Алюминий прочность при растяжении
СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ
Содержание:
— марки алюминия
— физические свойства
— коррозионные свойства
— механические свойства
— технологические свойства
— применение
Марки алюминия.
Алюминий характеризуется высокой электро- и теплопроводностью, коррозионной стойкостью, пластичностью, морозостойкостью. Важнейшим свойством алюминия является его малая плотность (примерно 2.70 г/куб.см). Температура плавления алюминия около 660 С.
Физико-химические, механические и технологические свойства алюминия очень сильно зависят от вида и количества примесей, ухудшая большинство свойств чистого металла. Основными естественными примесями в алюминии являются железо и кремний. Железо, например, присутствуя в виде самостоятельной фазы Fe-Al, снижает электропроводность и коррозионную стойкость, ухудшает пластичность, но несколько повышает прочность алюминия.
В зависимости от степени очистки первичный алюминий разделяют на алюминий высокой и технической чистоты (ГОСТ 11069-2001). К техническому алюминию относятся также марки с маркировкой АД, АД1, АД0, АД00 (ГОСТ 4784-97). Технический алюминий всех марок получают электролизом криолит-глиноземных расплавов. Алюминий высокой чистоты получают дополнительной очисткой технического алюминия. Особенности свойств алюминия высокой и особой чистоты рассмотрены в книгах
1) Металловедение алюминия и его сплавов. Под ред. И.Н.Фридляндер. М. 1971.2) Механические и технологические свойства металлов. А.В.Бобылев. М. 1980.
Ниже в таблице приведена сокращенная информация о большей части марок алюминия. Также указано содержание его основных естественных примесей – кремния и железа.
| Марка | Al, % | Si, % | Fe, % | Применения |
| Алюминий высокой чистоты | ||||
| А995 | 99.995 | 0.0015 | 0.0015 | — Химическая аппаратура — Фольга для обкладок конденсаторов — Специальные цели |
| А98 | 99.98 | 0.006 | 0.006 | |
| А95 | 99.95 | 0.02 | 0.025 | |
| Алюминий технической чистоты | ||||
| А8 АД000 | 99.8 | 0.10 0.15 | 0.12 0.15 | — Катанка для производства кабельно-проводниковой продукции (из А7Е и А5Е). — Сырье для производства алюминиевых сплавов — Фольга — Прокат (прутки, ленты, листы, проволока, трубы) |
| А7 АД00 | 99.7 | 0.15 0.2 | 0.16 0.25 | |
| А6 | 99.6 | 0.18 | 0.25 | |
| А5Е | 99.5 | 0.10 | 0.20 | |
| А5 АД0 | 99.5 | 0.25 0.25 | 0.30 0.40 | |
| АД1 | 99.3 | 0.30 | 0.30 | |
| А0 АД | 99.0 | 0.95 В сумме до 1.0 % | ||
Главное практическое различие между техническим и высоокоочищенным алюминием связано с отличиями в коррозионной устойчивости к некоторым средам. Естественно, что чем выше степень очистки алюминия, тем он дороже.
В специальных целях используется алюминий высокой чистоты. Для производства алюминиевых сплавов, кабельно-проводниковой продукции и проката используется технический алюминий. Далее речь будет идти о техническом алюминии.
Электропроводность.
Важнейшее свойство алюминия – высокая электропроводность, по которой он уступает только серебру, меди и золоту. Сочетание высокой электропроводности с малой плотностью позволяет алюминию конкурировать с медью в сфере кабельно-проводниковой продукции.
На электропроводность алюминия кроме железа и кремния сильно влияет хром, марганец, титан. Поэтому в алюминии, предназначенном для изготовления проводников тока, регламентируется содержание ещё нескольких примесей. Так, в алюминии марки А5Е при допускаемом содержании железа 0.35%, а кремния 0.12%, сумма примесей Cr+V+Ti+Mn не должна превышать всего лишь 0.01%.
Электропроводность зависит от состояния материала. Длительный отжиг при 350 С улучшает проводимость, а нагартовка проводимость ухудшает.
Величина удельного электрического сопротивления при температуре 20 С составляет Ом*мм2/м или мкОм*м :
0.0277 – отожженная проволока из алюминия марки А7Е
0.0280 – отожженная проволока из алюминия марки А5Е
0.0290 – после прессования, без термообработки из алюминия марки АД0
Таким образом удельное электросопротивление проводников из алюминия примерно в 1.5 раза выше электросопротивления медных проводников. Соответственно электропроводность (величина обратная удельному сопротивлению) алюминия составляет 60-65% от электропроводности меди. Электропроводность алюминия растет с уменьшением количества примесей.
Температурный коэффициент электросопротивления алюминия (0.004) приблизительно такой же, как у меди.
Теплопроводность
Теплопроводность алюминия при 20 С составляет примерно 0.50 кал/см*с*С и возрастает с увеличением чистоты металла. По теплопроводности алюминий уступает только серебру и меди (примерно 0.90), втрое превышая теплопроводность малоуглеродистой стали. Это свойство определяет применение алюминия в радиаторах охлаждения и теплообменниках.
Другие физические свойства.
Алюминий имеет очень высокую удельную теплоемкость (примерно 0.22 кал/г*С). Это значительно больше, чем для большинства металлов (у меди – 0.09). Удельная теплота плавления также очень высока (примерно 93 кал/г). Для сравнения – у меди и железа эта величина составляет примерно 41-49 кал/г.
Отражательная способность алюминия сильно зависит от его чистоты. Для алюминиевой фольги чистотой 99.2% коэфициент отражения белого света равен 75%, а для фольги с содержанием алюминия 99.5% отражаемость составляет уже 84%.
Коррозионные свойства алюминия.
Сам по себе алюминий является очень химически активным металлом. С этим связано его применение в алюмотермии и в производстве ВВ. Однако на воздухе алюминий покрывается тонкой (около микрона), пленкой окиси алюминия. Обладая высокой прочностью и химической инертностью, она защищает алюминий от дальнейшего окисления и определяет его высокие антикоррозионные свойства во многих средах.
В алюминии высокой чистоты окисная пленка сплошная и беспористая, имеет очень прочное сцепление с алюминием. Поэтому алюминий высокой и особой чистоты очень стоек к действию неорганических кислот, щелочей, морской воды и воздуха. Сцепление окисной пленки с алюминием в местах нахождения примесей значительно ухудшается и эти места становятся уязвимы для коррозии. Поэтому алюминий технической чистоты имеет меньшую стойкость. Например по отношению к слабой соляной кислоте стойкость рафинированного и технического алюминия различается в 10 раз.
На алюминии (и его сплавах) обычно наблюдается точечная коррозия. Поэтому устойчивость алюминия и его сплавов во многих средах определяется не по изменению веса образцов и не по скорости проникновения коррозии, а по изменению механических свойств.
Основное влияние на коррозионные свойства технического алюминия оказывает содержание железа. Так, скорость коррозии в 5% растворе HCl для разных марок составляет (в ):
| Марка | СодержаниеAl | Содержание Fe | Скорость коррозии |
| А7 | 99.7% | < 0.16% | 0.25 – 1.1 |
| А6 | 99.6% | < 0.25% | 1.2 – 1.6 |
| А0 | 99.0% | < 0.8% | 27 — 31 |
Наличие железа уменьшает стойкость алюминия также к щелочам, но не сказывается на стойкости к серной и азотной кислоте. В целом коррозионная стойкость технического алюминия в зависимости от чистоты ухудшается в таком порядке: А8 и АД000, А7 и АД00, А6, А5 и АД0, АД1, А0 и АД.
При температуре свыше 100С алюминий взаимодействует с хлором. С водородом алюминий не взаимодействует, но хорошо его растворяет, поэтому он является основной составляющей газов, присутствующих в алюминии. Вредное влияние на алюминий оказывает водяной пар, диссоциирующий при 500 С, при более низких температурах действие пара незначительно.
Алюминий устойчив в следующих средах:
— промышленная атмосфера
— естественная пресная вода до температур 180 С. Скорость коррозии возрастает при аэрации,
примесях едкого натра, соляной кислоты и соды.
— морская вода
— концентрированная азотная кислота
— кислые соли натрия, магния, аммония, гипосульфит.
— слабые (до 10%) растворы серной кислоты,
— 100% серная кислота
— слабые растворы фосфорной (до 1%), хромовой (до 10%)
— борная кислота в любых концентрациях
— уксусная, лимонная, винная. яблочная кислота, кислые фруктовые соки, вино
— раствор аммиака
Алюминий неустойчив в таких средах:
— разбавленная азотная кислота
— соляная кислота
— разбавленная серная кислота
— плавиковая и бромистоводородная кислота
— щавелевая, муравьиная кислота
— растворы едких щелочей
— вода, содержащая соли ртути, меди, ионов хлора, разрушающих окисную пленку.
Контактная коррозия
В контакте с большинством технических металлов и сплавов алюминий служит анодом и его коррозия будет увеличиваться.
Механические свойства
Модуль упругости E = 7000-7100 кгс/мм2 для технического алюминия при 20 С. При повышении чистоты алюминия его величина уменьшается (6700 для А99).
Модуль сдвига G = 2700 кгс/мм2.
Основные параметры механических свойств технического алюминия приведены ниже:
Параметр | Ед. изм. | Деформированный | Отожженный |
Предел текучести ?0.2 | кгс/мм2 | 8 — 12 | 4 — 8 |
Предел прочности при растяжении ?в | кгс/мм2 | 13 — 16 | 8 |
Относительное удлинение при разрыве ? | % | 5 – 10 | 30 – 40 |
Относительное сужение при разрыве | % | 50 — 60 | 70 — 90 |
Предел прочности при срезе | кгс/мм2 | 10 | 6 |
Твердость | НВ | 30 — 35 | 20 |
Приведенные показатели очень ориентировочны:
1) Для отожженного и литого алюминия эти значения зависят от марки технического алюминия. Чем больше примесей, тем больше прочность и твердость и ниже пластичность. Например твердость литого алюминия составляет: для А0 – 25НВ, для А5 – 20НВ, а для алюминия высокой чистоты А995 – 15НВ. Предел прочности при растяжении для этих случаев составляет: 8,5; 7.5 и 5 кгс/мм2, а относительное удлинение 20; 30 и 45% соответственно.
2) Для деформированного алюминия механические свойства зависят от степени деформации, вида проката и его размеров. Например предел прочности при растяжении составляет не менее 15-16 кгс/мм2 для проволоки и 8 – 11 кгс/мм2 для труб.
Однако, в любом случае, технический алюминий это мягкий и непрочный металл. Низкий предел текучести (даже для нагартованного проката он не превышает 12 кгс/мм2) ограничивает применение алюминия по допустимым нагрузкам.
Алюминий имеет низкий предел ползучести: при 20 С — 5 кгс/мм2, а при 200 С — 0.7 кгс/мм2. Для сравнения: у меди эти показатели равны 7 и 5 кгс/мм2 соответственно.
Низкая температура плавления и температура начала рекристаллизации (для технического алюминия примерно 150 С), низкий предел ползучести ограничивают температурный диапазон эксплуатации алюминия со стороны высоких температур.
Пластичность алюминия не ухудшается при низких температурах, вплоть до гелиевых. При понижении температуры от +20 С до — 269 С, предел прочности возрастает в 4 раза у технического алюминия и в 7 раз у высокочистого. Предел упругости при этом возрастает в 1.5 раза.
Морозостойкость алюминия позволяет использовать его в криогенных устройствах и конструкциях.
Технологические свойства.
Высокая пластичность алюминия позволяет производить фольгу (толщиной до 0.004 мм), изделия глубокой вытяжкой, использовать его для заклепок.
Алюминий технической чистоты при высоких температурах проявляет хрупкость.
Обрабатываемость резанием очень низкая.
Температура рекристаллизационного отжига 350-400 С, температура отпуска – 150 С.
Свариваемость.
Трудности сварки алюминия обусловлены 1) наличием прочной инертной окисной пленки, 2) высокой теплопроводности.
Тем не менее алюминий считается хорошо свариваемым металлом. Сварной шов имеет прочность основного металла (в отожженном состоянии) и такие же коррозионные свойства. Подробно о сварке алюминия см., например, www.weldingsite.com.ua.
Применение.
Из-за низкой прочности алюминий применяется только для ненагруженных элементов конструкций, когда важна высокая электро- или теплопроводность, коррозионная стойкость, пластичность или свариваемость. Соединение деталей осуществляется сваркой или заклепками. Технический алюминий применяется как для литья, так и для производства проката.
На складе предприятия постоянно имеются листы, проволока и шины из технического алюминия.
(см. соответствующие страницы. сайта). Под заказ поставляются чушки А5-А7.
Источник
Механические свойства алюминия зависят от степени чистоты, вида и режимов его обработки, температуры и других факторов. С возрастанием степени чистоты прочность и твердость алюминия уменьшается, а пластичность возрастает. Модуль упругости при 20°С для металла чистотой 99,25 % составляет 69,65 ГПа, а для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,98 % 65,71 ГПа. С повышением температуры прочность алюминия снижается, а пластичность возрастает.
| Механические свойства | Степень чистоты алюминия, % | |||||
| 98,0 | 99,0 | 99,5 | 99,996 | 99,0 | ||
| для литого в землю | для литого в кокиль и для отожженного | для деформированого | ||||
| σв, МПа | 88,3 | 83,3 | 73,5 | 49,0 | 88.3 | 137.3 |
| δ, % | 12,5 | 20,0 | 29,0 | 45,0 | 30 | 19 |
| HB | 274,6 | 245,2 | 284,4 | 137,3 | 245,2 | 313,8 |
| Механические свойства | Температура, °С | |||||||
| 20 | 100 | 200 | 300 | 400 | 500 | 600 | 625 | |
| σв, МПа | 74,4 | 65,3 | 55,0 | 37,3 | 28,4 | 21,3 | 12,2 | 8,3 |
| δ, % | 42,0 | 42,0 | 42,6 | 44,0 | 44,7 | 43,3 | 41,1 | 36,0 |
| φ, % | 94,2 | 94,8 | 95,1 | 96,5 | 98,1 | 99,0 | 99,4 | 99,7 |
При температуре вблизи точки плавления механические свойства загрязненного алюминия могут резко ухудшиться из-за ослабления границ зерен и межкристаллитного разрушения. Температура резкого разупрочнения у литого алюминия чистотой 99,988 % равна 654°С, а чистотой 99,998 % — 656°С.
Алюминий обладает высокой способностью к деформации; его пластичность возрастает с повышением чистоты. Алюминий чистотой 99,995 % можно подвергнуть очень большим вытяжкам, например с диаметра 80 до диаметра 0,1 мм.
При увеличении степени деформации прочность алюминия увеличивается, а удлинение уменьшается
| Механические свойства | Степень деформации, % | ||
| 0 | 33 | 83 | |
| σв, МПа | 53,9 | 89,2 | 119,6 |
| δ, % | 51,9 | 11,9 | 6,9 |
Легирование алюминия высокой степени чистоты повышает его прочность, но понижает его пластичность как при комнатной, так и при пониженных температурах . Например, добавление 0,5 % Fe к алюминию чистотой 99,99 % приводит к повышению σв с 88,3 до 219,7 МПа (нагартованный металл) и с 49,0 до 99,1 МПа (отожженный алюминий).
| Марка алюминия | Обозначение сплава и состояние материала | Состояние испытываемых образцов | Толщина листа, мм | Механические свойства при растяжении | |
| Временное сопротивление σв, МПа (кгс/мм2) | Относительное удлинение при l=11,3√F* δ, % | ||||
| Не менее | |||||
| Предел текучести σв отсутствует Для испытаний на удлинение используются длинные образцы, где l — участок образца в мм, на котором определяют удлинение,а F — начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца в мм2 | |||||
| А7, А6, A5, А0, АД0, АД1. АД00, АД | А7М, А6М, А5М, А0М, АД0М, АД1М, АД00М, АДМ | Отожженные | От 0,3 до 0,5 Св. 0,5 » 0,9 » 0,9 » 10,5 | 60(6,0) 60(6,0) 60(6,0) | 20,0 25,0 30,0 |
| А7Н2, А6Н2, А5Н2, А0Н2, АДОН2, АД1Н2, АД00Н2, АДН2 | Полунагар- тованные | От 0,8 до 4,5 | 100 (10,0) | 6,0 | |
| А7Н, А6Н, А5Н, А0Н, АД0Н, АД1Н АД00H, АДН | Нагартован- ные | От 0,3 до 0,8 Св. 0,8 » 3,5 » 3,5 » 10,5 | 145 (15,0) 145(15,0) 130(13,0) | 3,0 4,0 5,0 | |
| А7, А6, А5, А0, АД0, АД1, АД00, АД | Без термической обработки | От 5,0 до 10,5 | 70 (7,0) | 16,0 | |
Источник
Свойства и качество сталей оценивают рядом технических характеристик, основными из которых являются механические свойства и химический состав, регламентируемые соответствующими ГОСТами и ТУ.
К основным показателям механических свойств относят: прочность, упругость и пластичность, склонность к хрупкому разрушению.
Прочность — сопротивляемость внешним силовым воздействиям.
Упругость —свойство восстанавливать первоначальное состояние после снятия нагрузки.
Пластичность — свойство получать остаточные деформации после снятия нагрузки.
Хрупкость — разрушение материала при малых деформациях в пределах упругой работы.
Прочность, упругость и пластичность стали определяют испытанием на растяжение специальных образцов. Полученная при этом диаграмма показывает зависимость между напряжениями и деформацией.
Важнейшими показателями механических свойств стали являются предел текучести — (Ry), временное сопротивление (предел прочности — Ru) и относительное удлинение (ε). Предел текучести и временное сопротивление характеризуют прочность стали, относительное удлинение — пластические свойства стали.
До достижения стандартным образцом из малоуглеродистой стали напряжений, равных пределу текучести, материал работает практически упруго. Затем в нем развиваются большие деформации при постоянном напряжении. В результате образуется площадка текучести (горизонтальный участок диаграммы на рисунке выше). Когда относительное удлинение достигает 2,5%, текучесть материала прекращается, и он снова может оказывать сопротивление деформациям. Эту стадию работы стали называют cmadueit самоупрочнения, в ней материал работает как упругопластический. У других сталей переход в пластическую стадию происходит постепенно (нет площадки текучести). Пределом текучести для них считают напряжение, при котором остаточная деформация достигает 0,2%, т. е. σу = σ0,2.
Предельную сопротивляемость материала, характеризующую его прочность, определяют наибольшим условным напряжением в процессе разрушения (отношение разрушающей нагрузки к первоначальной площади сечения образца). Это напряжение называют временным сопротивлением (пределом прочности).
Наибольшее напряжение в материале, при котором начинается отклонение от прямолинейной зависимости между напряжениями и деформациями, называют пределам пропорциональности σеt.
Склонность стали к переходу в хрупкое состояние, ее чувствительность к различным повреждениям определяют испытаниями на ударную вязкость.
Механические характеристики стали зависят от температуры, при которой они работают. При нагревании стали до t = 250 °С свойства ее меняются слабо, однако при дальнейшем повышении температуры сталь становится хрупкой. Отрицательные температуры повышают хрупкость стали, что особенно важно учитывать при строительстве в районах Крайнего Севера. Малоуглеродистые стали становятся хрупкими при температурах ниже минус 45 °С, низколегированные — при температурах ниже минус 60 °С.
Химический состав стали. Такой состав характеризуется процентным содержанием в ней различных добавок и примесей. Углерод повышает предел текучести и прочности стали, однако снижает пластичность и свариваемость. В связи с этим в строительстве применяют только малоуглеродистые стали. Специальное введение в сталь различных примесей (легирующих добавок) улучшает некоторые свойства стали.
Кремний (обозначается буквой С) раскисляет сталь, поэтому его количество возрастает от кипящей к спокойной стали. Он увеличивает прочность стали, однако несколько ухудшает свариваемость, стойкость против коррозии и значительно снижает ударную вязкость. Вредное влияние кремния компенсируется повышенным содержанием марганца. Марганец (Г) — увеличивает прочность стали, незначительно снижая ее пластичность. Медь (Д) — несколько повышает прочность стали и увеличивает стойкость ее против коррозии, но способствует старению стали. Алюминий (Ю) —хорошо раскисляет сталь, нейтрализует вредное влияние фосфора, повышает ударную вязкость. Значительно повышает механические свойства введение в сталь таких легирующих добавок, как никель (Н), хром (X), ванадий (Ф), вольфрам (В) и др. Однако применение этих добавок в сталях, используемых в инженерных конструкциях, ограничивается их дефицитностью и высокой стоимостью.
Некоторые примеси являются вредными для сталей. Так, фосфор резко уменьшает пластичность и ударную вязкость стали, делает ее хрупкой при низких температурах. Сера несколько снижает прочность стали и, главное, способствует образованию трещин при сварке. Кислород, водород и азот, попадая в расплавленный металл из воздуха, ухудшают структуру стали, увеличивая ее хрупкость.
В зависимости от механических свойств (σu, σу), все стали условно делят на три группы — обычной, повышенной и высокой прочности. Для сталей обычной прочности используют малоуглеродистые стали, для сталей повышенной и высокой прочности — низколегированные и среднелегированные.
В зависимости от предъявляемых требований по испытаниям на ударную вязкость, малоуглеродистая сталь разделена на шесть категорий, для каждой из которых нормируются химический состав, значения временного сопротивления, относительного удлинения и требования к испытанию на холодный загиб.
Для гидротехнических сооружений, мостов и других особо ответственных конструкций предназначены малоуглеродистые стали марки М16С и марки 16Д.
Стали повышенной и высокой прочности (низколегированные и среднелегированные) поставляются по ГОСТам и специальным техническим условиям. Наименование марок легированных сталей в определенной мере отражает их химический состав. Первые две цифры показывают среднее содержание углерода в сотых долях процента, следующие далее буквы русского алфавита обозначают легирующие добавки. Цифра после буквы показывает содержание добавки в процентах с округлением до целых значений. Если количество легирующих добавок 0,3-1%, то цифра не ставится. Содержание добавки менее 0,3% не отмечается. Все стали повышенной и высокой прочности поставляются с гарантией механических свойств и химического состава. В зависимости от нормируемых свойств согласно ГОСТу стали подразделяются на 15 категорий.
Примеры обозначения: сталь 14Г2 имеет среднее содержание углерода 0,14%, марганца (Г) до 2%; сталь 15ХСНД— углерода 0,15%, хрома (X), кремния (С), никеля (Н) и меди (Д) 0,3-1% каждого.
В целях экономии металла прокат из углеродистой стали марок СтЗ, СтЗГСпс и низколегированной стали марок 09Г2,09Г2С и 14Г2 поставляют по 2 группам прочности (например, ВСтЗсп5-1 и ВСтЗсп5-2). Отличаются такие стали различным браковочным уровнем предела текучести и временного сопротивления, и в связи с этим расчетными сопротивлениями. Более высокие расчетные характеристики имеют стали, отнесенные ко второй группе прочности.
Выбор марки стали определяет надежность и стоимость конструкции, удобство изготовления, длительность нормальной ее эксплуатации, количество, объем и стоимость работ по содержанию конструкции, в том числе и по защите от коррозии.
Марку стали, если по условиям эксплуатации конструкций не выдвигается специальных требований, выбирают на основании вариантного проектирования и технико-экономического анализа.
Прочность материала характеризуется небольшим напряжением, при достижении которого начинается процесс разрушения образца. Это напряжение называют временным сопротивлением или пределом прочности.
При увеличении прочности стали заметно уменьшается площадка текучести, а для некоторых сталей характерно полное ее отсутствие. Это свойство снижает надежность стали, увеличивая ее склонность к хрупкому разрушению.
Для растяжения, сжатия и изгиба при работе в упругой стадии расчетные сопротивления Ry, определяют по нормативному значению по формуле:
Ry=Ryn/γm
где Ryn — нормативное значение, МПа; γm — коэффициент надежности по материалу (1,025-1,15).
Источник