Алюміній і його властивості

КОЛЬОРОВІ МЕТАЛИ

 

Умовно всі метали діляться на дві групи - чорні й кольорові.

Чорні метали - темно-сірий колір, велика щільність, висока температура плавлення, висока твердість, володіють поліморфізмом або алотропією. Типовим представником є залізо.

Кольорові метали - характерне забарвлення: червоне, жовте, біле. Велика пластичність, мала твердість, низька температура плавлення, відсутність поліморфізму. Найбільш типовим представником є мідь.

Їх підрозділяють на:

1) легкі метали - берилій, магній, алюміній, з малою щільністю до 3 г/см³;

2) благородні метали - золото, срібло, платина - група і мідь - напівблагородний метал. Висока стійкість проти корозії;

3) легкоплавкі метали - цинк, кадмій, ртуть, олово, свинець, вісмут, талій, сурма.

Відносна вартість кольорових металів:

 

-1	-25
-2,5	-65
-3	-160
-7,5	-270
-8	-11000
-17	-27000.
-22

 

Алюміній і його властивості

Густина - 2,7 г/см³; температура плавлення - 660°С. Об'єм виробництва - друге місце після заліза. Входить до складу глини. Запропонований в 1808 р. англійцем Деві, який і дав назву елементу. У Росії в XIX ст. називався глінієм.

У 1825 р. датчанин Ерстед отримав перші крупиці алюмінію. Автором сучасного способу виробництва алюмінію (електроліз розплавлених солей) були американський вчений Хол і французький учений Еру. У 1886 р. вони отримали незалежно один від одного патент на промисловий метод отримання алюмінію.

До 1890 р. у всьому світі було виготовлено 200т алюмінію. Тепер, в основному застосовують не чистий , а його сплави (дюралюміній). До 1906 р. алюміній застосовували в чистому вигляді. Вільм випадково знайшов спосіб зміцнення сплаву в результаті гарту і старіння, а запропонований ним сплав (4% , 0,5% , 0,5% ) дюралюміній і зараз є найпоширенішим (, ).

Алюміній широко застосовується там, де потрібна мала густина і велика питома міцність ().

Прокатаний і відпалений алюміній високої чистоти має , , НВ - 25, - 85%, - 40%. - гранецентровані решітки. Не має алотропічних модифікацій. Має високу теплопровідність, електропровідність і приховану теплоту плавлення. Слабко піддається корозії, оскільки утворюється щільна плівка .

особливої чистоти: А 999 - 99, 999% ; .

високої чистоти: А 995; А 99; А 37; А 95.

технічної чистоти: А 85; А 8; А 7; А 6; А 5; А 0.

Існує три напрями застосування технічного :

1) висока пластичність дозволяє проводити з глибоке штампування, плющення дуже тонкої товщини;

2) висока електропровідність (65% від ) для технічних цілей (провідниковий метал);

3) висока корозійна стійкість за рахунок плівки (100А). Стійкий в органічних кислотах (застосовується в побуті, для транспортування і зберігання продуктів живлення). У неорганічних кислотах стійкий лише при невеликих концентраціях.

Сплави на основі за способом виробництва розділяють на дві групи:

1) що деформуються (в т.ч. спечені), йдуть на виготовлення напівфабрикатів - лист, профіль.

2) ливарні, призначені для фасонного литва.

Ті, що деформуються, складають 80% об'єму виробництва. Вони діляться на зміцнювані і незміцнювані термічною обробкою.

До термічних не зміцнюваних сплавів відносяться сплави з марганцем (Амц) і магнієм - магналії (АМг2, АМг3, АМг6 та ін.). Ці сплави володіють середньою міцністю, хорошою пластичністю і зварюваністю, а також високою корозійною стійкістю. Вони застосовуються в суднобудуванні та авіабудуванні, у виробництві зварних ємкостей, холодильників і т.д.

Механічні властивості Амц. Марганець покращує корозійну стійкість алюмінієвого сплаву. - сплави перевершують чистий алюміній більшою міцністю і корозійною стійкістю.

Магній - корисний легований метал, який підвищує корозійну стійкість і зменшує щільність алюмінієвого сплаву (оскільки він легше ), підвищує міцність, не знижуючи пластичності.

Ці сплави у вигляді листів або просоченого, пресованого матеріалу поставляють у стані, що відпалює (м'якому) (маркувальне позначення М); після невеликого наклепу - в на пів загартованому стані (позначенні П), після сильного наклепу - загартування (позначення Н).

Склади, вживані в авіабудуванні

	Mn, %	Mg, %
АМц	1,0 – 1,6	Меньше 0,05
АМг2	0,2 – 0,6	1,8 – 2,8
АМг3	0,3 – 0,6	3,2 – 3,8
АМг5	0,3 – 0,6	4,8 – 5,5
АМг7	0,5 – 0,8	5,8 – 6,8

Сплав АМц

Состояние	М	П	Н
,Мпа
, %

Зміцнювані термічною обробкою. До них відносяться наступні сплави: (дюралюміній Д1, Д16 та інші; МПа; ); на основі (авіалі типу АВ: МПа, ); на основі (високоміцні сплави В95, В96, МПа, ); на основі (жароміцні сплави АК4 - 1, Д20, МПа, ); на основі (кувальні сплави АК6, АК8, МПа, ) та інші.

Дюралюміній – деформація плюс термічна обробка, включає 4% і 0,5% , а також і . Винахідником дюралюмінію є вчений Вільм. Цей сплав має t°_зак=500°С, охолоджується у воді, а потім відбуваються природні і штучні процеси старіння (рис.15).

 

 

Рис.15 - Діаграма стану сплаву алюміній - мідь

 

Максимальна розчинність в в твердому стані складає 5,7% при t=548°С. При кімнатній температурі - 0,2-0,5%. Це вказує на те, що сплави, обмежені лінією DF, можуть термічно оброблятися і зміцнюватися. Зміцнення відбувається за рахунок розпаду термодинамічно нестійкого пересиченого - розчину в . Шляхом дифузії усередині зерен - твердого розчину утворюються зміцнені ділянки, збагачені (зони Гіне - Престона). Крім того, в сплаві виникають дисперсні частинки надмірної фази (що зміцнює). Цей процес називається старінням (рис.16). Старіння може бути штучним і природним (кімнатна температура).

При природному старінні max наступає через 4-5 діб. В інкубаційний період загартовані деталі можна піддавати різним технічним операціям (заклепка, гнучка). Швидкість старіння залежить від температури. При 50°С загартований стан стійкий. Якщо недовго витримувати природно зістарений сплав при температурі 200-250°С, то він роззміцнюється і набуває властивостей, характерних для свіжозагартованого стану, набуваючи здатності до природного старіння. Це «повернення».

 

 

Рис.16 - Графік старіння дюралі:

1 - природне старіння; 2 - штучне старіння.

 

Ливарні сплави.

Силуміни - ливарні сплави на основі , , що містять і деякі інші елементи (АЛ2; АЛ4; АЛ9; , ).

і дають евтектику 11,7% . Застосовують тільки в литому вигляді (в автоі та авіабудуванні).

Як ливарні сплави рідше застосовують сплави з , , .

Ряд деталей з сплавів виготовляють ковкою (лопаті гвинта). Окрім високих механічних властивостей від сплаву вимагається хороша пластичність в гарячому стані. У таких випадках застосовують або дюралюміній звичайного складу, або інші сплави, близькі за складом до дюралюмінію (АК6; АК8).

Термічна обробка литих деталей з сплавів покращує механічні властивості цих сплавів. Після гарту і природного старіння механічні властивості збільшуються в два рази.

Термічна обробка має ряд особливостей (через відмінності хімічного складу і грубішу структуру, грубозернисту ). t°_нагр під гарт декілька вище, ніж у деформованого, витримка велика для розчинення грубих інтерметалевих з'єднань, вирівнювання - за всім обсягом.

Ливарні сплави майже не схильні до природного старіння. Максимальну міцність отримують після штучного старіння протягом 10-20р. при 150 - 200°С. Можна суттєво підвищити їх властивості за рахунок особливої обробки в рідкому стані (модифікації). Перед самим відливанням в сплав вводять незначну кількість або (), що різко змінює структуру. Сплав стає доевтектичним. Структура уявляє собою з'єднання світлих первинних виділень і дрібнозернистої евтектики.

Маркірування

означає наступне: А - сплав , Л - ливарний, цифра - порядковий номер в Гості.

АЛ2 - нормальний силумін. АЛ4 і АЛ9 - силуміни із зниженим вмістом і невеликими добавками , .

АЛ3, АЛ5, АЛ6 - низькокремнієві силуміни леговані .

в силумінах складає 6 - 13%.

АЛ11 - цинкований сплав, має кращі ливарні властивості, застосовується для особливо важливих цілей.

Поширені гранульовані й порошкові сплави . Гранульовані виробляються розпилюванням розплаву, при цьому виходять частинки сферичної або овальної форми - гранули. Швидкість охолодження залежить від товщини частинок, яка складає від долі до сотень мікрометрів. Достатня швидкість охолодження становить . У гранульованих сплавах підвищуються механічні й фізичні властивості. Гранули брикетують, а потім піддають пластичній деформації.

Методами порошкової металургії виготовляють спечені порошки (САП) і спечені сплави (САС). Перші складаються з порошку і дисперсних частинок , які підвищують міцність сплаву і знижують його пластичність. Сплави володіють високою жароміцністю (до 500°С). Вміст в Сапах 6 - 22 %.

Спечені сплави (САС - 1, САС - 2 та інші) відносяться до сплавів системи . Використовують в приладобудуванні як матеріали з низьким коефіцієнтом лінійного розширення. Саси у вигляді порошків отримують пульверизацією рідких сплавів при високих швидкостях охолодження. У структурі САС є дрібні включення і інтерметалеві з'єднання. Механічні властивості САС визначаються формою і розмірами частинок (; ).

 

Проведення лабораторного заняття

Своє лабораторне заняття, яке я проводив 7-го травня на 4-й парі в аудиторії 327 етк, розпочалося відповідно з розкладом. Студенти прийшли своєчасно. Викладач Скуріхін Владислав Ігорович представив мене аудиторії. Я привітався. На що мені відповіли взаємністю. Своє заняття я розпочав відмітивши відсутніх. По списку в групі ЕМ1 19-ть чоловік, на занятті були присутні 14-ть студентів. Ми приступили безпосередньо до виконання лабораторної роботи №6 «Визначення твердості методом Брінелля». Спочатку ми обговорили питання, будову та принцип роботи приладу для вимірювання твердості за Брінеллем. Група розподілилась на підгрупи по 4 чоловіка, одна із підгруп складалась з 3-х чоловік. На кожну підгрупу видались часточки різних металів. Після чого студенти уважно перевірили їх на наявність тріщин, подряпин та інших пошкоджень. За допомогою лупи Брінелля заміряли діаметр відбитка зразка деталі. Розрахували середнє значення виміру й знайшли за формулою, яку я написав на дошці, твердість металу. За аналогічним принципом розрахували твердість інших металів. Результати досліджень занесли у лабораторний журнал. В кінці пари ми підбили підсумки по лабораторній роботі. Усі підгрупи вчасно справились із завданнями в лабораторній роботі. Домашнє завдання – це підготовка до захисту даної лабораторної. В ході роботи у студентів виникали питання різного характеру щодо виконання роботи. На деякі питання я звертався за допомогою до Владислава Ігоровича, який мені допомагав. Студенти повернули викладачеві зразки, які їм були видані для дослідження й на цьому заняття закінчилось. Я подякував за спільну роботу студентам.

 

Лабораторна робота №6

 

Визначення твердості методом Брінелля

 

Мета роботи:

1. Засвоїти техніку вимірювання приладом Брінелля.

2. Навчитися проводити порівняння твердості, визначені іншими методами.

 

Загальні відомості:

Згідно з методом Брінелля твердість металу визначається шляхом вдавлення в його поверхню сталевої загартованої кульки (індентора) з подальшим виміром діаметра відбитка, який залишається на поверхні зразка після усунення вантажу. При однакових умовах випробувань з ростом твердості металу діаметр відбитка зменшується.

Діаметр кульки може бути 2,5; 5 і 10 мм. Для забезпечення однакових умов випробувань при використанні різних діаметрів кульок дотримуються таких співвідношень: для сталей і чавунів Р = 30D²; для міді та її сплавів – Р = 10D²; для алюмінію – Р = 2,5D², де D – діаметр кульки. Стандартом передбачено використання таких вантажів: 3000, 1000, 750, 500, 250 і 187,5 кг, (табл.). Час дії вантажу на індентор задається механізмом приладу.

Після отримання відбитка на поверхні зразка роблять вимір його діаметра за допомогою лупи Брінелля, яка дозволяє збільшити зображення відбитка й визначити розмір діаметра в міліметрах.

Твердість за Брінеллем (НВ) розраховують за формулою

 

, (1)

 

де Р – вантаж, Н;

D – діаметр кульки, м; d – діаметр відбитка, м.

Р=2500кг=25000Н;

D=10мм;

D=4,3 мм.

Викладені нижче розрахунки ми дослідили в процесі виконання роботи.

МПа

МПа

МПа

Запис твердості здійснюють таким чином: НВ 270, коли навантаження рахують в кілограмах, і НВ =3500МПа, коли вантаж виражають в ньютонах.

На рис.16 подана одна з багатьох схем твердоміра, а саме приладу ТШ-2. Прилад змонтовано на масивній станині. На підйомному гвинті 2, який обертається маховиком 1, встановлюють змінні опорні столики 5 для зразків.

У верхній частині станини розташовано шпиндель 6, в який монтують наконечники з кульками різних діаметрів. Шпиндель опирається на пружину 9, яка призначена для прикладення попереднього навантаження 1000 Н.

Попереднє навантаження потрібно для усунення зсуву зразка під час випробувань.

Основне навантаження прикладають через систему важелів. На довгому плечі основного важеля 15 розташована підвіска, на яку встановлюють змінні вантажі 18. Обертання вала електродвигуна 21 через черв’ячну передачу йде на шатун 19, він опускається і навантаження передається на шпиндель приладу.

Р, Н	D, мм	Примітка
		2,5
30 D2	30 000			Матеріали з НВ 130 – 450 (сталі, чавуни, високоміцні сплави)
10 D2	10 000			Матеріали з НВ 35 – 130 (алюмінієві сплави, латуні, бронзи)
5 D2	5 000		312.5	Алюміній, магній, цинк, латуні
2,5 D2	2 500		156.25	Підшипникові сплави
1,25 D2		312,5	78,125	Свинець, олово, припої
0,5 D2			31,25	М’які метали при підвищеній температурі

Навантаження (Р) і діаметри (D) кульок для випробування твердості за Брінеллем

 

 

Коли шатун 17 доходить до перемикача 14, електродвигун 21 починає обертатися в зворотній бік, шатун піднімається і вантаж перестає діяти на шпиндель. Після повернення шатуна в первинний стан двигун автоматично зупиняється.

 

Порядок виконання роботи

 

Відповідно до опису ознайомитися на реальному приладі Брінелля з його будовою та призначенням основних частин. Перевірити у шпинделі наявність індентора.

Підібрати зразки деталей різних металів. Оглянути їх щодо відсутності подряпин, окалини (в тому числі на зворотному боці), забруднень. Встановити зразок на робочий столик і переконатися, що він не має коливань. Обертанням маховика 1 підняти столик до зразка і продовжувати обертання маховика до упору. Ввімкнути електродвигун кнопкою 4. Після зупинки електродвигуна опустити столик вниз, обертаючи маховик у зворотній бік.

За допомогою лупи Брінелля тричі заміряти діаметр відбитка на зразку і результати вимірів занести в журнал. Знайти середнє арифметичне вимірів і за формулою (1) знайти твердість НВ.

Провести вимірювання твердості інших зразків. Результати записати в журнал.

Користуючись таблицями співвідношень твердості, визначеної різними методами, перевести отримане в роботі число твердості в одиниці Роквелла і Віккерса.

У висновках по роботі вказати марки металів, з яких були зроблені зразки, й зазначити їхню твердість. Розташувати метали в порядку зростання твердості.

 

 

3.Висновок

За час педагогічної практики я отримав досвід проведення лабораторного та лекційного занять. Випробувавши себе в якості викладача лекцій та лабораторних занять, зробив такі висновки, що робота зі студентами мені дуже сподобалася хоча все набагато складніше ніж здається на перший погляд. Основним принципом підготовки для роботи з студентами - це досконале володіння інформацією, яку викладаєш студентам, вміння користуватись науковою літературою різних джерел та виховання в собі ораторських навичок та вмінь. Під час моїх спостережень за Сидоренком В.Ф. та Скуріхіним В.І. я відзначив для себе їх методику проведення занять з різним підходом викладу інформації одного й того змісту. Проте кожен будує план роботи зі слухачем з особистим індивідуальним підходом. Для мене є першим і вагомим досвід, набутий в педагогічній практиці й в подальшому гадаю він мені обов’язково знадобиться.

 

4.Список літератури

1.Клемешев, О.Г. и Бабічева, О.Ф. и Гарбуз, Н.В. (2009 ) Когспект лекцій з дисципліни “Конструкційні матеріали” для студентів 1 курсу денної і 3 курсу заочної форм навчання напряму підготовки 6.050702 – «Електромеханіка» спеціальностей – «Електричні системи і комплекси транспортних засобів», «Електричний транспорт», «Електромеханічні системи автоматизації та електропривод».

2. Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт з дисципліни “ Конструкційні матеріали ” (для студентів 1,3 курсу денної і заочної форм навчання спеціальності 7.092202 – «Електричний транспорт»). Укл.

О.Ф. Бабічева А.В. Рябов, І.Г. Міренський, В.М. Шавкун.