Міністерство освіти і науки, молоді та спорту України Національна металургійна академія України Факультет матеріалознавства та обробки металів Кафедра матеріалознавства ім. Ю.М.Тарана-Жовніра

Звіт з науково-дослідної роботи студента на тему: «Вплив термічної обробки на механічні властивості доевтекгичного

силуміну»

Роботу виконала: ст. гр. СМ08-1 Руденко Ю.О. Науковий керівник: д.т.н., професор Кумова В.З.

м. Дніпропетровськ 2012 р.

Зміст

(у і): 20

з

ВСТУП

Останніми роками наука і промисловість величезними кроками йдуть вперед. З'являються нові механізми і прилади, з'являється принципово нова техніка.

Широке вживання алюмінію у промисловості, перш за все, пов'язано з його великими природними запасами, а також сукупністю хімічних, фізичних и механічних характеристик. Серед металів алюміній по поширеності у природі займає перше місце( -8 % ), по практичному використанню - друге (після заліза).

Алюміній відрізняється від інших металів малою щільністю, високими пластичними і корозійностійкими властивостями, високими тепло- та електропровідними властивостями, а також відбивною властивістю. Алюміній та його сплави мають хороші ливарні властивості, високу технологічну пластичність, хорошу зварюваність та непогану спаюваність.

Алюмінієві сплави застосовуються в авіабудуванні, суднобудування, залізничному транспорті, автомобільному транспорті, в будівництві конструкцій, нафтовій і хімічній промисловості. Алюміній характеризується високими технологічними властивостями. З нього можуть бути виготовлені будь-які напівфабрикати різних габаритів. Алюміній практично не взаємодіє з азотною кислотою, органічними кислотами і харчовими продуктами. Основна перевага при впровадженні алюмінію і його сплавів в порівнянні із сталлю - зниження маси, яка може досягати 50 - 60 %.

Завдяки таким властивостям алюміній знаходить вживання майже у всіх галузях промисловості. Зменшення затрат на виробництво при збереженні властивостей є завжди актуальними дослідженнями. А також теоретичний інтерес процесів, що проходять при формуванні структури при литті з різних температур.

1 АЛЮМІНІЄВІ СПЛАВИ

1. Властивості алюмінію.

Алюміній відноситься до третьої групи періодичної системи Д. [.Менделєєва.

Алюміній - легкий метал (щільність - 2.7 г/см ), сріблястого кольору, добре полірується.

Алюміній кристалізується у гранецентрованій кубічній гратці з періодом 0.40412 мм при 20°С. Його питома теплоємність (961.7 Дж/(кг*К) при 20°С і прихована теплота плавлення (389.37 кДж/кг) дуже значні, тому для нагріву та плавлення алюмінію потрібні витрати великої кількості тепла.

Фізичні властивості кольорових металів

Алюміній має високу тепло- та електропровідність. Домішки та легуючі елементи зменшують електропровідність алюмінію.

Властивості	Метал
	Ве	М8	А1	Ті	N1	Си
1	2	3	4	5	6	7
Атомний номер	4	12	13	22	28	3,29
Атомна маса	9.013	24.32	26.981	47.88	58.7	63.54
Щільність при 20°С, г/см-5	1.8477 «	1.737	2.698	4.507	8.897	8.94
Температура плавлення, С	1287	650	660,24	1668	1455	1083
Температура кипіння, °С	2450	1107	2520	3169	2822	2360

Таблиця 1

Продовження таблиці 1

Фізичні властивості кольорових металів

Атомний діаметр, нм	0,226	0,32	0,286	0,29	0,248	0,256
Прихована теплота плавлення, кДж/кг	1625	357	389,37	358,3	302	205
Прихована теплота випаровування, кДж/кг	34395	5498	10885	9790	6376	6340
Питома теплоємність при 20 °С, Дж/(кг*К)	1826	1047,6	961,7	521	450	385
Питома теплопровідність, 20()С, Вт/(м*К)	2930	167	221,5	21,9	88,5	387
Коефіцієнт лінійного розширення при 25ОС, 106, К-1	12	26	23,3	9,2	13,5	16,8
Питомий електроопір при 200С, мкОм*м	0,04	0,045	0,02767	0,58	0,0684	0,0172
Модуль нормальної пружності,ГПа	311,1	44,1	70,6	103	203	125
Модуль зсуву, ГПа	140	17,854	27	39,2	73	46,4

Л;, л?/0/і мп^!)

Рис. 1.1.1 Вплив домішок та легуючих елементів на електропровідність

алюмінію

Особливо сильно підвищують електроопір алюмінію Ми, V, Сг. А1 - парамагнітний матеріал.

Модуль Юнга алюмінію дорівнює 70000 МПа, що значно менше, ніж у сталей.

Алюміній - хімічно активний метал. Він легко покривається з поверхні окисною плівкою, яка захищає його від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем. На повітрі товщина цієї плівки становить 5-10 нм. При нагріві до температури плавлення товщина плівки на поверхні твердого металу зростає до 200 нм. Окис алюмінію має питомий об'єм, близький до питомого об’єму алюмінію, тому окисна плівка щільна. Вона має дуже добре зчеплення з металом та є малопроникливою для всіх газів.

Мінеральні кислоти діють на алюміній, причому з підвищенням температури дія підсилюється. Деякі розведені кислоти взаємодіють з алюмінієм сильніше, ніж концентровані. Наприклад, концентрована холодна азотна кислота не розчиняє алюміній, та розведена руйнує дуже швидко. Слабкі розчини сірчаної кислоти (до 10% І^О,*) мало діють на алюміній, але

з підвищенням температури і концентрації швидкість корозії зростає. Однак концентрована сірчана кислота слабо взаємодіє з алюмінієм.

Алюміній стійкий в багатьох органічних кислотах: уксусній, масляній, лимонній, винній, яблучній, глюконовій. Але в щавлевій та мурав’їній кислотах корозійна стійкість алюмінію низька.

Алюміній швидко розчиняється в їдких лугах. Завдяки захисній дії окисної плівки алюміній стійкий на повітрі навіть в умовах дуже вологого та змінного клімату. При звичайних температурах алюміній не взаємодіє з водою, парами води, СО, СО2, при достатньо високих температурах він реагує з ними.

Розчинність водню в алюмінії збільшується з підвищенням температури і складає 0.002 см'7100 г при 350°С. При плавленні алюмінію

З о

розчинність Н₂ в ньому різко зростає і складає 0,6 см‘/100 г при 1000 С. З азотом розплавлений алюміній починає взаємодіяти при температурах вище 700-800°С.Алюміній стійкий в середовищах, які не руйнують захисну окисну плівку. Алюміній має високу корозійну стійкість у морській воді.

2. Класифікація алюмінієвих сплавів

Для отримання алюмінієвих сплавів з різними властивостями алюміній легують іншими металами. Найбільш широко в якості легуючих елементів використовують Си, ІУ^, Мп, Zn, 8і, та останнім часом Ьі. Крім основних 6-т відомо ще біля двох десятків легуючих додатків.

У промисловості використовують біля 55 марок алюмінієвих сплавів. В залежності від способу отримання напівфабрикатів та виробів алюмінієві сплави можна поділити на ті, що деформуються, та ливарні.

Із алюмінієвих сплавів, що деформуються, отримують напівфабрикати і вироби методами обробки металів тиском (прокаткою, пресуванням, ковкою, штамповкою).

Ливарні сплави призначені для фасонного лиття. Крім того, методами порошкової металургії виготовляють спечені алюмінієві порошки (САПи) та спечені алюмінієві сплави (САСи). Заготовки, отримані методами порошкової металургії, потім підлягають обробці тиском, тому порошкові алюмінієві сплави можна розглядати як різновид тих, що деформуються.

Сплави, що деформуються, та ливарні розділяють на ті, що термічно зміцнюються та на ті, що термічно не зміцнюються (рис. 1.2.1 ).

Рис. 1.2.1 - Класифікація А1 сплавів за діаграмою стану (подвійна система): 1 - сплави, що термічно не зміцнюються, 2- сплави, що термічно

Зміцнюються

Термічне зміцнення можна досягнути загартуванням із наступним природним та штучним старінням. Поділення на сплави, що старіють природно і штучно, дещо умовне. Деякі сплави використовують як після штучного, так і після природного старіння у залежності від конструктивних, технологічних та службових потреб. Усі сплави, що використовуються у промисловості, можна також розбити по системам, в яких основні легуючі компоненти будуть визначати типові для даної системи фізичні та хімічні властивості. Спільність властивостей сплавів однієї системи буде визначатись спільністю фазового складу.

Крім основних елементів до сплавів однієї системи можуть входити різні додатки інших елементів, які придають сплаву нові властивості, але не змінюють їх основної природи. Різноманітність властивостей алюмінієвих сплавів забезпечується введенням присадок М§, Сі Z\\ Б і, Мп, Сг, Ьі, Ссі, Се, утворюючих з А1 тверді розчини і інтерметаліди, наприклад СиАЬ,

СиМ§АЬ, АЬЬіМ§, СиІлАЬ, які грають роль зміцнюючої фази. До 1940 найбільше вживання мали сплави АІ-Си-М« (дуралюміни), А1-М§ (магналії), АІ-Бі (силуміни), АІ-І^-Бі (авіалі).11 ]

3. Ливарні сплави.

Можливість застосування того чи іншого сплаву в промисловості для масового або великосерійного виробництва визначається, по-перше, його експлуатаційними властивостями (міцність, фізичні властивості, корозійна стійкість), по-друге, технологічними властивостями, тобто тими властивостями, які обумовлюють поведінку сплаву в процесі виготовлення з нього виробів. До технологічних властивостей відносяться ливарні властивості, здатність до обробки тиском, оброблюваність різанням, зварюваність і ін. Нерідкі випадки, коли сплав з дуже хорошими експлуатаційними властивостями не знаходить застосування через погані технологічних властивостей.

Для ливарних сплавів значення технологічних властивостей особливо велике. Головні технологічні властивості для них - ливарні:

1) жидкотекучесть.

2. об'ємна та лінійна усадка,

3. схильність до утворення гарячих тріщин;

4. схильність до утворення усадочною і газової пористості;

5. схильність до ліквації. Ливарні властивості сплавів, які не обробляють тиском і використовують в конструкції в литому стані, визначають не тільки можливість отримання вироби (фасонної виливки), але і якість цього виробу.

Всі дефекти литої структури, залежні від ливарних властивостей (усадкова і газова пористість, лікваційна неоднорідність складу, мікротріщини), зберігаються у виробі.

В роботах А.А.Бочвара і І.І.Новікова встановлені чіткі зв'язки між ливарними властивостями сплавів і характером взаємодії компонентів у сплавах (типом діаграми стану). Не зупиняючись на цих закономірностях, нагадаємо лише, що більша частина ливарних властивостей залежить від ефективного температурного інтервалу кристалізації сплаву: чим більше інтервал кристалізації, тим менше жидкотекучесть сплаву, тим більше він схильний до утворення розсіяною усадочною пористості і гарячих тріщин. На рис. 1.3.1 показані типові схеми залежності ливарних властивостей від складу сплавів в системі евтектичного типу.

Рис. 1.3.1 Типові схеми залежності ливарних властивостей від складу сплавів евтектичного типу (1.1. Новіков).

В якості ливарних найбільш широко поширені сплави на основі систем А1-5І (подвійні і складніші), для яких характерні малі температурні інтервали кристалізації (нуль для евтектичного складу) і дуже хороші ливарні властивості. Для фасонного лиття застосовують також сплави на основі систем АІ-Си, А1-№^, А1-Си-ЇУ^, А1-2п-І^, АІ-Си-Г^-М Й інші складні сплави, не відрізняються в принципі від деформованих, але часто з більш високим вмістом легуючих компонентів (міді і магнію), тугоплавких добавок (титану і нікелю) і домішок (заліза). Однак ці сплави значно менше поширені, ніж АІ-Бі сплави (силуміну), у зв'язку з їх гіршими ливарними властивостями. В ливарних сплавах допустимий вміст неминучих домішок, і, зокрема, заліза залежить від способу лиття сплаву. Як показано вище, залізо утворює в алюмінієвих сплавах нерозчинні крихкі інтерметаллідні фази. Величина часток цих фаз і характер їх розподілу у виливці залежать від швидкості охолодження при кристалізації. Чим вище швидкість охолодження, тим дрібніше ці частинки, тим більш рівномірно вони розподілені за обсягом виливки і тим менше їх негативний вплив на властивості (пластичність), тому при лиття сплавів в металевий кокіль, а також при литті під тиском допускається більш високий вміст заліза, ніж при литті в земляну форму. [2]