книги / Термическое, термомеханическое и механическое поведение алюминия и его сплавов при различных методах их обработки

1. ИОННО-ПЛАЗМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ИСПАРЕНИЯ АЛЮМИНИЯ И ТИТАНА

1.1. Алюминий: характеристика, кристаллическое строение, применение

Алюминий с чистотой ˃ 99,99 %, произведенный Hoopes [1] электролитическим методом, был впервые получен в начале 1920 г. В 1925 г. Эдвардс сообщил о некоторых физических и механических свойствах этого сорта алюминия. Тейлор, Уилли, Смит и Эдвардс опубликовали в 1938 г. статью, в которой были даны несколько свойств 99,996 % алюминия, произведенного во Франции по модифицированному процессу Хупса [1]. Температура плавления Al (Тпл = 933 К) относительно низкая, что ограничивает его применение при термомеханической обработке [2].

Выделяют четыре направления применения технического алюминия [3]:

1)глубокая штамповка, прокатка до малой толщины (Al фольга) благодаря высокой пластичности;

2)электротехническое применение Al (проводниковый металл) благодаря высокой электропроводности (65 % от Cu); провод из Al при равной электропроводности легче, чем из меди;

3)изготовление катодов и мишеней, входящих в функциональные узлы вакуумных установок для нанесения тонкопленочных покрытий;

4)транспортировка и хранение продуктов питания с высокой коррозионной стойкостью.

Технически чистый алюминий (чистота 99,0 %) при высоких пластичных свойствах имеет небольшую структурную ценность. При извлечении он обычно содержит до 1,5 % примесей, в основном железо и кремний, которые оказывают заметное влияние на свойства Al, так что с дополнительной твердостью, приобретаемой во время прокатки, Al технической чистоты имеет полезную степень прочности [4].

11

Металлыпринимаюткристаллическуюструктуруприпереходе из расплавленного состояния в твердое. Атомы выстраиваются в 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

12

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.

1.2.Классификация алюминия

иалюминиевых 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]

13

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

1.3. Теплофизические и физико-механические свойства технически чистых титана и алюминия, их изменение в зависимости от температуры

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. Од-

14

нако 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 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]

15

18

Окончание табл. 2

18