
книги / Алюминий и его соединения структурные характеристики, теплофизические, и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трени
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
А.Л. Каменева, Н.В. Каменева, Д.П. Подузов
АЛЮМИНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ: структурные характеристики, теплофизические
ифизико-механические свойства
взависимости от термического состояния, особенности испарения
исварки трением с перемешиванием
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2020
1
УДК 669.24:669.295 К18
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор Н.М. Антонова (Каменский институт (филиал)
ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова); канд. техн. наук, доцент Н.И. Сушенцов (Поволжский государственный технологический университет «Волгатех», г. Йошкар-Ола)
Каменева, А.Л.
К18 Алюминий и его соединения: структурные характеристики, теплофизические и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трением с перемешиванием : учеб. пособие / А.Л. Каменева, Н.В. Каменева, Д.П. Подузов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 140 с.
ISBN 978-5-398-02466-1
Представлено современное решение проблемы получения соединений на основе алюминия с высокими физико-механи- ческими свойствами за счет управления их теплофизическими свойствами при увеличении температуры. Изложены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О. Рассмотрены физико-механические и теплофизические свойства алюминия и титана технической чистоты в зависимости от температуры, а также методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, методы подготовки тестовых образцов к исследованию структуры, состава и испытанию свойств.
Предназначено для бакалавров, магистров, аспирантов и ученых машиностроительных, металлургических и сварочных направлений подготовки.
УДК 669.24:669.295
ISBN 978-5-398-02466-1 |
© ПНИПУ, 2020 |
2
ОГЛАВЛЕНИЕ |
|
Введение............................................................................................. |
6 |
Условные обозначения.................................................................... |
8 |
1. Теплофизические и физико-механические |
|
свойства алюминия........................................................................ |
10 |
1.1. Структура алюминия.............................................................. |
10 |
1.2. Маркировка алюминия и алюминиевых сплавов................. |
12 |
1.3. Теплофизические свойства алюминия.................................. |
13 |
1.4. Физико-механические свойства алюминия.......................... |
20 |
2. Зависимость процесса испарения алюминия |
|
от температурных изменений его теплофизических |
|
и физико-механических свойств.................................................. |
27 |
2.1. Особенности испарения алюминия |
|
при электродуговом методе осаждения покрытий.............. |
27 |
2.2.Эволюция структуры и дефектность катодного пятна легкоплавкого алюминия в зависимости
от его температуры................................................................. |
30 |
2.3. Эволюция структуры и дефектности |
|
катодного пятна тугоплавкого титана |
|
в зависимости от его температуры........................................ |
34 |
2.4.Корреляционная зависимость структуры
идефектности покрытий Ti1-xAlxN от изменения агрегатного состояния, теплофизических
ифизико-механических свойств алюминиевого
и титанового катодного пятна ............................................... |
38 |
3. Зависимость термодинамических |
|
и физико-механических свойств покрытий Ti1-xAlxN |
|
от содержания в них алюминия................................................... |
43 |
3.1. Структура и строение соединений, легированных |
|
алюминием .............................................................................. |
43 |
3
3.2. Зависимость фазового и элементного |
|
состава нитридного соединения алюминия |
|
Ti1-xAlxN с титаном от температуры его осаждения............ |
46 |
3.3. Зависимость структуры нитридного |
|
соединения алюминия с титаном |
|
от температуры его осаждения.............................................. |
49 |
3.4. Изменение термической стабильности |
|
нитридного соединения алюминия с титаном |
|
в зависимости от содержания в нем алюминия................... |
55 |
3.5.Изменение физико-механических и трибологических свойств нитридного соединения алюминия с титаном
в зависимости от содержания в нем алюминия................... |
58 |
4. Зависимость процесса сварки трения |
|
с перемешиванием алюминия и алюминиевых |
|
сплавов от эволюции их теплофизических |
|
и физико-механических свойств.................................................. |
70 |
4.1. Особенности сварки трения с перемешиванием |
|
алюминия и алюминиевых сплавов...................................... |
70 |
4.2. Изучение влияния удельного давления |
|
на микроструктуру, химический состав |
|
и распределение твердости в сварном шве .......................... |
77 |
5. Зависимость структуры состава и твердости |
|
сварного шва от удельного давления на инструмент.............. |
80 |
5.1. Изменения твердости и микроструктурных |
|
характеристик шва в зависимости от величины |
|
удельного давления на инструмент....................................... |
80 |
5.2. Элементный состав шва в зависимости от величины |
|
удельного давления на инструмент....................................... |
84 |
6. Методы исследования структуры |
|
и свойств материалов и покрытий............................................ |
100 |
6.1. Методика изготовления микрошлифов............................... |
100 |
6.2. Методики травления алюминия |
|
и алюминиевого сплава........................................................ |
102 |
4
6.3. Комплекс оборудования для нанесения покрытия............ |
106 |
6.4. Подготовка поверхности перед осаждением |
|
покрытий................................................................................ |
106 |
6.4.1. Механическая очистка гранулятом........................... |
106 |
6.4.2. Макрохимическая очистка микрошлифов |
|
и тестовых образцов химическими |
|
растворителями........................................................... |
108 |
6.4.3. Ультразвуковая очистка микрошлифов |
|
и тестовых образцов ................................................... |
109 |
6.4.4. Ионная очистка тестовых образцов |
|
в вакуумной кaмeрe..................................................... |
111 |
6.4.5. Методика изучения термической |
|
стабильности трехкомпонентных пленок................. |
113 |
6.4.6. Наноиндентирование.................................................. |
116 |
6.4.7. Методика определения физико-механических |
|
свойств покрытия........................................................ |
121 |
Контрольные вопросы................................................................. |
123 |
Список литературы...................................................................... |
126 |
5
ВВЕДЕНИЕ
Алюминий и его сплавы широко используются во многих отраслях техники: транспорте (авиационная промышленность, кораблестроение, вагоностроение), строительстве (металлоконструкции общего назначения) и упаковочной промышленности. Это можно объяснить его свойствами, такими как легкость, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость.
Процессы испарения, плавления, сварки и получения соединений на основе алюминия и его сплавов связаны с проблемами его низкой температуры плавления, значительного ухудшения физикомеханических свойств при увеличении температуры, а также растрескиванияикоробленияприповышениитемпературыболее573 К.
В учебном пособии представлено современное решение проблемы получения соединений на основе алюминия с высокими физико-механическими свойствами за счет управления их теплофизическими свойствами при увеличении температуры.
Изложены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трениясперемешиваниемалюминиевого сплаваАА2024-О.
Приведены таблицы с физико-механическими и теплофизическими свойствами алюминия и титана технической чистоты в зависимости от температуры. Представлены методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, методы подготовки тестовых образцовкисследованиюструктуры, составаииспытаниюсвойств.
Изучена зависимость физико-механических и теплофизических свойств соединений на основе алюминия и его соединений от температуры. Выявлены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О. Установлены особенности изменения физико-механических и теплофизических свойств, а также термодинамической стабильности алюминияиего соединенийвзависимостиоттемпературы.
6
Приведены методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, изготовлениятестовыхобразцовдляисследованияииспытаний.
Установлена корреляционная связь между процессами испарения, плавления, сварки и получения покрытий Ti1-xAlxN, сварных соединений на основе алюминиевых сплавов и физикомеханическими и теплофизическими свойствами материалов, участвующих в этих процессах.
Цели изадачи курса:
1.Понять поведение физико-механических и теплофизических свойств соединений на основе алюминия и его соединений в зависимостиоттемпературы.
2.Изучить особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения
многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трениясперемешиваниемалюминиевого сплаваАА2024-О.
3.Понять особенности физико-механических и теплофизических свойств алюминия и его соединений в зависимости от температуры.
4.Уметь выбирать и применять методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, подготавливать тестовые образцы для исследования и испытаний; устанавливать корреляционную связь между процессами испарения, плавления, сварки и получе-
ния покрытий Ti1-xAlxN, сварных соединений на основе алюминиевых сплавов и физико-механическими и теплофизическими свойствами материалов, участвующих в этих процессах.
Настоящее пособие основано на результатах исследования, выполненного в рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение фундаментальных научных исследований (тема «Разработка теоретических и технологических основ и цифровых технологий проектирования функциональных композиционных материалов, многофункциональных нанопокрытий и диагностирующих информационных систем мониторинга высоконагруженных элементов авиационных конструк-
ций», № FSNM-2020-0026).
7
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Tпл – температура плавления ρ – плотность
C – теплоемкость
σв – предел прочности при растяжении σт – предел текучести σп – предел ползучести
σ0,2 – условный предел текучести, характеризующий переход от упругой деформации к пластической
E – модуль Юнга
G – модуль сдвига χ – теплопроводность
α – коэффициент теплового расширения Kи – коэффициент испарения
Vи – скорость испарения
ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия α, КТР – коэффициент линейного термического расширения ƟD – температура Дебая
ЭДИ – электродуговое испарение КР – кристаллическая решетка ТехП – технологические параметры ТемП – температурные параметры МР – магнетронное распыление Vнагр.подл – скорость нагрева подложки
Тнач.п – начальная температура покрытия Vнагр.п – скорость нагрева покрытия
Еп – полная энергия Ti1–xAlxN покрытия Тпокр – температура покрытия
МР+ЭДИ – магнетронное распыление и электродуговое испарение
НС – набегающая сторона СС – сбегающая сторона
8
СТП – сварка трением с перемешиванием ФМС – физико-механические свойства ОКР – область когерентного рассеяния АС – алюминиевые сплавы ЗТВ – зона термического влияния
ЗТМВ – зона термомеханического влияния НН – нормальное направление ПН – поперечное направление
ГЦК – гранецентрированная кубическая структура Тисп – температура испарения Тлит – температура литья
ТГА или ТГ – термогравиметрический анализ
9
1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
1.1. Структура алюминия
Алюминий с чистотой ˃ 99,99 %, произведенный Hoopes [1] электролитическим методом, был впервые получен в начале 1920 г. В 1925 г. Эдвардс сообщил о некоторых физических и механических свойствах этого сорта алюминия. Тейлор, Уилли, Смит и Эдвардс опубликовали в 1938 г. статью, в которой были даны несколько свойств 99,996 % алюминия, произведенного во Франции по модифицированному процессу Хупса [1]. Температура плавления Al (Тпл = 933 К) относительно низкая, что ограничивает его применение при термомеханической обработке [2].
Выделяют четыре направления применения технического алюминия [3]:
1)глубокая штамповка, прокатка до малой толщины (Al фольга) благодаря высокой пластичности;
2)электротехническое применение Al (проводниковый металл) благодаря высокой электропроводности (65 % от Cu); провод из Al при равной электропроводности легче, чем из меди;
3)изготовление катодов и мишеней, входящих в функциональные узлы вакуумных установок для нанесения тонкопленочных покрытий;
4)транспортировка и хранение продуктов питания с высокой коррозионной стойкостью.
Технически чистый алюминий (чистота 99,0 %) при высоких пластичных свойствах имеет небольшую структурную ценность. При извлечении он обычно содержит до 1,5 % примесей, в основном железо и кремний, которые оказывают заметное влияние на свойства Al, так что с дополнительной твердостью, приобретаемой во время прокатки, Al технической чистоты имеет полезную степень прочности [4].
Металлыпринимаюткристаллическуюструктуруприпереходе из расплавленного состояния в твердое. Атомы выстраиваются в
10