Такие характеристики, как пределы прочности и текучести, твердость, относительное удлинение, в табл. 23.1 представлены как статистически средние значения, полученные при испытании образцов в различном структурном состоянии, поэтому их нельзя считать характеристиками природных свойств материала (металла). Тем не менее отметим относительно высокую прочность Ni, Fe, Mo и W, низкую пластичность Mo и W.

К легким металлам относят металлы с малой плотностью (ρ < 3 103 кг/м3). Если не рассматривать щелочноземельные металлы, обладающие низким уровнем механических свойств (удельной прочности σв/ρ и жесткости Е/ρ), то группу легких металлов составляют элементы Al, Mg и Be. Титан имеет более высокую плотность (ρ = 4,5 103 кг/м3), но его часто отнесят к группе легких металлов.

Прочность некоторых сплавов легких металлов и для сравнения относительно высокопрочной аустенитной стали приведена в табл. 23.2. Видно, что по характеристикам удельной прочности и жесткости легкие материалы неравноценны − лучшие характеристики имеет бериллий.

Таблица 23.2

Прочность, удельная прочность

иудельная жесткость высокопрочной стали

илегких материалов

16

23.1. Конструкционные материалы на основе легких металлов

23.1.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий можно отнести к группе достаточно легких металлов, применение которых дает возможность снизить массу изделий, что является весьма важным для транспортной, авиационнокосмической и атомной техники.

Большие природные запасы алюминия (в земной коре около 8,8 % Al), хорошо разработанная технология его производства, относительно невысокая себестоимость способствуют широкому использованию алюминия во многих отраслях промышленности, в том числе и в различных областях новой техники.

Чистый алюминий имеет ГЦК решетку (а = 0,405 нм) без аллотропических модификаций, обладает высокими значениями теплопроводности, электропроводности и скрытой теплоты плавления. Температура плавления Al отоносительно низкая (660 °С), что ограничивает его применение для изготовления деталей и конструкций, работающих при повышенной температуре. Несмотря на большое сродство к кислороду, алюминий весьма слабо подвергается коррозии на воздухе, что связано с образованием плотной оксидной пленки Al2O3. Примеси ухудшают все эти свойства. Постоянными примесями в алюминии являются Fe, Si, Cu, Zn, Ti. Однако непрерывное совершенствование технологии производства (электролитическое рафинирование и пр.) позволяет получать Al высо-

кой чистоты (99,9998 %).

Будучи типичным трехвалентным металлом (электронное строение изолированного атома 1s22s22p63s23р1), Al в некоторых химических соединениях проявляет себя как металлоид. Это связано, по-видимому, с тем, что он занимает промежуточное положение между металлами и металлоидами: его соседи слева по периоду относятся к металлам, а соседи справа − к металлоидам.

Необычность свойств Al проявляется и в металлических сплавах: почти со всеми металлами он образует сплавы с весьма ограниченной растворимостью и большим числом интерметаллидных фаз. Алюминий не образует непрерывных рядов твердых растворов ни с одним из элементов Периодической системы Д.И. Менделеева.

17

Растворимостью более 10% в Al обладают Li, Mg, Zn, Ag, а более 1% − Si, Cu, Ga, Ge. Алюминий образует перитектики с 11 элементами, причем это в основном тугоплавкие металлы Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo и др., эвтектики с 34 элементами, в том числе с Si, Сu и Mg, монотектики − с 26 легкоплавкими элементами.

Со многими элементами, как видно из табл. 23.3, алюминий образует интерметаллиды несмотря на то, что у металлов, указанных в табл. 23.3, размеры атомов отличаются от размеров атомов Al менее чем на 15%, а Ni и Сu имеют, кроме того, и изоморфные с алюминием кристаллические решетки. Это в соответствии с правилом Юм−Розери1 могло бы благоприятствовать образованию твердых растворов.

Влияние легирования на структуру

имеханические свойства алюминия

Врезультате интенсивных исследований, проведенных учеными

впрошлом столетии, было детально изучено влияние легирования и термической обработки на структуру и свойства большого числа алюминиевых сплавов и предложены новые составы сплавов, нашедшие широкое применение в авиационной промышленности, машиностроении и других отраслях науки и техники.

Ввиду низкой прочности алюминий применяют для слабонагруженных деталей и элементов конструкций, когда от материала требуется легкость, свариваемость, пластичность. Для повышения механической прочности алюминия важное значение имеет леги-

рующий комплекс, содержащий Cu, Mg, Si, Mn, Zn, Ca, Be, Zr, В, Mo и ряд других элементов; реже используют Li, Ni, Ti. Важней-

шими в техническом отношении являются сплавы систем Al−Cu, Al−Mg, Al−Si, Al−Fe, Al−Ni, Al−Mn. Для указанных систем харак-

терно наличие ограниченных областей твердых растворов легирующих элементов в AL; во всех указанных системах, кроме сплавов Al−Si, из-за пониженного значения электроотрицательности2 алюминия образуются интерметаллидные фазы.

1Физическое материаловедение. Т. 1. − М.: МИФИ, 2007. Гл. 3. П. 3.3.2. Физическое материаловедение. Т. 5. − М.: МИФИ, 2008. Гл. 16. П. 16.2.3.

2Физическое материаловедение. Т. 1. − М.: МИФИ, 2007. Гл. 3. П. 3.1.5.

18

Алюминиевые сплавы классифицируют по технологии изготовления (деформируемые, литейные, спеченные), способности к термической обработке (упрочняемые и неупрочняемые) и свойст-

вам (рис. 23.1).

19

К числу вспомогательных следует отнести легирующие элементы, удовлетворяющие критериям 0,01 < α < 1; ω ≥ 0,05. Этим критериям удовлетворяют 27 элементов, однако часть из них дорогие или очень дорогие. К числу наиболее доступных следует отнести Мn и Са, упрочняющие алюминий; Be − повышающий сопротивление окислению; In и Cd − повышающие надежность изделий из алюминиевых сплавов; Sc − стабилизирующий механические свойства алюминиевых сплавов.

К числу модификаторов1 алюминия относят инокуляторы Ti, Zr, Cr, Мо и лимитаторы В, Sb, Bi, Ba, Na, причем наиболее распространенными модификаторами являются карбидообразователи Ti и Zr.

К числу вредных примесей (α > 0,001; ω < 0,05) относят Cо, As,

Sn, О2, Н2, N2.

Таким образом, с точки зрения механической прочности, важное значение имеет легирующий комплекс алюминия, содержащий та-

кие элементы, как Mg, Zn, Сu, Si, Ca, Be, Mn, Ti, Zr, В, Мо и ряд других. Важнейшими в техническом отношении являются сплавы систем Al−Cu, Al−Mg, Al−Si, Al−Fe, Al−Ni, Al−Mn.

Для указанных систем характерно наличие ограниченных областей твердых растворов легирующих элементов в Аl; во всех указанных системах, кроме сплавов Al−Si, образуются интерметаллидные фазы (табл. 23.5).

Таблица 23.5

Характеристика некоторых бинарных сплавов на основе алюминия

1 Физическое материаловедение. Т. 2. − М.: МИФИ, 2007. Гл. 6. П. 6.3.6.

21

Упрочнение алюминиевых сплавов осуществляется главным образом в результате создания при соответствующем составе гетерогенной структуры − металлической матрицы, состоящей из твердого раствора, и выделений интерметаллидных фаз. Сплавы с ограниченной концентрацией легирующих элементов, структура которых состоит в основном из твердого раствора и небольшого количества интерметаллидов, относят к деформируемым сплавам. При нагреве таких сплавов выше температуры фазовых превращений упрочняющие частицы полностью или почти полностью растворяются, и поэтому деформируемые сплавы обладают пониженным сопротивлением деформации, достаточной пластичностью и легко поддаются обработке давлением. При более высоком содержании легирующих элементов, когда в структуре появляется эвтектика, сплавы относят к категории литейных (см. рис. 23.1). Наилучшие литейные свойства имеют сплавы эвтектического состава или близкого к ним.

Система Al−Cu. Наиболее распространенными деформируемыми сплавами являются сплавы типа дюралюминов. Основой для изготовления этих сплавов служит система Al−Cu (рис. 23.2). Содержание Сu в них обычно составляет от 3 до 5 %. Структура сплавов со стороны алюминия состоит из α-твердого раствора Cu в Al и θ-

фазы CuAl2. С увеличением содержания Cu микроструктура основного металла измельчается, а количество фазы CuAl2 возрастает, особенно − в сплавах с > 5,5 % Cu.

рабочая температура их достигает до 250 °С. Однако рабочая температура дюралюминов в большинстве случаев не превышает 180−200 °С, так как с увеличением температуры снижается дли-

22

тельная прочность (при 200 °С σ100 ≈ 100 МПа; при 300 °С σ100 ≈ 30 МПа).

Система Al−Cu−Mg. Дальнейшее повышение прочности сплавов типа дюралюминов достигается применением тройной системы Al−Cu−Mg путем совместного легирования алюминия медью

(3−5 %) и магнием (0,5−2 %).

В зависимости от соотношения концентраций Cu и Mg наряду с твердым раствором на основе Al в указанных системах образуются интерметаллидные соединения: двойные CuAl2 и тройные CuAl2Mg (S-фаза), CuAl6Mg4 (T-фаза). Все они имеют переменную растворимость в Al, что позволяет осуществлять термическую обработку. Наибольший эффект упрочнения при нормальной температуре достигается при максимальном количестве S-фазы, обладающей сложным составом и повышенной микротвердостью (табл. 23.6). Присутствие в структуре S-фазы должно оказывать благотворное влияние и на жаропрочные свойства.

В сплавах типа дюралюминов железо считается вредной примесью − оно связывает часть Сu в соединение Cu2FeAl (N-фаза), почти нерастворимое в Al и, таким образом, способствует уменьшению количества упрочняющих фаз CuAl2 и CuAl2Mg.

Широкое распространение сплавов типа дюралюминов обусловлено их высокими прочностными свойствами при нормальной тем-

23