Содержание и методика проведения занятий по теме "Алюминиевые сплавы и их применение в авиастроении"

Термическая обработка алюминиевых литейных сплавов - силуминов

Термическая обработка алюминиевых литейных сплавов (силуминов) состоит из закалки и искусственного старения. Однако продолжительность выдержки при нагреве под закалку увеличивается по сравнению с дюралюминия в 4-8 раз и для сплава АЛ4 необходимо 2-4 часа. Это связано с тем, что силумины в обычных условиях кристаллизации приобретают крупнозернистой структуры с крупными включениями упрочняющей фазы, при нагреве под закалку очень медленно переходят в твердый раствор. Охлаждение силуминов при закалке допускается с меньшей скоростью, чем для дюралюминия. Их можно закаливать в горячей воде. При старении (температура 180 ° С) лучшие механические свойства силумин АЛ4 получает после 10-15 ч выдержки.

Сплавы АЛЗ, АЛ5 и АЛ6 - низкокременистые силумины, дополнительно легированные медью (а также в небольших количествах Mg и Мп) имеют худшие литейные, но лучшие механические свойства, чем обычный силумин. Сплав АЛ11 - цинковистый силумин; присадка цинка в таком высоком проценте улучшает литейные свойства; сплав этот применяется для изготовления сложных отливок.

Алюминиево-медные сплавы АЛ12 и АЛ7 - существенно отличаются друг от друга. Сплав с 4 - 5% Cu, по составу близок к дуралюминию, обладает высокими механическими, но плохими литейными свойствами. С этого сплава изготавливают небольшие отливки, подвергающихся значительным механическим нагрузкам.

Сплав АЛ12, напротив, высокие литейные и низкие механические свойства, однако, по обоим этим показателям он уступает обычному силумину и в настоящее время его применение неоправданно.

Наконец, сплав системы А1-Mg, так называемый магналий представлен маркой АЛ8. Сплав имеет высокую механическую прочность по сравнению с другими алюминиевыми литейными сплавами, наименьший удельный вес, высокие антикоррозионные свойства, но относительно технологических качеств (литейных свойств) он уступает другим сплавам.

Таким образом, имеющаяся номенклатура сплавов позволяет выбрать для каждого конкретного назначения оптимальную марку. При этом выборе следует учесть и оценить положительные и отрицательные показатели сплава - его технологические, механические, эксплуатационные и другие свойства.

Сплав АЛ12 полученный на основе системы А1 - Сu (алюминий- медь). Он содержит 10-14% меди и по механическим свойствам уступает сплава АЛ2. Из рис. 2.3 видно, что сплав АЛ12 является доэвтектичным и при комнатной температуре в равновесном состоянии должен иметь структуру, состоящую из кристаллов твердого раствора и эвтектики.

Рис. 2.3. Диаграмма состояния сплавов Al - Сu [36]

Однако, при исследовании микроструктуры сплава АЛ12 видны светлые зерна твердого раствора, по границам которых наблюдаются отдельные кристаллы фазы СuАl2 темного цвета. Кристаллы твердого раствора эвтектики слились с избыточным твердым раствором в одно целое. Это явление выражено тем сильнее, чем меньше в сплаве эвтектики и чем медленнее происходит ее образования.

Сплав АЛ12 имеет высокие литейные, но низкие механические свойства, поэтому применяется редко. Термообработке сплав не поддается.

Сплав АЛ7 также полученный на основе системы А1 - Сu (алюминий - медь), но содержание меди в нем меньше, чем в АЛ12 и составляет 4-5%. Он обладает высокими механическими и плохими литейными свойствами. Поэтому его применяют для изготовления небольших отливок. В структуре сплава АЛ7 в связи с присутствием примесей железа и кремния, кроме упрочняющей фазы СuАl2, содержатся другие нерастворимые фазы, образующихся вместе с фазой интерметаллидных оболочек по границам дендритов. Сплав АЛ7 подвергается упрочняющей термообработке: закалке с нагревом до 575°С (выдержка 10 - 15 часов) в горячей воде и искусственному старению при 150°С (выдержка 2-4 ч). В тех случаях, когда не требуется максимальной прочности, но важно сохранить повышенную пластичность, ограничиваются одним закалкой (без старения).

Сплав АЛ8 полученный на основе системы Аl - Мg (алюминий - магний). Он содержит 9,5-11% Мg и называется Магналии, который имеет высокие механические и антикоррозионные свойства, но низкие литейные свойства.

Структура литого сплава АЛ8 состоит из твердого раствора (светлый фон) и незначительного количества эвтектики, точнее, фазы Мg2А13, Расположенной по границам твердого раствора. Согласно состоянию в сплаве АЛ8 эвтектика не должна быть, однако микроанализ указывает на ее присутствие. Это связано с повышенной скоростью охлаждения, что приводит к неравновесной кристаллизации сплава, когда точка предельной растворимости смещается влево. Фаза Мg2Аl3 хрупкая и выделяется в форме больших скоплений, образуют сплошную сетку. Для устранения гетерогенной структуры сплав АЛ8 подвергают закалке при 430 ° С (с выдержкой 15-20 ч) в горячей воде и в таком состоянии используют. Структура после закалки состоит из однородных зерен твердого раствора.

Для отливок в форме опорных частей строительных конструкций рекомендуется применять сплав марки АЛ8, содержащий от 10 до 12% магния. Закалка этого сплава применяется с целью получения однородной структуры пресыщенного твердого раствора. В закаленном состоянии сплав обладает высокой коррозионной стойкостью. Стареет этот сплав при повышенной температуре. Старение для этого сплава вредно, поскольку после старения резко снижается пластичность и коррозионная стойкость.



Рис. 2.4.. Фрагмент диаграммы состояния сплавов Al - Mg [36]

Из деформируемых сплавов путем горячей или холодной обработки давлением, изготавливают различные профили (уголки, тавры, двутавры и т.д.), письма, провода, трубы, плиты, которые широко применяются в строительстве и технике для изготовления различных конструкций, а также полуфабрикаты для различных деталей машин.

В зависимости от способа повышения механических свойств, алюминиевые деформируемые сплавы делятся на сплавы, не укрепляются термической обработкой, и сплавы, укрепляются термической обработкой.

К алюминиевым сплавам, которые не укрепляются термообработкой, относятся сплавы двух систем: А1 - Мn (АМц) и А1 - Мg (АМг), к сплавам, укрепляются термообработкой, в основном А1 - Сu - Мg (дюралюминий) и системы А1 - Мg - Si.

Алюминиевые деформируемые сплавы, не укрепляются термической обработкой.

К сплавам, не укрепляются термической обработкой, главным образом относятся сплавы алюминия с марганцем (АМц) и алюминия с магнием (АМг).

Структура сплавов, не укрепляются термической обработкой, состоит из однородного твердого раствора меди, магния марганца и других элементов в алюминии или твердого раствора и частиц второй фазы: Аl6 (Mn, Fe), FеА13 нерастворимых в алюминии при повышении температуры. Эти сплавы обладают невысокой прочностью, высокой пластичностью и коррозионной стойкостью. Наличие второй фазы несколько снижает коррозионную стойкость.

Al-Мn сплавы. Содержание марганца в этих сплавах не превышает 1,6%. При содержании марганца до 0,3% он находится только в твердом растворе. При большем количестве он частично (до 0,3%) будет находиться в твердом растворе и частично в виде интерметаллидного соединения Аl6 (Mn, Fe), не растворяется в алюминии (рис. 2.3).

Микроструктура сплавов системы Аl - Мn (АМц). Из диаграммы состояния Аl - Мn (рис. 2.3) видно, что марганец с алюминием образуют химическое соединение Аl6Мn и эвтектику, содержащий 1,95% Мn при температуре 658,5 ° С. Для рассматриваемой части диаграммы характерные особенности:

а) очень небольшой температурный интервал кристаллизации первичного твердого раствора на основе алюминия;

б) достаточно высокая растворимость марганца в алюминии при эвтектической температуре, составляет 1,4%, и резкое уменьшение при 550-450 ° С.

Промышленный сплав АМц содержит от 1 до 1,6% Мn. Этот сплав является не двойным, а многокомпонентным и содержит постоянные примеси железа и кремния, которые значительно уменьшают растворимость марганца в алюминии.

Например, в чистом алюминии при 500°С растворяется 0,4% Mn, а в алюминии с 0,1% Fе и 0,65% Si-лишь 0,05% Мn. Соединение МnАl6 может растворять в себе железо. Эта фаза имеет форму больших пластинчатых кристаллов, резко ухудшают свойства сплавов АМц. При деформации литого металла наблюдается измельчение интерметаллидных включений.

В сплавах АМц с добавками кремния рядом с кристаллами образуется тройная фаза Т, представляет собой твердый раствор на основе соединения А110Мn2Si. Конечным видом термической обработки сплава АМц является рекристализационный отжиг.

Рис. 2.4. Диаграмма состояния сплавов Аl - Мn [36]

Al - Мg сплавы. Содержание магния в алюминиевых деформируемых сплавах колеблется от 2 до 7%. Магний с алюминием образует несколько интерметаллидных соединений: А13Мg4, Аl3Мg2 (рис. 2.4). В присутствии кремния образуется интерметаллидных соединение, обладающее переменной растворимостью в алюминии. При содержании магния в сплаве более 1,4% он находится частично в твердом растворе и частично в виде интерметаллидных соединений, растворимых в алюминии с повышением температуры. Поэтому сплавы, содержащие магния более 3%, могут укрепляться путем термической обработки, но эффект от укрепления будет невелик. К сплавам, которые термически не укрепляются, относятся также технический алюминий.

Укрепление этих сплавов достигается путем холодной обработки давлением.

Микроструктура сплава системы Аl - Мg (АМг). В сплаве системы Аl-Мg образуются химические соединения А13Мg2. Точка эвтектики соответствует 33% Мg. Растворимость магния в алюминии достаточно высока и составляет 17,4% при 448.°С и около 1,4% при комнатной температуре.

Сплавы системы Аl -Мg (АМг-2, АМг-3, АМг-4, АМг-5, АМГ-6) за исключением АМг-1 содержат дополнительно марганец, что вместе с алюминием образуют фазу А16Мn. Присутствие кремния способствует образованию в этих сплавах силицида магния. Если в сплавах содержатся железо, марганец и кремний, возможно образование соединения (Al, Fe, Si, Мn). Микроструктура сплава АМГ-6 после отжига состоит из твердого раствора, железомарганцевой фазы и фазы Мg2Si.

Цифры, стоящие за маркой, указывают на содержание магния или марганца в сплаве в целых долях процента; дополнительные буквы, расположенные после цифр, указывают на дополнительное легирование сплава: Т - титаном, В-ванадием. Так, например, сплав марки АМг6ТМ имеет следующий состав: магния около 6%, титана - 0,1%, остальное - алюминий. Поставляется после отжига (М) - мягкое состояние.

Сплавы в отожженном состоянии рекомендуется использовать для конструкций, изготавливаемых сгибанием и сваркой. Сплавы в закаленном состоянии не рекомендуется подвергать этим видам обработки, так как есть опасность образования трещин.

Прочность сварных соединений алюминиево-магниевых сплавов достигает 92- 97% прочности основного металла. Относительная прочность сплава марки АМг6 по сравнению со сталью марки Ст. 3 составляет 1,9; по сравнению с легированной сталью марки 15ХСНД-1.38; марки 10ХСНД- 1,17.

Алюминиевые сплавы, деформируются, которые укрепляются термической обработкой.

Сплавы, укрепляются термической обработкой, поставляют заказчику в виде различного проката. Структура этих сплавов в отожженном состоянии состоит из твердого раствора легирующих элементов в алюминии и частиц второй фазы, растворяется в алюминии с повышением температуры. Эти фазы представляют собой твердый раствор алюминия в химическом соединении. Частицы второй фазы, растворенные в алюминии с повышением температуры, является укрепляющим фазой при термической обработке.

В равновесном (отожженном) состоянии при нормальной температуре структура алюминиево-медных сплавов, укрепляются термической обработкой, будет состоять из твердого раствора меди (магния, марганца и других элементов) в алюминии и большого количества избыточных кристаллов второй фазы.

Как видно из диаграммы состояния системы «алюминий - медь», в твердом растворе при нормальной температуре находится 0,5% меди. Другая медь (около 3,5%) будет находиться в виде фазы (дюралюминий марки Д1 содержит около 4% Сu), в которой около 55,4% меди.

Сплавы, термически укрепляются в зависимости от химического состава можно разбить на следующие группы.

Сплавы алюминий - магний - кремний с добавлением меди, марганца, хрома называют сплавами Авиаль (АВ; АК5). Укрепляющей фазой в этих сплавах является интерметаллидное соединение Мg2Si. Сплав марки АВ после закалки с температуры 515-525 ° С и естественного старения обладает высокой коррозионной стойкостью. После искусственного старения при 150-160°С в течение 6:00 сплав имеет максимальную прочность. Коррозионная стойкость при этом несколько снижается. Сплав имеет склонность к межкристаллитной коррозии, причем, эта склонность тем больше, чем выше содержание меди в сплаве. Сплав хорошо сваривается. Его рекомендуется применять для изготовления деталей, которым требуется высокая пластичность в холодном и горячем состоянии. К этой группе относится также сплав АК5, предназначенный для ковки и штамповки деталей сложной конфигурации в горячем состоянии.

Микроструктура и свойства сплава систем Аl-Мg-Si (Авиаль) менее легированные, чем дюралюминий. Промышленные сплавы Аl-Мg-Si типа Авиаль по своему химическому составу характеризуются некоторым избытком кремния по сравнению с теоретически необходимым для образования фазы Мg2Sи, поскольку при избытке кремния достигается более благоприятное сочетание прочности сплава и его пластичности. Сплав АВ имеет наибольшую прочность среди сплавов Аl-Мg-Si. После охлаждения в этих сплавах происходит распад твердого раствора с образованием фазы Мg2Si и в небольших количеств фаз (А12Сu) и Аl6Мn. Основной укрепляющей фазой в сплаве является фаза Мg2Si.

Алюминий подвергается закалке и искусственному старению.

Структура сплава после искусственного старения состоит из твердого раствора, вокруг которого размещаются темные включения фазы Мg2Si.

Термическая обработка алюминиевых сплавов заключается в их закалке и дальнейшем старении. Закалка основано на существовании переменной растворимости меди, магния и других элементов (Si, Мg, и др.) В твердом алюминии при повышении температуры. Целью закалки является получение пересыщенного твердого раствора нескольких легирующих элементов (меди, магния, кремния и других) в алюминии.

Закалки алюминиевых сплавов заключается в нагревании их до температуры, при которой легирующие элементы полностью или частично растворяются в алюминии, выдерживании при этой температуре и быстром охлаждении до низкой температуры (10-20 ° С). Скорость охлаждения при закалке должна обеспечить отсутствие распада твердого раствора в процессе охлаждения, то есть быть выше критической (Vкр). Значительная пресыщенность твердых растворов обусловливает их нестабильность, поэтому распад твердых растворов в закаленных сплавах является самовольным процессом.

Дюралюминий - химический состав, свойства, структура и термическая обработка.

Сплавы, тройной системы: алюминий - медь - магний с добавками марганца, кремния, называют сплавами дюралюминий. Эти сплавы укрепляются термообработкой и хорошо сочетают прочность и пластичность. Главными легирующими элементами дуралюмина является медь и магний. С понижением температуры от эвтектической с твердого раствора выделяется химическое соединение СuAl (Q-фаза), твердость которой 49 HRC. Наличие магния приводит к выделению S-фазы Аl2 (CuMg) твердостью 52 HRC. С увеличением до определенного предела концентрации магния прочность сплава возрастает. Марганец повышает коррозионную стойкость. С целью дополнительного повышения коррозионной стойкости дуралюминий наносят на их поверхность тонким слоем чистого алюминия. Кремний в дуралюминия следует рассматривать как примесь. Структура дуралюмина в равновесном состоянии состоит из твердого раствора и различных интерметаллических твердых фазах в том числе Q и S -фаз. Дуралюмины широко применяют в авиации, автомобилестроении, строительных конструкциях.

Марки дуралюминия обозначают буквой Д и числом, значит условный номер сплава, например Д16 (табл. 2.2). Укрепляющими фазами, растворяются в алюминии при нагревании, могут быть (А12Сu), S (А12СuМg), Т (А16СuМg4), Мg2Si, Мg2Аl3. Наличие той или иной упрочняющей фазы в сплаве зависит от содержания меди и магния в сплаве и от их количественного соотношения.

Микроструктура сплавов системы Аl-Сu-Мg с добавками марганца (дюралюминий)

Дюралюминий является многокомпонентным сплавом, но приближенно его можно рассматривать как сплавы системы Аl-Сu-Мg. Аl-Сu-Мg, вследствие предельной растворимости меди и магния в твердом алюминии, он значительно изменяется при понижении температуры. С увеличением содержания магния в сплаве последовательно образуются новые фазы: (А12Сu), S (А12СuМg), Т (А16СuМg4). Эти фазы при нагревании растворяются в твердом растворе и, выделяясь из пресыщенного твердого раствора, играют роль упрочняющих фаз при старении сплава.

Таблица 2.2. Химический состав дюралюминий (% масс.) [5]

Марка сплава	Содержание элементов
	Cu	Mg	Mn	Si
Д1	3,8 - 4,8	0,4 - 0,8	0,4 - 0,8	0,7
Д16	3,8 - 4,9	1,2 - 1,8	0,3 - 0,9	0,5
Д18	2,2 - 3,0	0,2 - 0,5	0,2	0,5

Сплав Д1 (нормальный дюралюминий) содержит 4,3% Сu; 0,6% Мg; 0,6% Mn, остальное Аl - после кристаллизации имеет структуру, состоящую из первичных кристаллов твердого раствора и светлых включений эвтектического происхождения, образующих своеобразную сетку. Количество эвтектической составляющей тем больше, чем больше содержание меди и магния в сплаве. Вследствие резкого уменьшения растворимости меди и магния в алюминии при охлаждении с фазы выделяется небольшое количество фазы S (А12СuМg). Фазы S и является укрепляющими фазами сплава.

Микроструктура сплавов алюминия марки Д1 после закалки и естественного старения - это перенасыщенный твердый раствор и интерметаллидные соединения FеА13, а после закалки и искусственного старения при 300°С твердый раствор и интерметаллидные соединения: FеА12; Мg2Si и т.д.

Микроструктура дюралюминия после закалки при температуре более 510°С в воде и старение при температуре 250°С состоит из зерен твердого б-раствора (светлая основа) и темных включений FeAl3, Al6Mn. Укрепляющая интерметаллидная фаза CuAl3, которая образуется при старении, под световым микроскопом не видно.

Сплав Д16 (супердюралюминий повышенной прочности) состоит из 4,3% Сu; 1,5% Мg; 0,6% Мn и остальные Аl - отличается от Д1 более высоким содержанием магния. В связи с этим количество фазы (А12Сu) уменьшается, а количество фазы S (А12СuМg) увеличивается. Эти фазы является укрепляющими в сплаве. Кроме того, в структуре сплавов Д1 и Д16 в небольших количествах всегда присутствуют марганцовистого фаза (Al, Мg, Fe, Si) и фаза Мg2Si.

Рис. 2.4. Микроструктура дюралюминия с содержанием 4% меди, а - после отжига; б - после закалки и старения при 250°С.

Дюралюминий укрепляют термической обработкой - закалкой и старением. Температура закалки выбирается очень близкой (чуть ниже) до температуры плавления эвтектики. Проводится естественное старение с выдержкой до 7 суток.

Структура сплава после отжига подобна структуре, полученной после литья: твердый раствор с включениями перечисленных фаз. После закалки в воде от 500°С с диапазона температур твердого раствора сплав приобретает такое строение: твердый раствор и включение различных нерастворимых в алюминии при нагревании фаз (соединения железа и марганца). После старения сплав Д16 не отличается от сплава Д1 и состоит из зерен твердого раствора и включений нерастворимых фаз.

Микроструктура и свойства сплава системы А1-Мg-Si-Cu (ковочный сплав)

Сплав АК8 является аналогом дюралюминия Д1 и Д16, его еще называют супердюралюминием. Этот сплав системы А1-Мg-Si-Сu по своей природе имеет общие свойства из дюралюминия (Al-Сu-Мg) и Авиал (А1-Мg-Si), то есть занимает промежуточное положение между ними. Главное, чем отличается этот сплав - это содержание меди, поэтому иногда его рассматривают как Авиаль с повышенным содержанием меди. Структурно сплав АК8 очень напоминает сплав Д1 и отличается лишь большим количеством фазы Мg2Si, поскольку в нем повышенное содержание кремния.

Укрепляющим термической обработкой алюминиевых сплавов является закалки и дальнейшее старение. Для обоснования выбора температуры закалки, а также для объяснения преобразований, которые происходят в сплавах при термической обработке можно в первом приближении воспользоваться левой частью диаграммы состояния «алюминий - медь», приведенной на рис. 2.5. Диаграмму состояния подобного типа алюминий образует с магнием, марганцем и некоторыми другими элементами.



Рис. 2.5. Часть диаграммы состояния системы «алюминий-медь» [37]

В равновесном (отожженном) состоянии при комнатной температуре структура алюминиево-медных сплавов, укрепляются термической обработкой, будет состоять из твердого раствора меди (магния, марганца и других элементов) в алюминии и большого количества избыточных кристаллов второй фазы (рис. 2.5).

Как видно из диаграммы состояния системы «алюминий - медь», в твердом растворе при нормальной температуре будет находиться только 0,5% меди. Другая медь (около 3,5%) будет находиться в виде фазы (дюралюминий марки Д1 содержит около 4% Сu), в которой есть около 55,4% меди. При нагревании фаза и другие вторичные фазы растворяются в твердом растворе и при достижении температуры 500°С вся фаза перейдет в твердый раствор (другие фазы, например Мg2Si, перейдут в твердый раствор при более низких температурах). Вследствие растворения вторичных фаз алюминий обогатится медью и другими элементами. При быстром охлаждении с этой температуры (закалке) медь не успеет выделиться из твердого раствора, и при комнатной температуре получим структуру однородного пресыщенного твердого раствора меди (магния, марганца) в алюминии. Недогрев до этой температуры приводит к тому, что вторичные фазы полностью не переходят в твердый раствор и прочность с пластичностью после закалки будут ниже. Перегрев выше указанной температуры более опасно. Оно связано с интенсивным ростом зерен твердого раствора, окислением границ зерен и даже расплавлением легкоплавких эвтектических примесей. Пережженный сплав обладает низкими механическими свойствами и является неисправимым недостатком термической обработки.

Пресыщенные твердые растворы этих сплавов имеют меньшую прочность по сравнению со сплавом после старения. Так, например, дюралюминий марки Д1 в свежезакаленном состоянии имеет такие механические свойства: предел прочности В = 240 - 260 МПа; относительное удлинение 20 - 22%.

Пресыщенные твердые растворы метастабильные (неустойчивые). Избыточные элементы стремиться выделиться из пресыщенного твердого раствора. На этом явлении основан процесс старения алюминиевых сплавов. В процессе старения (дисперсного твердения) прочность сплавов растет, пластичность падает.

Алюминиевые сплавы типа дюралюминия при закалке необходимо охлаждать в холодной воде, потому что диффузные процессы, приводящие к распаду пресыщенного раствора, в них протекает очень быстро. Все дюралюминий, кроме Д18, укрепляются при естественном старении; продолжительность выдержки составляет 4-10 суток.

Дюралюминий можно подвергать и искусственному старению при температуре нагрева до 175 ° С, но при этом наблюдается некоторое снижение коррозионной стойкости. Процесс старения при высоких температурах (искусственное старение) протекает значительно быстрее и кроме, того, идет в три стадии. Первая стадия, как и в случае естественного старения, заключается в образовании зон Гинье - Престона. Вторая стадия старения это и есть образование промежуточной ? фазы. Третья стадия старения всегда связана с рразмещением.

На рис. 2.5 приведены кривые старения дюралюминия марки Д1 при различных температурах. Смещение максимума кривых слева с увеличением температуры старения объясняется ускорением процессов диффузии атомов меди при нагревании. Снижение максимума прочности при повышении температуры можно объяснить одновременным протеканием всех трех стадий старения. Как видно из кривых, при искусственном старении дюралюминия прочность его сначала растет, а затем начинает падать. Чем выше температура старения, тем максимум прочности достигается быстрее. Следовательно, для достижения максимальной прочности при старении при искусственном старении необходимо ограничивать.

Большое практическое значение имеет обработка дюралюминия «возвращения». Если сплав после естественного старения кратковременно нагревают (1-2 мин) в селитровых ваннах при температуре 250°С с последующим быстрым охлаждением, то свойства сплава вернутся к свеже закаленному состоянию. Явление возврата свойств сплава после естественного старения в свежезакаленном состояния после кратковременного нагрева до температуры 150- 300 ° С называется возвращением. Со временем такой дюралюминий стареет подобно свежезакаленному.

Рис. 2.6. Кривые старения сплавов алюминия марки Д1 [37]

Дюралюминий марок Д1, Д6, Д16 закаливают с температуре 490 - 505°С с последующим естественным старением. При этом максимальную прочность сплавы будут через 5-7 суток.

Для дополнительного повышения прочности и текучести дюралюминия после термической обработки его подвергают холодной пластической деформации (наклепание) с незначительной степенью сжатия 5 - 10%. Дюралюминий, поступающий после термической обработки для дальнейшего закаливания, дополнительно маркируются буквами ТН. Эти сплавы имеют удовлетворительной свариваемостью и пониженной коррозионной стойкостью.

Для обозначения состояния сплава в готовом прокате к марке сплава добавляют буквы: Т - после закалки и естественного старения, ТЕ - после закалки и искусственного старения, М - после отжига; термически не обработанные сплавы условного обозначения не имеют.

Для повышения коррозионной стойкости дюралюминий подвергают Лакировка. Плакированные листы обозначают буквой А; листы с утолщенным плакированием буквами - УП; листы без плакирования - Б.

Буква В в конце марки дюралюминия указывает на повышенное качество проката. Так, например, марка Д16АТНВ означает: письмо повышенного качества проката (В) из сплава Д16, плакированная (А), закаленная (Н) после закалки и естественного старения (Т); марка Д16БТНВ то же, что и предыдущая марка, но без плакирования (Б).

Кроме плакирования, для защиты конструкций из алюминиевых сплавов от коррозии применяют анодирование, то есть искусственное создание на поверхности детали защитной, прочной, окисной пленки путем электролиза и покраски.

Дюралюминий марок Д1, Д6, Д16 рекомендуется применять для несущих клепаных конструкций, зданий и сооружений (арки, фермы, балки, а также для элементов конструкций, совмещают функции защитных и несущих конструкций (кровельные панели, каркасы панелей для стен, подвесные потолки и т.д.). Дюралюминий марки Д1 рекомендуется применять для элементов конструкций средней прочности; Д6, Д16

- Для силовых элементов конструкций.

Дюралюминий и другие высокопрочные термически обработанные сплавы (кроме Авиал) не рекомендуется сваривать в ответственных конструкциях, поскольку при сварке происходит значительное снижение прочности околошовной зоны вследствие отжига. Сварку можно применять только в тех конструкциях, в которых сварные швы находятся в малонагруженных областях.

Надежными соединениями для этих сплавов является соединение заклепками, которые должны быть по возможности той же марки, что и основной сплав. Заклепки из дюралюминия марок ДЗП, Д1 и Д16 необходимо ставить в закаленном состоянии, когда сплав обладает высокой пластичностью и не стал еще заметно укрепляться в процессе старения. Максимальное время от момента закалки до окончания клепки зависит от скорости процесса старения сплава и для дюралюминия марки Д16П составляет 20 мин, Д1П - 2 ч., Д3П - 3 часа. Ставить заклепки позже нельзя, поскольку в результате укрепления, что происходит в процессе старения, при расклепывания могут образовываться трещины. Буква П указывает, что сплав предназначен для заклепок.

Для продления этих сроков рекомендуется после закалки хранить заклепки в термостатах при низких температурах. Перестарение заклепки для восстановления свежезакаленного состояния испытывают обработки «возвращения» или повторной закалки.

Для устранения технологических трудностей, связанных с ограничением времени клепки, в ГОСТ предполагается специально предназначенный для заклепок дюралюминий Д18П, который может расходиться после старения. Однако надо учитывать, что по прочности он уступает дюралюминия марок Д1П, Д16.

2.3 Алюминий в авиастроении

Развитие авиационной техники, ее эксплуатация, обслуживание и ремонт, связанные с применением новых и весьма разнообразных материалов, изделий, рабочих жидкостей, сжиженных газов и других веществ. Современная реактивная техника характеризуется большими скоростями, большими расстояниями полетов, работает в условиях высокого давления, высоких и низких температур, глубокого вакуума и т.д. Требует создания новых металлических сплавов, в том числе и жаропрочных, что имеют высокие физико-механические свойства и в полной мере соответствуют современным условиям эксплуатации.

При выборе металлов для авиастроения необходимо учитывать все требования к их механическим, физическим и химическим свойствам. Например, крыло самолета должно быть легким и прочным, валы и подшипники не должны изнашиваться, лопатки турбин - не деформироваться и не окисляться под действием центробежных сил. Многие металлы и сплавов, которые широко используются в авиации, а не выдерживают глубокого вакуума и уже при обычных температурах они или сублимируют, или начинают «терять» свои собственные атомы и изменять физико-механические свойства [1]. Кроме того стенки космического аппарата бомбардируются космическими частицами, летящими с большой скоростью и подвергаются космической радиации.

Выбор металла для изготовления авиационной техники зависит от условия работы, поэтому требования к таким материалам зависят от характера нагрузок, температуры, условий их работы, рабочей среды и т.д.

Важной характеристикой металла при его применении в самолетостроении является его плотность, которая служит для оценки пригодности материала для полета. Чем меньше плотность материалов, применяемых в конструкции самолета, тем больше пассажиров и груза можно перевезти на нем, не увеличивая использование топлива.

Основным направлением в создании авиационных материалов является получение композиций, способных надежно работать в условиях высоких температур (1200-1800°С). Вследствие этого, критерием оценки и выбора металлов часто служит изменение удельной прочности при повышении температуры.

Важное значение при выборе материала имеют прочностные характеристики - предел прочности, предел текучести, предел усталости, модуль нормальной упругости. Поэтому при изготовлении деталей предпочтение отдается материалам, имеющим большую прочность.

Материалы, которые используются в авиации должны иметь высокие показатели жаропрочности.

Так, например, при 500-600єС прочность углеродистой стали снижается в два раза, а при 1000єС - примерно в 10 раз по сравнению со значениями при комнатной температуре. Поэтому нужно выбирать материалы, в которых мало снижение показателей прочности при повышенных температурах.

В настоящее время для изготовления космической техники используют металлы, металлические сплавы, неметаллические и композиционные материалы.

Наиболее широкое применение в этой области получили такие металлы как титан, бериллий, алюминий, магний, рений, тантал и ниобий, а также различные металлические сплавы на их основе.

Алюминий является одним из важнейших авиационных металлов, поскольку алюминиевые сплавы определяются удачным сочетанием свойств: небольшой плотностью (2500-2900 кг / м3), высокой прочностью (до 500-600 МПа), коррозионной стойкостью, технологичностью при литье, обработке давлением, сварке и обработке резанием. Благодаря высокой ударной прочности, начиная с 20-х годов, алюминиевые сплавы являются важнейшим конструкционным материалом в самолетостроении. Так, например, из сплава АЛ4 выливают крупные детали, которые выдерживают высокие нагрузки: корпуса компрессоров, картеры и блоки цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Из сплава АЛ9, который имеет лучшие литейные свойства, изготавливают сложные детали средней нагрузки. Сплав АЛ19 имеет высокие механические свойства, как при низких температурах, так и при нагреве до 300°С, а одним из самых прочных и пластичных сплавов является алюминиево-магниевый сплав АЛ8, который называется альтмаг или магналия.

Магний химически очень активный металл. С магниевыми сплавов уже изготавливают многие детали современных самолетов, в том числе и детали двигателей [2]. Интерес к магнию вполне понятен: магний в 1,5 раза легче алюминия в 2,5 раза за титан, в 4,5 стали. Удельная прочность магниевых сплавов выше, чем алюминиевых сплавов и сталей. Из таких сплавов можно отливать детали, они почти не потребует последующей механической обработки. Эти детали поэтому и дешевле, чем из алюминия, хотя сам магний дороже.

Характерной особенностью магния является малая плотность (1,74 г / см3). Температура плавления - 650 ° С. Теплопроводность магния значительно меньше по сравнению с алюминием, а коэффициент линейного расширение почти одинаков. Но одним из существенных недостатков магния является его низкая коррозионная устойчивость на воздухе (особенно влажном), а также в воде. Если оценить все металлы с точки зрения коррозионной стойкости, то рения по праву должно быть предоставлено одно из самых почетных мест. Жаропрочные сплавы - одно из важнейших направлений использования рения. Сплавы рения с другими тугоплавкими металлами (вольфрамом, молибденом, танталом), жаропрочные и тугоплавкие, отличаются пластичностью. Их используют в авиа и космической технике (детали термоионных двигателей, части ракет, лопатки газовых двигателей) [2]. Конечно рений встречается в сплавах в качестве примеси. Производство жаропрочных сплавов является одной очень важной областью применение тантала и ниобия, которые входят в состав различных жаропрочных сплавов для газовых турбин реактивных двигателей. Так, детали из ниобия и сплавов на его основе можно использовать при рабочих температурах 1000... 1200єС при условии защиты от окисления покрытиями, а также при работе в вакууме или инертных газах. Отличительной жаропрочностью, теплопроводностью, большой теплоемкостью характеризуется бериллий. Этот один из самых легких металлов плавится при более высокой температуре, чем магний и алюминий. Поэтому такое удачное сочетание свойств делает бериллий одним из основных космических материалов [3]. Ведь из всех металлов бериллий имеет теплоемкость, которая раза больше, чем у стали и в восемь раз чем у титана. Применение бериллия в ракетных двигателях позволило увеличить мощность примерно вдвое и значительно снизить вес двигателя. И серьезным недостатком бериллия является его высокая стоимость, токсичность, низкая пластичность и технологичность. Одним из наиболее устойчивых в космическом вакууме является титан и его сплавы.

Итак, на примере рассмотренных металлов, можно сказать, что металлы для самолетостроения должны:

* иметь высокую прочность, высокую удельную прочность и достаточную пластичность;

* иметь высокую химическую стойкость в атмосферных условиях;

* изготавливаться в виде листового материала;

* обеспечивать простоту и дешевизну сбора элементов каркасной группы и при необходимости ремонт.

Таким образом, правильное применение материала способствуют повышению уровня технической эксплуатации и увеличению времени работы и надежности авиационной техники.



3. Методика проведения занятия по теме Алюминиевые сплавы и их применение

Тема: Алюминиевые сплавы и их применение.

Цель: Раскрыть роль металлов и сплавов в научно-техническом процессе. Развивать жизненные компетентности. Способствовать формированию активной жизненной позиции национального самосознания.

Тип работы: изучение нового материала.

Ход семинара

I. Организационный момент

II. Психологический настрой

Предлагается выбрать то лицо, которое соответствует настроению.

III. Мотивация учебной деятельности

Свободно конвертируемая валюта - золото. Но представить себе, что когда-то общей мерой ценностей было железо, одна часть железа, когда равнялась десяти частям золота, еще дороже был алюминий, в 1825 году алюминий был открыт второй и стоил он в 1500 раз дороже железа (сегодня - втрое). Металлы не потеряли своей ценности и сегодня, но использование чистых металлов не всегда выгодно. Кстати металл, не всегда, соответствует предъявляемым требованиям. Поэтому в авиастроении широко используют сплавы.

- Что же такое сплавы.

- Почему возможно растворения металлов друг в друге.

- Почему в технике используют преимущественно сплавы, а не чистые металлы.

- Чем занимается черная металлургия.

- Как развивается черная металлургия.

IV. Изучение нового материала

Сообщение студента об алюминии и их сплавах.

На основе докладов, дополнений и рассказы преподавателя студент систематизируют сведения о применении металлов и их сплавов в таблице.

Сплав	Состав	Свойства	Применение

В процессе обсуждения областей применения сплавов студенты рассматривают образцы металлов и сплавов \ виртуальная лаборатория \

Лекция преподавателя о алюминии и их сплавах.

Три студента выступают с докладами о развитии алюминия в России.

V. Обобщение и систематизация.

Мы знаем, что самая обеспеченность топливом, сырьем и электроэнергией для авиастроительного комплекса характерно для Российской Федерации. Охарактеризуйте каждый из них.

Работа в группах по плану:

1.Географичне положения региона.

2. Материалы и топливно-энергетическая база

3.Основные центры.

4. Заключение.

После выступлений групп и анализа их работы преподаватель напоминает о том, что алюминий и сплавы влияют на окружающую среду. Охрана природы - глобальная проблема человечества.

VI. Подведение итогов.

Алюминий, металлы и сплавы широко используются в современной технике. Для эффективного развития производства авиастроения необходимо:

- Комплексное использование сырья

- Комбинирование алюминия и сплавов в авиастроении

- Снижение энергоемкости производства

- Использование вторичного сырья

- Совершенствование способов добычи и обогащения сырья.

Рефлексия

Упражнение «Мне нравится - мне не нравится».

Каждый студент высказывает свое мнение о семинаре, его части, свое заключение, начиная со слов: «Мне нравится...» или «Мне не нравится...» Никто не имеет права комментировать высказывания других.

VII. Домашнее задание.

Подготовить сообщение об открытии и распространенность в природе щелочных металлов.



Заключение

В данном исследовании по формированию методологических и прикладных знаний по Материаловедению решаются некоторые проблемы современного материаловедческого образования.

Материаловедческое образование должно преследовать две основные цели: формирование у студентов научной картины мира (мировоззренческий аспект) и овладение необходимыми знаниями, умениями и навыками для дальнейшего образования. Для формирования научного мышления необходимы новые подходы, исключающие механическое увеличение и усложнение информации. Имеющее место противоречие между объемом научных знаний и возрастающей нагрузкой преодолевалось путем синтеза методологии и практики материаловедческой науки.

Алюминий - наиболее распространенный металл в земной коре (8,8%); в чистом виде он не встречается, зато минералов, содержащих алюминий очень много. Однако алюминиевыми рудами являются далеко не все из них. Основным сырьем для получения алюминия служат бокситы и нефелины.

ГОСТом предусмотрены восемь марок, допускающих содержание примесей 0,15-1%. Название марки указывает ее чистоту. Например, марка А8 обозначает, что в металле содержится 99,8% алюминия, а в марке А99 - 99,99%, в марке А999 - 99,999%.

Алюминий - легкий металл серебристо-белого цвета. Наиболее важным свойством алюминия, определяющим его широкое применение в технике, является его небольшая плотность - 2700 кг/м₃. Таким образом, алюминий приблизительно в три раза легче, чем железо.

Вторым важным свойством алюминия является относительно высокая электропроводность - более 50% электропроводности меди. Температура плавления алюминия зависит от его чистоты и колеблется в пределах 660-667 С.

Также алюминий обладает хорошей теплопроводностью и теплоемкостью.

Имеет высокую стойкость против атмосферной коррозии и в пресной воде. На воздухе алюминий быстро окисляется, покрываясь тонкой пленкой окиси, которая не пропускает кислород в толщу металла, что и обеспечивает его защиту от коррозии.

Алюминий хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается резанию. Для устранения таких отрицательных свойств как невысокая механическая прочность, большая усадка, трудность обработки резанием в алюминий вводят различные добавки. В сплавах алюминия полностью или частично устранены эти недостатки. Сейчас в технике известны сотни различных алюминиевых сплавов.

Алюминий и его сплавы широко применяются:

- в машиностроении (применение алюминия позволяет снизить вес автомобиля, самолета)

- электротехнике (алюминий менее дефицитен и встречается в природе более широко, чем медь; для проводов в летательных и транспортных аппаратах, воздушных линий электропередач)

- металлургии (для получения в чистом виде хрома, ванадия, для раскисления стали)

- в пищевой промышленности - обертки для шоколадных конфет, алюминиевые банки для напитков и т.д.

Деформируемые алюминиевые сплавы применяют для получения листов, ленты, проволоки и различных деталей методами обработки давлением: штамповкой, прессованием, ковкой.

В зависимости от химического состава деформируемые алюминиевые сплавы делят на несколько групп.

Деформируемые алюминиевые сплавы содержат 2-3 и более легирующих компонентов в количестве 0,2-4% каждого.

Деформируемые обработкой алюминиевые сплавы можно подразделить на две подгруппы:

- не упрочняемые термообработкой;

- упрочняемые термообработкой.

Первые характеризуются невысокой прочностью, но хорошей пластичностью. К ним относятся сплавы алюминия с марганцем и магнием, содержащие его до 6%. Эти сплавы почти всегда однофазные. Они хорошо свариваются, устойчивы против коррозии и применяются для малонагруженных деталей, изготовляемых холодной штамповкой с глубокой вытяжкой, и для свариваемых конструкций. Упрочнение этих сплавов возможно только путем холодной деформации, так как упрочнение термической обработкой не удается.

Дуралюмины выпускают в виде листов, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Особенно широко применяют дуралюминий в авиационной промышленности и строительстве.



Список используемой литературы

1. Асмолов А.Г. Об экспериментальной программе образовательной области Технология. Школа и производство.-2015.-№6.

2. Барташевич А.А. Материаловедение. - Ростов н/Д.: Феникс, 2010.

3. Бессонова Г.А. Активные формы и методы обучения в ВУЗе.2014

4. Богодухов С.И. Курс материаловедения в вопросах и ответах: Учеб. пособие для ВУЗов, обуч. по направлению подгот. бакалавров «Технология, оборуд. и автомат. машиностр. пр-в» и спец. «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» и др. / С.И. Богодухов, В.Ф. Гребенюк, А.В. Синюхин. - М.: Машиностроение, 2013. - 255с.

5. Вербицкий А.А. Психолого-педагогические особенности контекстного обучения. М.: «Знание», 2014.

6. Вишневецкий Ю.Т. Материаловедение для технических колледжей: Учебник. - М.: Дашков и Ко, 2013.

7. Выготский Л.С. Педагогическая психология М.: «Педагогика», 2011

8. Гибш И.А. Активность учащихся как условие необходимое для повышения качества обучения. М., 2011

9. Гузеев В.В. Методы и организационные формы обучения. М.: «Народное образование», 2011

10. Давыдов В.В. Проблемы развивающего обучения. М., 2014

11. Дакупин Использование активных методов обучения // «Вестник высшей школы» № 8 2013

12. Дидактика средней школы. / Под ред. Сластенина М.Н. М., 2012

13. Дриц М.Е., Москалев М.А. Технология конструкционных материалов и материаловедение: Учеб. для студентов немашиностроительных спец. ВУЗов. - М.: Высшая школа, 2010. - 446с.

14. Заплатин В.Н. Справочное пособие по материаловедению (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. - М.: Академия, 2014.

15. Зимняя И.А. Педагогическая психология. М.: «Логос», 2010

16. Ильин Е.П. Умение и навыки: нерешенные вопросы // «Вопросы психологии» № 2 2012.

17. Казакевич В.М. Об усовершенствованном варианте проекта стандарта образовательной области “Технология”. // Школа и производство.-2010.-№1.

18. Карачев А.А. Государственные стандарты общего образования по технологии. // Школа и производство.-2014.-№4.

19. Колесов С.Н. Материаловедение и технология конструкционных материалов: Учебник для студентов электротехнических и электромеханических спец. ВУЗов / С.Н. Колесов, И.С. Колесов. - М. Высшая школа, 2014. - 518с.

20. Кругликов Г.И. Методика преподавания технологии с практикумом: Учебное пособие для студентов высш. пед. учеб. Заведений.- М.: Издательский центр "Академия", 2012.-480 с.

21. Кудрявцев В.Т. Проблемное обучение. М., 20111

22. Лахтин Ю.М., Леонтьева В.Н. Материаловедение. Учебник для ВУЗов технич. спец. - 3-е изд. - М. Машиностроение, 2010. - 528с.

23. Марченко А.В. О программно-методическом обеспечении и тенденциях обновления технологического образования в школе. // Школа и производство.-2013.-№5.

24. Материаловедение и технология конструкционных материалов. Учебник для ВУЗов / Ю.П. Солнцев, В.А. Веселов, В.П. Демьянцевич, А.В. Кузин, Д.И. Чашников. - 2-е изд., перер., доп. - М. МИСИС, 2011. - 576с.

25. Материаловедение и технология металлов: Учебник для ВУЗов по машиностроительным специальностям / Г.П. Фетисов, М.Г. Карпман, В.М. Матюнин и др. - М.: Высшая школа, 2010. - 637с.

26. Материаловедение. Технология конструкционных материалов: учебное пособие для студентов ВУЗов, обуч. по напр. «Электротехника, электромеханика и электротехнологии» / А.В. Шишкин и др.; под ред. В.С. Чередниченко. - 3-е изд., стер. - М.: ОМЕГА-Л, 2012. - 751с.

27. Материаловедение: Учебник для ВУЗов, обучающих по направлению подготовки и специализации в области техники и технологии / Б.Н. Арзамасов, В.И. Макарова, Г.Г. Мухин и др. - 5-е изд., стереотип. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2013. - 646с.

28. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2012.

29. Материаловедение: Учебник для СПО. / Адаскин А.М. и др. Под ред. Соломенцева Ю.М. - М.: Высш. шк., 2011.

30. Материаловедение: Учебник для СПО. / Под ред. Батиенко В.Т. - М.: Инфра-М, 2010.

31. Матюшкин А.М. Проблемы развития профессионально-теоретического мышления. М., 2010

32. Моряков О.С. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2013.

33. Муравьев Е.М., Симоненко В.Д. Общие основы методики преподавания технологии. - Брянск: Издательство Брянского государственного педагогического университета им. академика И.Г. Петровского, НМЦ Технология, 2010.-235 с.

34. Основы материаловедения (металлообработка): Учеб. пособие для НПО. / Заплатин В.Н. - М.: Академия, 2014.

35. Павлова М.Б., Гуревич М.И. Тенденции развития технологического образования. // Школа и производство.-2012.-№8.

36. Пархоменко В.П. Актуальные проблемы. // Школа и производство.-2010.-№4.

37. Ржевская С.В. Материаловедение: Учебник для ВУЗов. - М.: Университетская книга Логос, 2012.

38. Солнцев Ю.П. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2011.

39. Солнцев Ю.П. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2013.

40. Справочник по конструкционным материалам. / Под ред. Арзамасова Б.Н. - М.: МГТУ им. Баумана, 2010.

41. Тарасов В.Л. Технология конструкционных материалов: Учеб. для ВУЗов по спец. «Технология деревообработки» / Моск. гос. ун-т леса. - М.: Изд-во Моск. гос. ун-т леса, 2011. - 326с.

42. Технология конструкционных материалов. Учебник для студентов машиностроительных специальностей ВУЗов в 4 ч. Под ред. Д.М. Соколова, С.А. Васина, Г.Г Дубенского. - Тула. Изд-во ТулГУ. - 2014.

43. Технология конструкционных материалов: Учебник для студентов машиностроительных ВУЗов / А.М. Дальский, Т.М. Барсукова, Л.Н. Бухаркин и др.; Под общ. ред. А.М. Дальского. - 5-е изд., испр. - М. Машиностроение, 2013. - 511с.

44. Хотунцев Ю.Л. Всероссийский научно-методический семинар и четвертая международная конференция. // Школа и производство.-2010.-№6.

45. Хотунцев Ю.Л. О проекте Российского стандарта образовательной области "Технология". Школа и производство.-2014.-№1.

46. Хотунцев Ю.Л. Седьмая международная конференция 2001 год. Школа и производство.-2052.-№2.

47. Хотунцев Ю.Л., Марченко А.В. Технология в школе и педвузе. Школа и производство.-2013.-№2.

48. Хотунцев Ю.Л., Симоненко В.Д. О содержании нового учебного предмета Технология Школа и производство.-2013.-№4.

49. Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник для СПО. - М.: Академия, 2012.

50. Черепахин А.А. Материаловедение: Учебник для сред. проф. образования, обуч. по спец. 3106 «Механизация с.-х.». - М.: Академия, 2014. -252с.

51. Чумаченко Ю.Т. Материаловедение и слесарное дело: Учеб. пособие. - Ростов н/Д.: Феникс, 2011.

Размещено на Allbest.ru