции и устанавливается СНиП).

9. Нагрузки, действующие на сооружение. Виды нагрузок. Нормативные и расчетные нагрузки.

В процессе эксплуатации конструкция подвергается воздействию различных нагрузок (собственная масса, технологические нагрузки), а также атмосферном воздействии и др.

Нагрузки,отвечающие условиям нормальной эксплуатации, называются нормативными F_n. Нормативные нагрузки устанавливаются СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».

В процессе работы конструкции возможны некоторые превышения нормативных нагрузок из за случайных отступлений от условий нормальной эксплуатации.

Наибольшая возможная нагрузка, которая может случайно появиться за время существования конструкции, называется расчетной F. Целостность конструкции должна быть обеспечена на всем протяжении ее работы, поэтому расчет конструкции по несущей способности производиться на расчетные нагрузки. Расчетную нагрузку определяют как произведение нормативной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке.

;

Коэффициенты надежности по нагрузкам для различных нагрузок изучают статическими методами, они приведены в СНиП.

В зависимости от продолжительности воздействия на конструкцию нагрузки делят на постоянные и временные. Временные нагрузки подразделяют на длительные, кратковременные и особые.

Постоянными нагрузками называют такие, которые действуют на конструкцию постоянно: собственная масса строительных конструкций, давления грунта, воздействие предварительного напряжения конструкций и т. п.

Длительными нагрузками называют такие, которые воздействуют на конструкцию продолжительное время (но могут и отсутствовать): масса технологического оборудования, давление жидкостей и газов в резервуарах и трубопроводов масса складируемых грузов и.т.д.

Кратковременными нагрузками называют нагрузки, действующие непродолжительное время: снег, ветер, подвижные краны, нагрузки возникающие при перевозке и монтаже, ремонтах и испытаниях конструкций, температурные климатические воздействия и т.д.

Особые нагрузки – это нагрузки, которые могут появиться в исключительных случаях: сейсмические воздействия, аварийные нарушения технологического процесса, резкие просадки грунтов. На конструкцию или сооружение может воздействовать одновременно несколько нагрузок. Чем большее число временных нагрузок воздействует на конструкцию, тем меньше вероятность совпадения их наибольших значений, а конструкция, рассчитанная на простую суммарную комбинацию всех нагрузок, будет иметь излишний запас прочности. Поэтому конструкции рассчитывают на расчетные сочетания нагрузок. СНиП 2.01.07 – 85 установлены два расчетных сочетания нагрузок:

o Основные сочетания, состоящие из постоянных, длительных и кратковременных нагрузок;

o Особые сочетания, состоящие из постоянных, длительных, кратковременных и одной из особых нагрузок.

Если в основноесочетание входят две (или более) кратковременные нагрузки, то расчетные значения этих кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания n_c=0,9 (если в сочетании нагрузок участвует только одна кратковременная нагрузка, значение ее суммируют с постоянной и длительными нагрузками без снижения, т. е. n_c=1)

При составлении особых сочетаний нагрузок расчетные значения суммарных кратковременных нагрузок умножают на коэффициент сочетания при этом особая нагрузка должна приниматься без снижения, т. е. n_c=1.