Алюминиевые сплавы презентация

Большие запасы (8%Al) в земной коре
1-е место среди цветных металлов по объему производства – более 30 млн т/год (15% РФ)
Цена - 1500-2600 $/т (~1500 $/т)
Легкость – уд.вес 2,7 г/см3
Высокая прочность (сплавов)- σв до 700 МПа
Высокая коррозионная стойкость
Высокая электропроводность (2/3 от Cu)
Высокая технологичность при всех видах обработки
Возможность использования отходов

авиа- и ракетостроение
наземный и водный транспорт
машиностроение
электротехника
строительство
упаковка (для пищи, лекарств и т.д.)
бытовая техника
специальные области

Свойство Al Fe Cu Mg Ti

Температура плавления, 0С 660 1539 1083 650 1652
Температура кипения, 0С 2494 2872 2595 1107 3000
Плотность, г/см3 2,7 7,86 8,9 1,738 4,5
Коэфф. терм. расш., 106* К-1 23,5 12,1 17,0 26,0 8,9
Уд. электросопр., 108* Ом*м 2,67 10,1 1,69 4,2 54
Теплопроводность, Вт*м-1*К-1 238 78,2 397 156 21,6
Теплота плавления, Дж*г-1 405 272 205 293 358
Теплота испарения, кДж*г-1 10,8 6,1 6,3 5,7 9,0
Модуль упругости, ГПа 70 220 132 44 112

У чистого Al низкая твердость - 10-15НВ, прочность σв=50-70 МПа и высокая пластичность δ=30-45%

Железо
Кремний
Fe+Si – фазы Al3Fe, Al5FeSi (β) и Al8Fe2Si (α)
Цинк
Медь
Магний
Свинец и олово
Натрий
Водород

Al-Si, Al-Si-Mg (силумины)
Al-Si-Cu-Mg (медистые силумины)
Al-Cu [-Mn] (жаропрочные)
Al-Mg (магналии)
Al-Mg-Si (авиали)
Al-Cu-Mg (дуралюмины)
Al-Cu-Mg-Si (ковочные)
Al-Zn-Mg (свариваемые)
Al-Zn-Mg-Cu (высокопрочные)
Al-Li-Cu-Mg (сверхлегкие)

1.Сплавы типа твердых растворов (матричные) (подавляющее большинство деформируемых сплавов, а также литейные на базе систем Al–Cu, Al–Mg и Al-Zn-Mg);
2.Доэвтектические сплавы (большинство силуминов - сплавов, в которых важнейшим легирующим элементом является кремний, например типа АК7 и АК8М3, а также некоторые деформируемые сплавы, в частности типа АК4-1);
3.Эвтектические сплавы (силумины типа АК12 и АК12М2);
4.Заэвтектические сплавы (заэвтектические силумины, например АК18).

Не

Неравновесная кристаллизация – результат
неполного прохождения диффузии при
реальных скоростях охлаждения

QV = Cx/Ce)1/(1-К),
где
Сe – эвтектическая концентрация,
К - коэффициент распределения (Сж/Cтв),
Сx - концентрация легирующего элемента в сплаве.
m = Bd,
где d – размер дендритной ячейки

Al3Fe, α(Al8Fe2Si), β(Al5FeSi)
Al15(Fe,Mn)3Si2
Al6(Fe,Cu,Mn), Al7FeCu2
Al9FeNi
Al8FeMg3Si6



Распределение легирующих элементов по сечению дендритных ячеек (Al) - слайд 23

1) растворение неравновесного избытка фаз кристаллизационного происхождения;
2) устранение внутрикристаллитной ликвации легирующих элементов;
3) распад алюминиевого раствора во время изотермической выдержки с образованием алюминидов переходных металлов (в сплавах, содержащих такие добавки);
4) изменение морфологии фаз кристаллизационного происхождения, не растворимых в твердом растворе

τP= (Qβ·A·d/2) / (D·S·(B+K·Qβ) ,
где
τP - время полного растворения β-фазы
d - размер дендритной ячейки;
Qβ - объемная доля неравновесной β-фазы;
S - суммарная поверхность ее включений;
D - коэффициент диффузии легирующего элемента в (Al);
A, В и К - коэффициенты, постоянные для сплава заданного состава

Структурные изменения при гомогенизации и закалке (продолжение слайда 33)

Деформация:
«холодная» - при комнатной температуре
теплая - между комнатной и
≤ 0,5-0,6 Тпл
горячая- выше 0,5-0,6 Тпл

а

б

1 - рекристаллизации нет;
2- полная рекристаллизация;
3- рекристаллизация начинается после деформации;
4- смешанная структура

КГД-деформация за счет сил трения по
поверхности дискового образца

Базовые системы легирования, маркировка.
Химический и фазовый состав.
Особенности структуры и свойств силуминов и литейных сплавов на основе систем Al – Mg, Al – Cu и Al – Zn – Mg

Базовая система США (АА) Россия (ГОСТ 1583-89)

Al-Cu 2XX.0 (224.0) (АМ5)
Al-Si-Cu, Al-Si-Mg,
Al-Si-Cu-Mg 3XX.0 (356.0) (АК12М2МгН)
Al-Si 4XX.0 (413.0) (АК12)
Al-Mg 5XX.0 (514.0) (АМг5К)
Al-Zn 7XX.0 (710.0)
Al-Sn 8XX.0 (850.0)

Базовая США (АА) Россия (ГОСТ 4784-74)
система Цифровая – (буквенная)
>99.0% Al 1ХХX (1180) 10YY – (АД1)
Al-Cu 2XXX (2024) 11YY – (Д16, АК4-1)
Al-Mn 3XXX (3005) 14YY – (АМц)
Al-Si 4XXX - - -
Al-Mg 5XXX (5086) 15YY – (АМг6)
Al-Mg-Si 6XXX (6010) 13YY – (АВ, АД31)
Al-Zn 7XXX (7075) 19YY – (В95)
Остальные 8XXX (8111) – - (АЖ0.8)

1) русские буквы, 2) латинские буквы

1. В какой области диаграммы состояния находятся составы алюминиевых сплавов с хорошими литейными свойствами?
2. Какие процессы идут при закалке деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов?
3. Модифицирование структуры литейных алюминиевых сплавов
4. Структура и свойства дуралюминов
5. Безмедистые силумины

Максимум Тпл – при
6 (d+s)-электронах,
когда максимальна
прочность сил меж-
атомной связи

При

Сильное окисление начинается
при т-рах 400-5000С.
Причины линейного окисления:
-низкая Тпл и Ткип оксида
(279 и 3630С у Re2O7, 795 и
14600С у МоО3),
-рыхлая крист. решетка, сильно
отличающаяся от маталла

С водородом металлы VI-группы и рений в
твердом состоянии не взаимодействуют
Металлы IV- и V-групп активно
взаимодействуют с водородом выше 250-3000С
с образованием гидридов
С азотом взаимодействуют все тугоплавкие
металлы, особенно IV группы, меньше других -
хром

Ме-основа (Мо, W, Nb, Ta) + растворимые добавки для повышения жаропрочности (те же металлы) и низкотемпературной пластичности (Ti, Zr, Hf, РЗМ)+ добавки , образующие фазы –упрочнители (С и другие металлоиды)

Дефект массы при потере или приобретении энергии: Δ m = Δ E/c2,
где Δ E – величина выделяющейся или приобретаемой энергии;
c – скорость света.
При образовании в результате синтеза ядер 1 кг гелия Δ m = 80 г. При этом выделяющаяся энергия Δ E = 4,47 ·1028 МэВ (как при сгорании 20 000 т угля).
При распаде ядер тяжелых элементов также образуется огромная энергия (при распаде ядер 1 кг U в 8 раз меньшая, чем при синтезе 1 кг He)

α - распад с выделением α–частицы (ядра гелия с М=4 и Z=2). При этом образуется новое ядро. Например, 226Ra88 → 4α2 + 222Rn86.
Позитронный или β+-распад (позитрон – 0e+1) Например, 30P15 → 0e+1 + 30Si14 + 0ν0 , где ν -нейтрино.
К – захват. Ядро захватывает электрон с оболочки своего атома (чаще всего с К –оболочки), который соединяется с протоном, образуя нейтрон.
Например, 55Fe26 + 0e-1→ 54Mn25 + 1n0.
При избытке нейтронов в ядре они распадаются: 1n0 → 1P1 + 0e-1 +0ν0.

Ядерные реакции – поглощение частиц –бомбардиров ядрами
Если частица не поглощается ядром, то говорят о рассеянии
Если частица поглощается ядром, то образуется короткоживущее (<10-16 сек) ядро, превращающееся в другое, испуская одну или несколько частиц
Возможно образование «возбужденных» ядер, которые отдают свой избыток энергии в виде электромагнитного излучения
Во всех ядерных реакциях Z и M остаются неизменными, а в результате реакции выделяется или поглощается энергия

P = F ⋅ N ⋅ d ⋅ σ,
где P – число ядерных процессов;
F – число частиц-снарядов;
d – толщина фольги–мишени;
N – число ядер.
-Размерность σ – барны (1 барн = 10-24 см2).
-Наилучшие частицы-бомбардиры – нейтроны, которые легко можно получать в реакторах и для которых не существует кулоновского барьера.

Си

Синтез ядер (идет
в термоядерных
реакциях) пока неуправляем

Реакцией
деления
можно
управлять

Коэффициент
размножения
K = ρ · f ·n,
где ρ - доля непоглощенных первичных нейтронов,
f – доля нейтронов от доли ρ, которые вызвали деление,
n- число новых нейтронов, образовавшихся при одном делении
К должен быть равен или больше 1 (но немного – до ~1,01), чтобы шла управляемая цепная реакция.
Если К=2, то произойдет атомный взрыв через 10-6 сек

1 – урановые стержни (ТВЭЛы);
2 – замедлитель (с минимальным P и атомным весом – графит,Be);
3 – отражатель (из материалов, подобных замедлителю);
4 – защита;
5 – регулирующий стержень
(с большим P)

1 – пруток ядерного горючего;
2 – внутренняя оболочка;
3 – внешняя оболочка;
4 – канал для теплоносителя

Изотопы урана:
234U (0,006%), 235U (0,712%), 238U (99,28%)

238U делится только быстрыми нейтронами с большой энергией. При взаимодействии с тепловыми нейтронами:
238U92 + n → 239U92 + γ
239U92 → 239Np93 + e-1
239Np93 → 239Pu94 + 0e-1
Значительного выделения энергии в этих реакциях не происходит.
238U является топливным сырьем для получения Pu.

235U является легко делящимся тепловыми нейтронами изотопом

Температура плавления урана ~1132 0С.
γ (ОЦК) – модификация U стабильна при охлаждении до 764 − 775 0С.
β-фаза (сложная тетрагональная решетка) – существует в диапазоне от 7750 − 665 0С
α (ромбическая решетка) – ниже 665 0С
Переход β →α происходит с сильным уменьшением объема (плотность увеличивается с 18,1 до 19,1 г/см3), это вызывает большие внутренние напряжения
Низкая электро – и теплопроводность
(ρ = 30 мкОм⋅ см)
■ Высокая химическая активность на воздухе (вплоть до самовозгорания порошка), в воде и многих др. средах, с жидкометаллическими теплоносителями взаимодействует слабо
- Природный уран радиационно практически безопасен

При комнатной т-ре
у чистого (99,95%) урана σв=300-500 МПа, δ=4-10%

Причины радиационного «роста»:
1) смещение атомов из положений равновесия,
2) внедрение продуктов деления в кристаллическую решетку,
3) возникновение «термических пиков»,
4) анизотропия кристаллической решетки
Свеллинг – газовое распухание при высоких температурах (>400 0С) из-за образования при делении ядер ксенона и криптона

Наблюдается при наличии сильной текстуры, устранение текстуры устраняет формоизменение
Чем крупнее зерно, тем меньше рост, но рельефней получается поверхность
Структурные изменения: рекристаллизация, полигонизация, образование пор

Скорость

Ск

Ск

Скорость роста падает
с ослаблением
текстурованности

Керамическое ЯГ – соединения U и др. радиоактивных металлов с металлоидами (O, C, N) – получают методами порошковой металлургии
Дисперсионное ЯГ – это композиты с дискретными частицами соединений радиоактивных металлов в нерадиоактивной матрице (металлической, графитовой или керамической)

232Th90 + n → 232Th90 + γ → 233Pa91 + 0e-1 → 233U92 + e
Т-ра плавления технического Th ~1690 0С.
При 1400 0С β-Th с ГЦК решеткой переходит в α-Th с ОЦК решеткой.
Плотность α- Th 11,65 г/см3,
Удельное электросопротивление 20-30 мкОм·см
КТР ~ 11,7 10-6 град-1 – в несколько раз меньше, чем у U
Имеет хорошую пластичность и изотропность свойств благодаря ГЦК решетке, но малопрочен (HV 40-80)
Высокая жаропрочность
Химическая активность ниже, чем у урана
Используется чаще всего в виде сплавов с ураном при повышенной концентрации 235U