книги / Алюминий и его соединения структурные характеристики, теплофизические, и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трени

определенные упорядоченные симметричные узоры, которые металлурги называют «решетчатыми» структурами [4]. Алюминий, как и медь, серебро и золото, кристаллизуется с гранецентрированным кубическим расположением атомов, общим для большинства пластичных металлов. Это означает, что атомы образуют углы куба содниматомомвцентрекаждойграни(рис. 1).

Рис. 1. Атомная структура алюминия [4]

Атом алюминия состоит из 13 электронов, каждый из которых имеет единичный отрицательный электрический заряд и находится в трех вращательных движениях вокруг высококонцентрированного ядра с положительным зарядом 13. Три электрона на внешней орбите придают атому Al валентную или химическую комбинационную способность +3 [1]. Длина сторон куба при высокой чистоте алюминия равна 4,049 · 10–8 см, кратчайшее

расстояние между двумя атомами в структуре алюминия – 2,

деленному на 2 · 4,049. Гранецентрированная кубическая структура (ГЦК) является одним из вариантов расположения плотно упакованных сфер диаметром 4,049 · 10–8 см с углами куба в центре каждой сферы [4]. Параметр элементарной ячейки Al а = 0,4040 нм. ПространственнаягруппаAl – Fm3m.

11

1.2. Маркировка алюминия и алюминиевых сплавов

Классификация алюминиевых сплавов в зависимости от содержания в них чистого Al:

–особой чистоты А999 (99,999 % А1);

–высокой чистоты А995 (99,995 % A1), А99 (99,99 % А1), А97 (99.97 % A1), А95 (99,95 % А1);

–технической чистоты А85 (99,85 A1 %), А8 (99,8 % А1), А7 (99,7 % A1), А6 (99,6 % A1), А5 (99,5 % А1) и А0 (99,0 % А1).

–деформируемый технический Al – АД00 (99,7 % А1), АД0 (99,5 % А1), АД1 (99,3 % А1), АД (98,8 % А1) [5].

Классификация и показатели свариваемости различных алюминиевых сплавов приведены на рис. 2.

Рис. 2. Классификация и показатели свариваемости различных алюминиевых сплавов [6]

Классификация алюминиевых сплавов по основному легирующему элементу (первая из четырех цифр в обозначении) [6]:

12

1.3. Теплофизические свойства алюминия

Теплофизические и физико-механические свойства технически чистого алюминия приведены в табл. 1. Алюминий не претерпевает полиморфныхпревращений. Взависимостиоттемпературыразличают три агрегатных состояния алюминия: твердый кристалл (0–933 К), жидкий (933–2766,8 К), идеальный одноатомный газ (2766,8–6000 К). Величина температур рекристаллизации 423 K и точки фазового перехода solid-liquid 933 K, равной его Тпл, ниже температуры изготовления литого катода Al (Tлит = 963…983 K) и температуры его испарения (Тисп = 1423 K). В процессе испарения Al происходит образованиедвухфазнойсистемыsolid – liquid [7].

Al имеет атомный вес 26,98 и удельный вес 2,70, примерно одна треть веса из других обычно используемых металлов; за исключением титана и магния [4].

Чистый Al обладает более высокими значениями тепло-, температуро- и электропроводности, скрытой теплоты плавления по сравнению с другими металлами.

Al имеет относительно высокую удельную теплоемкость по сравнению с другими металлами: 921 Дж/кг при 1273 К, что выше, чем у других металлов, кроме Mg (1046 Дж/кг); для сравнения у чугуна и стали около 500 Дж/кг, меди и латуни 377 Дж/кг. Однако в натуральном выражении теплоемкость алюминия меньше, чем у любого из более тяжелых металлов [4].

С повышением температуры алюминия до 500 К резко уменьшаются величины температуропроводности, теплопроводности, удельной прочности, удельной жесткости и значительно повышается величина коэффициента термического расширения (КТР) (табл. 2). После точки фазового перехода Тпл = 933 К удельная прочность Al уменьшается в 12 раз, а удельная жесткость – в 2 раза. Увеличение теплоемкости Al катода по сечению снижает

13

эффективность отвода от него тепла. С повышением КТР по всему сечению катода Al объем катода увеличивается на 6,60 %.

Таблица 1

Теплофизические и физико-механические свойства технически чистых титана и алюминия [1, 7–9]

При 298 К период решетки Al a = 0,40496 нм [7]. Температурная зависимость КТР (α) Al носит обычный для металлов характер (рис. 3, а) с сильной нелинейностью ниже температуры Дебая1 ƟD и более слабым ростом выше ее. При приближении к Тпл = 933 К вновь наблюдается небольшое возрастание α.

1 Температура Дебая (ƟD) – температура, при которой возбуждаются все моды колебаний в данном твердом теле. Дальнейшее увеличение температуры не приводит к появлению новых мод колебаний, а лишь ведет к увеличению амплитуд уже существующих, т.е. средняя энергия колебаний с ростом температуры растет. Температура Дебая – физическая константа вещества, характеризующая многие свойства твердых тел: теплоемкость, электропроводность, теплопроводность, уширение линий рентгеновских спектров, упругие свойства и т.п.

14

16

Продолжение табл. 2

16

К точке фазового перехода в Al solid → liquid линейно уменьшается тепло- и температуропроводность и упругие постоянные алюминия при увеличении теплоемкости.

Бо́льшая деформация алюминия объясняется преимущественной зависимостью модуля сдвига G и прочности на сдвиг от повышения температуры. Эта зависимость характерна для ГЦК металлов и проявляется в более сильной зависимости константы упругости алюминия с11 от температуры, котораяуменьшаетсябыстрее, чемс44 (рис. 3, б). Во время фазового превращения solid – liquid энтропия (S0) алюминияи, какследствие, беспорядоксистемырезковозрастает.

Рис. 3. Зависимость КТР (а) и упругих постоянных с11, с12, с44 (б) алюминия от температуры [1, 4, 7–9]

При повышении температуры алюминия до Тпл = 933 К резко увеличивается энтропия, а значит, беспорядок системы (см. рис. 3, а). Растет КТР и скорость деформации заготовки при механической обработке или катода при испарении/распылении (см. рис. 3, б). Данный процесс частично компенсируется повышением теплоемкости, уменьшающим скорость нагрева заготовки или катода. В точке фазового перехода Тпл = 933 К скачкообразно уменьшается плотность алюминия, значительно повышая его чувствительность к охлаждению. Алюминий в состоянии liquid обладает худшими теплофизическим и физико-механическими свойствами по сравнению с

18

1.4. Физико-механические свойства алюминия

Легкость – выдающаяся и наиболее известная характеристика Al. Однако у технического Al низкие значения предела прочности при растяжении σв, предела текучести σт, предела ползучести σп, модуля Юнга E, модуля сдвига G и прочности на сдвиг. В то же время у алюминия высокие значения коэффициента испарения (Kи) и скорости испарения (Vи).

Алюминий и его сплавы обычно демонстрируют плавный переход от упругой деформации к пластической (обозначается σ0,2). Исключение составляют сплавы Al-Mg с содержанием более 2 % Mg, проявляющие эффект Людера в отожженном состоянии.

Начало пластической деформации обычно не сильно зависит от скорости деформации в отличие, например, от стали. Однако при очень высоких скоростях нагружения наблюдается небольшое увеличение σт.

Алюминий и все его сплавы деформируются во всем температурном режиме (в том числе при циклическом деформировании), т.е. имеют стабильную характеристику потока. Скорость деформационного упрочнения существенно не зависит от скорости деформации до достижения температур выше ~ 373 К [10].

В испытательной машине алюминиевый сплав будет показывать явно более высокую прочность на сжатие, чем на растяжение, но это частично может быть связано с изменением площади поперечного сечения образцов, увеличивающейся в одном случае и уменьшающейся в другом, в то время как напряжение основано на исходной области. Цилиндрические образцы из более мягких алюминиевых сплавов можно сжать до толстых дисков до образования трещин, и даже в этом случае они могут выдерживать нагрузку. Типичные значения твердости по Бринеллю находятся в диапазоне от 20 для отожженного технически чистого металла до 175 для самого прочного сплава. Показания твердости никогда не следует рассматривать как количественный показатель прочности на разрыв, как это часто делается со сталями,

20