Относительное удлинение при растяжении алюминия
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
Физические свойства алюминия.
Алюминий — серебристо-белый легкий металл. Расположен в III группе Периодической системы элементов Д.И.Менделеева под номером 13; атомная масса алюминия — 26,98. Конфигурация внешней электронной оболочки 3s23р; атомный радиус — 0,143 мм, ионный радиус А1 3+ (в скобках указаны координационные числа) 0,053 нм (4); 0,062 нм (5); 0,067 нм (6); энергия ионизации А1 -» А1 + -> А1 2+ —> А1 3+ — соответственно 5,984; 18,828; 28,44 эВ; сродство к электрону 0,5 эВ; электроотрицательность по Поллингу — 1,5; поперечное сечение захвата тепловых нейтронов — 215*10-25 м2
Плотность алюминия(99,996% Al), г/см3, при температуре: | |
| 20 °С | 2,6989 |
| 1000 °С | 2,289 |
Температура, °С: | |
| плавления | 660 |
| кипения | ~2452 |
Теплота кДж/моль: | |
| плавления | 10,55 |
| испарения | 291,4 |
Давление пара, Па, при температуре: | |
| 660 °С | 0,266 |
| 1123 °С | 13 3 |
| 1279 °С | 133 |
Удельная теплоемкость алюминия, Дж/(кг*К), при температуре: | |
| 20 °С | 929,46 |
| 100 °С | 931,98 |
| Коэффициент линейного расширения при температуре 20-100 °С, К-1 | 24,58*10-6 |
Теплопроводность алюминия, Вт/( м*К), при температуре: | |
| 20 °С | 217 |
| 190 °С | 343 |
| Электропроводность по отношению к меди при температуре 20 °С | 65,5% |
| Удельное электросопротивление, мк*Ом*м | 0.0265 |
| Температурный коэффициент электросопротивления | 0,042 |
Динамическая вязкость алюминия(99,85% Al), Н*с/м2, при температуре: | |
| 800 °С | 2*10-3 |
| 1123 °С | 1,540-3 |
| 1279 °С | 1,3*10-3 |
Модуль нормальной упругости алюминия Е, МПа, при температуре: | |
| 180 °С | 7,8*104 |
| 20 °С | 7,1*104 |
| 100 °С | 7,0*104 |
| 200 °С | 6,6*104 |
| 400 °С | 5,6*104 |
| 500 °С | 5,0*104 |
| 600 °С | 4,4*104 |
| Модуль сдвига при температуре 20 °С | 2,7*104 МПа |
| Магнитная характеристика алюминия | Слабо парамагнитен |
Механические свойства алюминия
Временное сопротивление разрыву σв,МПА: | |
| в отожженном состоянии | 50 |
| в деформированном (холоднокатаном) состоянии | 115 |
Предел текучести алюминия s 0,2 : | |
| в отожженном состоянии | 50-80 |
| в деформированном состоянии | 120 |
Предел усталости алюминия (500*10 6 циклов),σ -1: | |
| в отожженном состоянии | 40 |
| в деформированном состоянии | 50 |
Предел ползучести алюминия, при температуре: | |
| 15 °С | 50 |
| 100 °С | 27 |
| 200 °С | 7 |
Предел прочности алюминия при срезе,σср: | |
| в отожженном состоянии | 60 |
| в деформированном состоянии | 100 |
Относительное удлинение алюминия, δ: | |
| в отожженном состоянии | 30-40% |
| в деформированном состоянии | 5-10% |
Относительное сужение алюминия, ψ: | |
| в отожженном состоянии | 70-90% |
| в деформированном состоянии | 50-60% |
| Ударная вязкость при температуре 20 °С aм | 140 |
Твердость алюминия по Бринеллю, НВ: | |
| в отожженном состоянии | 25 |
| в литом состоянии | 20 |
| в деформированном состоянии | 30-35 |
При охлаждении алюминия до температуры ниже 120 К его прочностные свойства в отличии от большинства металлов возрастают, а пластичность не изменяется (табл. 1.7).
Таблица 1.7.
Механические свойства алюминия различной чистоты
| Состояние | Содержание Аl, % | Предел прочности при растяжении σв2МПа | Предел текучести при растяжении σ.00,2, МПа | Относительное удлинение δ, % | Твердость по Бринеллю, НВ |
| Литой в землю | 99,996 | 50 | — | 45 | 13-15 |
| Литой в землю | 99,5 | 75 | — | 29 | 20 |
| Литой в землю | 99.0 | 85 | — | 20 | 25 |
| Литой в кокиль | 99,0 | 90 | — | 25 | 25 |
| Деформированный и отожженный | 99.0 | 90 | 30 | 30 | 25 |
| Деформированный | 99,0 | 140 | 100 | 12 | 32 |
| Литой в землю | 98,0 | 90 | 35 | 12,5 | 28 |
Технологические свойства алюминия
| Температура | °С |
| Литья Горячей обработки Отжига Отпуска Линейная усадка, % Допускаемая деформация (холодная и горячая), % Начало рекристаллизации, °С Жидкотекучесть, мм. | 690-710 350-450 370-400 150 2,7 75-90 150 317 |
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