Классификация алюминиевых, магниевых, титановых сплавов и сталей

Так как прочность алюминия очень незначительна, то в качестве конструкционных материалов применяют алюминиевые сплавы. Сплавы подразделяются на деформируемые – в основном, дюралюминий и литейные – главным образом силумин.
Преимуществами алюминиевых сплавов являются высокие значения прочности (σв – до 600 МПа), удельной прочности (σв/ρ = 21), коррозионной стойкости, тепло- и электропроводности.
Алюминиевые сплавы входят в группу легких сплавов (при одинаковой прочности изделия из алюминиевых сплавов в 3 раза легче стальных). Некоторые из них не обладают хорошей свариваемостью.
Наибольшее применение для легирования алюминиевых сплавов находят элементы, формирующие упрочняющие фазы и зоны (Cu. Si, Mg, Mn, Zn, Fe, реже – Li, Ni, Ti). Марганец одновременно повышает коррозионную стойкость, а кремний участвует в образовании эвтектики в литейных сплавах. Литий в сплавах способствует возрастанию их модуля упругости. Однако магний и марганец снижают тепло- и электропроводность алюминия, а железо – его коррозионную стойкость.
Характерной особенностью структуры алюминиевых сплавов является их фазовый состав, включающий твердый раствор и интерметаллидные фазы (CuAl2, Al2CuMg, Al3Mo и др.)
Принципы маркировки алюминиевых сплавов следующие. Буква А в начале марки обозначает технический алюминий. буквы АК обозначают ковкие алюминиевые сплавы, буква В присвоена высокопрочным алюминиевым сплавам. Буквы АЛ обозначают литейные алюминиевые сплавы. После этих бкув следует условный номер сплава. Часто за условным номером дают обозначения, характеризующие состояние сплава: М – мягкий (отожженный), Т – термически обработанный (закалка и старение), Н – нагартованный.
Алюминиевые сплавы классифицируют по составу и основным потребительским свойствам, способу производства и возможности упрочнения термической обработкой.
Алюминиевые сплавы по составу и потребительским свойствам делят на следующие группы:
- сплавы высокой прочности (σв = 400…500 МПа у большинства сплавов и до 600 МПа у сплавов В95), имеющие сложный химический состав, главными легирующими элементами являются медь и магний, а у сплава В95 – цинк;
- жаропрочные сплавы, которые используются при температурах эксплуатации до 300…3500С (ниже, чем у жаропрочных сталей и титановых сплавов). Эти сплавы при меньшем содержании меди дополнительно легируются никелем;
- сплавы повышенной пластичности, содержание меди в которых ограничивается 0,5%, вследствие этого прочность сплавов ниже 250 МПа, а пластичность выше, чем у дуралюминов;
- сплавы повышенной пластичности, свариваемости и стойкости против коррозии, которые не содержат меди и дополнительно легируются магнием (реже марганцем);
- антифрикционные сплавы, представляющие собой сплавы алюминия с оловом, никелем, медью и другими элементами.
По способу производства алюминиевые сплавы делят на литейные и деформируемые (прокаткой, прессованием, штамповкой). В каждой из этих групп существуют подгруппы сплавов, упрочняемых и не упрочняемых термической обработкой.
В большинстве своем литейные сплавы являются доэвтектическими. Лучшими литейными свойствами обладают эвтектические или близкие к ним по составу сплавы. Они обладают высокой прочностью и пластичностью. (рис.1).
Рис. 1. Диаграмма состояния алюминий-легирующий элемент
Литейные сплавы должны обладать высокой жидкотекучестью, малой склонностью к образованию горячих трещин и пористости.
Литейные не упрочняемые термической обработкой алюминиевые сплавы классифицируют как сплавы низкой прочности (АЛ2) и антифрикционные (АСМ, А020-1, А09-2), а упрочняемые термической обработкой – как сплавы нормальной прочности, высокопрочные (АЛ27, АЛ32) и жаропрочные (АЛ19) сплавы.
Силумин – сплав алюминия и кремния, обладает хорошими литейными свойствами, мягкий, применяется для изготовления неответственных деталей методом литья и давления. Кроме алюминия (основа) и кремния (10–13%) в этот сплав входят: железо – 0,2–0,7%, марганец – 0,05–0,5%, кальций – 0,07– 0,2%, титан – 0,05–0,2%, медь – 0,03% и цинк – 0,08%. Могут использоваться также сплавы алюминия с цинком, магнием и т.д.
Силумины – легкие литейные сплавы Al(основа) с Si (4…13%, иногда до 23%) и некоторыми другими элементами (Cu, Mn, Mg, Zn, Ti, Be).
Структура сплавов при содержании до 11,3% Si (доэвтектические сплавы) состоит из первичных кристаллов α-твердого раствора (кремния в алюминии) и эвтектики (α + Si). При более высокой концентрации кремния (заэвтектические сплавы) в структуре сплавов кроме эвтектики присутствуют первичные кристаллы кремния в виде пластинок, причем пластинчатая форма кремния в эвтектике обусловливает низкие механические свойства силумина. В специальных модификационных силуминах могут образовываться частицы CuAl2 и Mg2Si. При термической обработке в результате закалки эти фазы растворяются, а после старения, выделяясь в дисперсной форме, упрочняют сплав.
Для деформируемых сплавов характерна структура твердого раствора с небольшой долей эвтектики.
В деформируемых алюминиевых сплавах, не упрочняемых термической обработкой, содержание легирующих элементов меньше предела насыщения твердого раствора при комнатной температуре.
В термически упрочняемых алюминиевых сплавах содержание легирующих элементов превышает их равновесную концентрацию.
Деформируемые сплавы содержат меньше, чем литейные, легирующих элементов, находящихся в твердом растворе.
Такие сплавы хорошо подвергаются прессованию, прокатке, гибке, вальцовке и используются для изготовления полуфабрикатов (профили, листы, проволока и др.) из слитков.
Сплавы типа АМг называют магналиями. Они обладают высокой стойкостью против коррозии и хорошей свариваемостью.
Деформируемые не упрочняемые термической обработкой алюминиевые сплавы определяют как сплавы повышенной пластичности (АМц, АМг).
Деформируемые сплавы, упрочняемые термической обработкой, классифицируют на сплавы нормальной прочности (Д1…Д19), высокопрочные (В95, ВАД23), повышенной пластичности при комнатной (Д18) и повышенной (АК40) температурах и коррозионно-стойкие (АД31, АД33).
К наиболее распространенным промышленным алюминиевым сплавам относятся силумин, дуралюмины, авиаль и антифрикционные сплавы.
Дуралюмины – большая группа сплавов на основе алюминия с Cu (2,2…5,2%), Mg (0,2…2,7%), Mn (0,2…1%). Эти сплавы относятся к деформируемым (ковкой, прокаткой, прессованием или волочением) и упрочняемым термической обработкой сплавам. Термическая обработка обычно состоит из отжига, закалки и естественного или искусственного старения. Длительность старения определяется величиной требуемых механических свойств.
В структуре дуралюминов после отжига присутствуют фразы: α-твердый раствор (основа) и химические соединения Mg2Si, W(AlxCuyMgzSiu) и др., в том числе содержащие железо. Структурой сплавов после закалки является практически однофазный пересыщенный α-твердый раствор

. При искусственнои или естественном старении в решетке α-твердого раствора возникают группировки, образованные атомами легирующих элементов (меди, магния, кремния). Такие группировки называют зонами Гинье-Престона.
По своим механическим свойствам он приближается к среднеуглеродистым сталям.
Достоинством дуралюминов является высокая удельная прочность, благодаря чему они относятся к наиболее широко применяемым материалам в самолетостроении.
Применяется, главным образом, в виде различного проката – листы, уголок, трубы и т.д. Как конструкционный материал он используется для транспортного и авиационного машиностроения.
Дуралюмины имеют пониженную коррозионную стойкость. Для повышения коррозионной стойкости листы дуралюмина плакируют, т.е.покрывают слоем чистого алюминия и производят совместную прокатку листов. Алюминий, толщина слоя которого составляет 2-5%, сваривается с основным металлом и защищает его от коррозии.
Высокопрочные деформируемые алюминиевые сплавы на Al-Zn-Mg-Cu основе (типа В-96) имеют еще более высокую прочность, равную 600 -700 МПа, но меньшую пластичность δ = 10% и используются в самолетостроении для тяжелонагруженных деталей.
Авиаль – сплав Al(основа) с добавками Mg, Si, Mn (или Cr), Cu (в сумме около 3%). Эти алюминиевые сплавы относятся к наименее легированным. Фазой-упрочнителем является силицид Mg2Si. Авиали подвергают закалке с 510…5300С и старению при 160…1700С в течение 10…12 ч.
Авиали относятся к числу сплавов со средней прочностью, но высокими технологичностью и стойкостью против атмосферной коррозии.
Антифрикционные алюминиевые сплавы (ГОСТ 14113-78) представляют собой сплавы алюминия с оловом (АО3-7, АО9-2, АО9-1, АО20-1, АО6-1), никелем (АН – 2,5), медью и другими элементами (АСМ, АМСТ). Данная группа сплавов применяется для отливки моно- и биметаллических вкладышей и втулок, для получения биметаллической ленты со сталью и дуралюмином методом прокатки с последующей штамповкой вкладышей с толщиной антифрикционного слоя менее 0,5 мм. Такие подшипники применяются при нагрузке на них 200…350 (до 400) кг/мм2, скорости вращения вала 10…15 (до 20) м/с и температуре масла 100…2000С.
Разработан авиационный материал – пеноалюминий, получаемый в виде лент и листов толщиной до 100 мм. Ео изготавливают присадкой в жидкий алюминий или его сплавы порошкообразных газообразующих веществ, например гидридов титана и циркония. Во избежание спадания пены полученный пеноалюминий охлаждают опрыскиванием водой. Данный материал можно обрабатывать резанием, клепать, прибивать гвоздями, паять.
Сплав алюминия с цинком и магнием считается наиболее прочным из всех алюминиевых сплавов, известных на сегодняшний день. Его прочность сравнима с титаном. Во время термообработки большая часть цинка растворяется, что и делает данный сплав таким прочным. Правда, использовать в электрической промышленности изделия из таких сплавов невозможно, они не стойки к коррозии под напряжением. Чуть повысить коррозионную стойкость можно, если добавить в состав меди, но показатель все равно останется не удовлетворительным.
Сплав алюминия с кремнием - самый распространенный сплав в литейной промышленности. Поскольку кремний прекрасно растворяется в алюминии при нагреве, то образуемый расплавленный состав замечательным образом подходит для формовочного и фасонного литья. Готовые изделия относительно легко режутся и имеют высокую плотность.

Сплав алюминия с железом, как и сплавы алюминия с никелем практически не встречается "в живую". Железо добавляют исключительно как вспомогательный элемент для того, чтобы литейный сплав легко отлипал от стенок формы. Никель с свою очередь наиболее известен в производстве магнитов и присутствует в качестве одного из элементов в сплаве алюминий-никель-железо.Сплав титана и алюминия, также не встречается в чистом виде и используется только для увеличения прочности изделий. С той же целью проводится сварка стали и сплавов алюминия.
Магниевые сплавы
Основное преимущество магниевых сплавов по сравнению с остальными промышленными металлами – небольшая плотность (1700…1800 кг/м3). Все магниевые сплавы имеют сравнительно высокую прочность (σв = 200…400 МПа, δ = 6…20%), хорошо поглощают вибрацию. Вместе с тем, они имеют пониженный (4,3 . 104 МПа) модуль упругости, поэтому могут применяться только для мало нагруженных деталей. Недостатком магниевых сплавов является трудность обработки давлением и литья.
Маркировка магниевых сплавов состоит из буквы, обозначающей соответственно сплав (М), и буквы, указывающей способ технологии переработки (А – для деформируемых, Л – для литейных), а также цифры, обозначающей порядковый номер сплава.
Деформируемые сплавы поставляют в виде горячекатаных прутков, полос, профилей, а также поковок и штамповок.
Деформируемые сплавы после литья имеют структуру α-твердого раствора и избыточной фазы типа Mg3Al2/
Магниевые сплавы, имеющие гексагональную решетку, при низких температурах малопластичны, так как сдвиг происходит только по плоскостям базиса. При нагреве появляются дополнительные плоскости скольжения и пластичность возрастает. По влиянию на пластичность магния легирующие элементы можно разбить на две группы: а) элементы, уменьшающие пластичность (Mn, Si); б) элементы, повышающие пластичность при их введении до определенной концентрации (Li, Zn, Al, Sc, Ce)
Обработку давлением ведут при повышенных температурах – прессование при 300 - 4800С; а прокатку в интервале температур от 340 – 440 (начало) до 225 - 2500С (конец). Штамповку проводят в интервале 480 – 2800С.
Сплавы магния имеют очень большую теплоемкость, примерно раза в два с половиной больше, чем у стали. Это очень ценное свойство, особенно для космических полетов, когда корабль сильно разогревается от трения о воздух при взлете и приземлении.
Поэтому из магниевых сплавов можно изготавливать детали самолетов, которые работают при очень высокой температуре.
Магниевые сплавы классифицируют по способу производства, уровню прочности, плотности, возможным температурам эксплуатации и чувствительности к упрочняющей термической обработке.
По способу производства магниевые сплавы делят на литейные (МЛ5, МЛ5пч, МЛ10, МЛ12) и деформируемые (МА1, МА2-1, МА14). Достоинствами магниевых литейных сплавов являются малая плотность, высокая удельная прочность, хорошая обрабатываемость резанием.
Химический состав литейных магниевых сплавов близок к деформируемым, но по свойствам они значительно отличаются. Эти сплавы менее пластичны. Это связано с грубой литой структурой.
К этой группе относятся сплавы с добавлением магния, предназначенные для производства разнообразных деталей и элементов методом фасонного литья