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

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

Содержание и методика проведения занятий

по теме

Алюминиевые сплавы и их применение в авиастроении

Содержание

преподавание материаловедение алюминиевый сплав

Введение

. Психолого-педагогические основы преподавания Материаловедения

. Содержание темы "Алюминиевые сплавы и их применение"

.1 Цветные металлы. Алюминий

.2 Алюминиевые сплавы. Дюралюминий и силумин

.3 Алюминий в авиастроении

. Методика проведения занятия по теме Алюминиевые сплавы и их применение

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Актуальность темы. На сегодняшний день в рамках российского образования необходимо, чтобы студенты технического профиля ориентировались в своей специализации, чтобы стать настоящим специалистом.

Национальная доктрина образования Российской Федерации в качестве одной из основных задач ставит подготовку высококвалифицированных специалистов, способных к профессиональному росту и профессиональной мобильности.

В основу исследования положено решение задачи формирования методологических и прикладных знаний на основе фактического материала, так как именно на базе фактического материала в сознание студентов должно проникать ясное представление о научном методе, характерном для материаловедения. Материаловедческое образование сегодня - это реальное образование для реального человека.

Имеющее место противоречие между объемом научных знаний и все возрастающей нагрузкой студентов нами предполагается преодолевать путем синтеза методологии и практики материаловедческой науки. Однако наряду с проблемой отбора материала существует проблема метода преподавания. Идея обучения методам общенаучных и материаловедческих исследований на базе конкретных знаний и научных приложений представляется интересной и с точки зрения развития у студентов повышенного познавательного интереса, и интеллектуальной инициативы.

Изложение прикладных вопросов курса материаловедения представляется важной формой, теоретического обобщения, изучение на занятиях основ фундаментальных научных теорий, применения методов, обобщение прикладных вопросов - все это важные предпосылки для формирования, научного мировоззрения студентов. К числу факторов, определяющих эффективность изучения прикладных вопросов, относится учет соответствия содержания- этих вопросов содержанию теоретического материала, изучаемого преимущественно в техническом вузе, и учет их научной значимости. Изучение методологических и прикладных вопросов в курсе «Материаловедение» технического вуза может способствовать тому, что дисциплина будет не просто содержательно воспроизводить адекватную науке систему знаний, упрощенную в дидактических целях, а позволит приобщить студентов к самостоятельному познанию, владея таким мощным орудием, как исследовательские методы.

Цель исследования содержание и методика проведения занятия.

Задачи:

рассмотреть психолого-педагогические основы преподавания Материаловедения;

изучить содержание темы "Алюминиевые сплавы и их применение";

рассмотреть методику проведения занятия по теме Алюминиевые сплавы и их применение

Объект исследования - процесс обучения дисциплине «Материаловедение».

Предмет исследования - процесс формирования методологических и прикладных знаний по материаловедению.

Структура работы. Дипломная работа состоит из введения, трех глав, заключения и списка литературы.

1. Психолого-педагогические основы преподавания Материаловедения

В реализации целей проблемного и развивающего обучения лежат активные методы. В научной литературе проблеме активных методов обучения посвящено немало исследований в области психологии и педагогики.

Психологические основы для разработки целостной концепции развивающего обучения были заложены еще в 1930-е годы в работах Л.С. Выготского, Д.Б. Эльконина, А.Н. Леонтьева, В.В. Давыдова и др., хотя систематические основы активных методов обучения стали широко разрабатываться только во второй половине 1960 и в начале 1970-х годов в исследованиях психологов и педагогов по проблемному обучению. Большую роль в становлении и развитии активных методов обучения послужили работы М.М.Бирштейн, Т.П.Тимофеевского, И.М.Сыроежина, С.Р.Гидрович, В.И.Рабальского, Р.Ф.Жукова, В.Н.Буркова, Б.Н.Христенко, А.М.Смолкина, А.А.Вербицкого, В.М.Ефимова, В.Ф.Комарова и т.д.

Системно были разработаны два основных направления развивающего обучения: В.В. Давыдова и Л.В. Занкова. В системе Л.В. Занкова были заложены принципы проведения обучения на высоком уровне трудности, быстром темпе прохождения учебного материала, повышения теоретических знаний. Данная система обучения должна развивать мышление, эмоциональную сферу обучаемых, учить понимать и выделять общий смысл, основное содержание читаемого, но эта система повлекла за собой увеличение объема учебного образования и усложнила его теоретический уровень. Что привело к перегрузке обучения и отрицательно сказалось на качестве и успеваемости обучаемых. Акцент на овладение теоретическими знаниями в процессе обучения отрицательно сказался на выработке практических умений и навыков. В связи с этим не все из предложенных Л.В. Занковым принципов обучения утвердились в педагогической науке.[20,34]

Система развивающего обучения В.В. Давыдова, направлена на познание, познавательную деятельность обучающихся. Если в традиционной системе обучение направленно от частного, конкретного, единичного к общему, абстрактному, целому, то в системе обучения В.В. Давыдова, наоборот, от общего к частному, от абстрактного к конкретному; знания усваиваются путем анализа условия их прохождения. Обучаемые учатся обнаруживать в учебном материале основное, существенное, всеобщее отношение, определяющее содержание и структуру объекта данных знаний, это отношение они воспроизводят в особых предметных, графических или буквенных моделях, позволяющих изучить свойства учебного материала в чистом виде; обучаемые учатся переходить от выполнения действий в умственном плане к выполнению их во внешнем плане и обратно. Данная система получила всестороннее применение и внедрение в практику обучения.[20]

М.А. Данилов, В.П. Есипов в своей работе "Дидактика" сформулировали некоторые правила активизации процесса обучения, отражающие некоторые принципы организации проблемного обучения: вести обучающихся к обобщению, а не давать им готовых определений, понятий; эпизодически знакомить обучающихся с методами науки; развивать самостоятельность их мысли с помощью творческих заданий. В этих направлениях была хорошо выражена цель преподавания, но не указан процесс обучения, средства и пути достижения цели. Далее, в 1965 году М.Н. Скаткин, анализируя исследования по активизации процесса обучения, акцентирует внимание на практику педагогов новаторов, и говорит о начале его исследования как нового направления в дидактике. [1]

Теория проблемного обучения разрабатывалась польскими дидактами Оконь, Купесевич, которые рассматривали ее в виде метода, но как систему. [3]

Как видно из вышесказанного проблемное и развивающее обучения включают в себя элементы друг друга. Применение в практике обучения этих видов привело к возникновению методов получивших название активные. В основе, которых лежит диалогическое взаимодействие преподавателя и студентов.

Свой вклад в развитие активных методов обучения внесли А.М. Матюшкин, Т.В. Кудрявцев, М.И. Махмутов, И.Я. Лернер, М.М. Леви и др. Но данные исследования по активным методам проводились, прежде всего, на материале школьного обучения, что затруднило внедрение активных методов в вузе, так как требовалась определенная адаптация для теории активных методов к вузовскому дидактическому процессу. В связи с этим проводилась дискуссия в периодических изданиях, в частности, журналом "Вестник высшей школы", проводились и специальные исследования, раскрывающие специфику проблемного обучения в вузе. А.М. Матюшкин в своих работах обосновал необходимость использования активных методов во всех видах учебной работы студентов, ввел понятие диалогического проблемного обучения как наиболее полно передающего сущность процессов совместной деятельности преподавателя и студентов, их взаимной активности в рамках "субъект - субъектных" - отношений.[27]

Среди исходных положений теории активных методов обучения была положена концепция «предметного содержания деятельности», разработанная академиком А.Н.Леонтьевым. В которой, познание является деятельностью, направленной на освоение предметного мира. Следовательно, она есть предметная деятельность. Вступая в контакт с предметами внешнего мира, человек познает их и обогащается практическим опытом как познания мира (обучения и самообучения), так и воздействия на него.

Учебный процесс с использованием активных методов обучения в условия вуза опирается на совокупность общедидактических принципов обучения и включает свои специфические принципы, которые предлагает А.А.Балаев, а именно:

. Принцип равновесия между содержанием и методом обучения с учетом подготовленности студентов и темой занятия.

. Принцип моделирования. Моделью учебного процесса выступает учебный план. В нем отражаются цели и задачи, средства и методы обучения, процедура и режим занятий, формулируются вопросы и задания, которые решают студенты в ходе обучения. Но также необходимо преподавателю смоделировать конечный результат, то есть описать «модель студента», завершившего обучение. А именно: какими знаниями (их глубина, широта и направленность) и навыками он должен обладать, к какой деятельности должен быть подготовлен, в каких конкретно форма должна проявляться его образованность. Полезно будет представить «модель среды», в которой учится и живет студент. Она поможет избежать отрыва от реальной действительности и ее проблем.

. Принцип входного контроля. Этот принцип предусматривает подготовку учебного процесса согласно реальному уровню подготовленности студентов, выявления их интересов, установления наличия или потребности в повышении знаний. Входной контроль дает возможность с максимальной эффективностью уточнить содержание учебного курса, пересмотреть выбранные методы обучения, определить характер и объем индивидуальной работы студентов, аргументированно обосновать актуальность обучения и тем вызвать желание учиться.

. Принцип соответствия содержания и методов целям обучения. Для эффективного достижения учебной цели преподавателю необходимо выбирать такие виды учебной деятельности студентов, которые наиболее подходят для изучения конкретной темы или решения задачи. В одном случае достаточно диалога, обсуждения проблемы. В другом необходимо использовать дополнительные источники информации: журналы, газеты и т.п. Или же нужно обратиться к смежным областям знаний, за консультацией к специалистам.

Так, например, ставя перед собой цель - ознакомить студентов с информацией по теме занятия, преподаватель может использовать материал лекции и владеть методом ее чтения. Но также ставится цель - не только изложения материала, информации, но и вооружить студентов этой информацией, для практического ее использования. Для этого и необходим данный принцип.

. Принцип проблемности. В этом случае требуется такая организация занятия, когда студенты узнают новое, приобретают знания и навыки через преодоление трудностей, препятствий, создаваемых постановкой проблем. Так А.М.Матюшкин, один из основателей теории проблемного обучения, утверждает, что именно проблемное построение занятия гарантирует достижение учебной цели.

Во время занятия ставятся вопросы, требующие поиска, что активизирует мыслительную деятельность студентов, а это важное условие эффективности обучения. М.И. Махмутов подчеркивает, что активность при обучении достигается в том случае, если учащийся анализирует фактический материал и оперирует им так, чтобы самому получить из него информацию.

. Принцип «негативного опыта». В практической деятельности вместе с успехом, допускаются и ошибки, поэтому необходимо учить человека избегать ошибок. Эта задача очень актуальна. В соответствии с данным принципом в учебный процесс, построенный на активных методах обучения, вносятся два новых обучающих элемента:

изучение, анализ и оценка ошибок, допущенных в конкретных ситуациях. Материалом для таких занятий могут быть критические публикации в периодической печати и реальные факты из жизни своей группы;

обеспечение ошибки со стороны студента в процессе освоения знаний, умений и навыков. Студентам предлагается для анализа ситуация или ставится проблемная задача, сформулированная таким образом, что при ее решении студент неизбежно допускает ошибку, источником которой, как правило является отсутствие необходимого опыта. Дальнейший анализ последовательности действий студента помогает обнаружить закономерность ошибки и разработать тактику решения задачи. Одновременно студент убеждается в необходимости знаний по данной проблеме, что побуждает его к более глубокому изучению учебного курса.

. Принцип «от простого к сложному». Занятие планируется и организуется с учетом нарастающей сложности учебного материала и применяемых методов в его изучении: индивидуальная работа над первоисточниками, коллективная выработка выводов и обобщений и т.д.

. Принцип непрерывного обновления. Одним из источников познавательной активности студентов является новизна учебного материала, конкретной темы и метода проведения занятия. Информативность учебного процесса, то есть насыщенность новым, неизвестным, привлекает и обостряет внимание студентов, побуждает к изучению темы, овладению новыми способами и приемами учебной деятельности. Но по мере усвоения знаний обостренность их восприятия постепенно начинает снижаться. Студенты привыкают к тем или иным методам, теряют к ним интерес. Для того чтобы этого не произошло, преподавателю необходимо постоянно обновлять новыми элементами построение занятий, методику обучения. Например, не проводить два анализа конкретных ситуаций в течение одного занятия, не применять одно и то же техническое средство обучения на двух занятиях подряд, наглядные средства - стенды, схемы, плакаты, диаграммы - вывешивать в аудитории в тот момент, когда в них возникает необходимость и т.д. Управляемый таким образом учебный процесс не даст погаснуть интересу и активности студентов.

. Принцип организации коллективной деятельности. Студенту часто приходиться сталкиваться с необходимостью решения, каких либо задач или принятия решений в группе, коллективно. Возникает задача развития у студентов способности к коллективным действиям.

Решение этой задачи в процессе занятий следует осуществлять по этапам. На первом этапе преподаватель выявляет с помощью групповой задачи наличие расхождений и сходства в подходах студентов к самой задаче и ее решению. На втором путем организации групповой работы над конкретной ситуацией у студентов формируется потребность в совместной деятельности, которая способствует достижению результата. На третьем этапе в условиях деловой игры вырабатываются навыки совместной деятельности, анализа и решения задач, разработки проектов и т.п. При этом, организуя коллективную работу на занятиях, преподаватель должен формулировать задания таким образом, чтобы для каждого студента было очевидно, что выполнение невозможно без сотрудничества и взаимодействия.

. Принцип опережающего обучения. Этот принцип подразумевает овладение в условиях обучения практическими знаниями и умение воплотить их в практику, сформировать у студента уверенность в своих силах, обеспечить высокий уровень результатов в будущей деятельности.

. Принцип диагностирования. Данный принцип предполагает проверку эффективности занятий. Например, анализ самостоятельной работы студентов над учебной ситуацией покажет, удачно ли тема вписывается в контекст курса, правильно ли выбран метод проведения занятий, хорошо ли студенты ориентируются в изучаемых проблемах, можно ли что-либо изменить к следующему занятию и т.д.

. Принцип экономии учебного времени. Активные методы обучения позволяют сократить затраты времени на освоение знаний и формирование умений, навыков. Так как усвоение знаний, овладение практическими приемами работы и выработка навыков осуществляется одновременно, в одном процессе решения задач, анализа ситуаций или деловой игры. Тогда как обычно эти две задачи решаются последовательно, вначале студенты усваивают знания, а затем на практических занятиях вырабатывают умения и навыки.

. Принцип выходного контроля. Обычно, выходной контроль знаний происходит после завершения обучения в форме экзамена, зачетов, собеседований, выполнения контрольных работ или рефератов с последующей их защитой. Но это формы проверки знаний не в каждом случае могут установить количество и качество приобретенных умений и навыков. Для выходного контроля успешно используются активные методы обучения: серия контрольных практических заданий, проблемных задач и ситуаций. Они могут быть индивидуальными и групповыми. [3]

Активные методы обучения при умелом применении позволяют решить одновременно три учебно-организационные задачи:

) подчинить процесс обучения управляющему воздействию преподавателя;

) обеспечить активное участие в учебной работе как подготовленных студентов, так и не подготовленных;

) установить непрерывный контроль за процессом усвоения учебного материала.

Таким образом, исходя из вышесказанного, отметим, что уже в начале ХХ века многие ученые педагоги и психологи видели необходимость в разработке новых методов обучения, для активизации учебной деятельности студентов.

Данная проблема остается актуальной и в настоящее время. В реализации целей проблемного и развивающего обучения лежат активные методы, которые помогают вести студентов к обобщению, развивать самостоятельность их мысли, учатся выделить главное в учебном материале, развивают речь и многое другое.

Как показывает практика, использование активных методов в вузовском обучении является необходимым условием для подготовки высоко квалифицированных специалистов и приводит к положительным результатам: они позволяют формировать знания, умения и навыки студентов путем вовлечения их в активную учебно-познавательную деятельность, учебная информация переходит в личностное знание студентов.

2. Содержание темы "Алюминиевые сплавы и их применение"

.1 Цветные металлы. Алюминий

Цветные металлы обладают комплексом ценных свойств, таких, например, как теплопроводность (алюминий, медь), низкую температуре плавления (свинец, олово), малый удельный вес (алюминий, магний) и другие. Однако применение их в чистом виде довольно ограничено. Широко применяются в промышленности сплавы цветных металлов - латуни, бронзы, баббиты (на основе меди, цинка, олова, свинца), а также дюраля мины и силумины (на основе алюминиевой мини), сплавы на основе титана, магния. На основе цветных металлов и их сплавов создаются также композиционные материалы и такие, которые производят методами порошковой металлургии.

Алюминий - легкий металл третьей группы периодической системы элементов, серебристо-белого цвета, с плотностью 2,7 г / см3, высокой электро-, теплопроводностью и коррозионной стойкостью (образует плотную поверхностную пленку оксида Al2О3). Температура плавления алюминия, в зависимости от чистоты металла, составляет 660... 667 ºC. Прокатный и отожженной алюминий высокой чистоты имеет прочность σв = 60 МПа, модуль упругости Е = 7 • 103 МПа, пластичность δ = 50 %, Ψ = 85%, твердость 25 НВ. Алюминий высоко пластичный, малопрочный материал, хорошо обрабатывается давлением, сваривается, но плохо поддается обработке резанием. Как конструкционный материал его не применяют. Постоянные примеси (Fe, Si, Ti, Mn, Cu, Zn, Cr) снижают физико-химические характеристики и пластичность алюминия: А999 (0,001% примесей), А995 (0,005% примесей), А99 (0,01% примесей), а также А97, А95.

Введение легирующих элементов позволило создать ряд алюминиевых сплавов с различными физико-механическими и технологическими свойствами. Сплавы алюминия сочетают в себе лучшие свойства чистого алюминия и повышенные характеристики легирующих элементов. Так, железо, титан, никель повышают жаропрочность сплавов; медь, марганец, магний обеспечивают рост прочностных характеристик. Легированием и соответствующей термической обработкой достигают повышения прочности алюминия (σв) от 100 до 500 МПа, твердости - от 20 до 150 НВ.

По технологии изготовления заготовок и изделий все промышленные сплавы алюминия разделяют на три группы: деформированные, литейные, испеченные.

Сплавы, подвергают деформированию, должны обеспечивать высокую технологическую пластичность для осуществления операций прокатки, ковки, прессования и тому подобное. Деформированные сплавы алюминия разделяют на те, которые укрепляют термической обработкой, и такие, которые не укрепляют.

К термически не крепких сплавов относятся технический алюминий (АД, АД1, АД0), сплавы алюминия с марганцем (узнают АМц) и сплавы с магнием и марганцем (обозначают АМг). Они обладают умеренной прочностью, пластичностью, хорошо свариваются, коррозионно устойчивы. В зависимости от состояния поставки листа (0,5... 10 мм) в обозначении марки сплава добавляют буквы. В случае поставки сплава в отожженном состоянии пишут букву М - мягкие (АМгМ), при незначительном наклепании - букву П (АМгП), при значительном - букву Н (АМгН). Так, прочность и пластичность сплава АМцН составляет σв = 220 МПа, δ = 5%, а сплава АМцМ - σв = 130 МПа, δ = 20%.

Мало нагруженные детали сварочных и клепаных конструкций, детали глубокой вытяжки изготавливают из сплавов типа АМцН, а также АМГ2М, АМг3М (σв = 170..200 МПа, δ = 4... 18%). Детали конструкций средней нагрузки и высокой коррозионной стойкости изготавливают из сплавов типа АМГ5М, АМг6М (σв = 280 МПа, δ = 15%). Из сплавов АМц и АМг изготавливают лист, прутки, проволока.

Термически укрепляемые сплавы алюминия по химическому составу и свойствам более разнообразны. Их разделяют на:

Сплавы повышенной пластичности АВ, АД31, АД33 (на ос новые системы Al-Mg-Si)

Конструкционные сплавы (Al-Cu-Mg) - дюраля мины марок Д1, Д16, Д18, В65;

Ковочные (Al-Mg-Si-Cu) марки АК6, АК8;

Высокопрочные (Al-Zn-Мg-Cu) марок В95, В96;

Жаропрочные сплавы систем (Al-Cu-Mg) марок АК4-1 и (Al- Cu-Mn) Д20.

Сплавы повышенной пластичности - Авиал (АВ, АД31, АД33) - содержат в своем составе, кроме алюминия, 0,4... 1,2% Мg, 0,3... 1,2% Si, 0,15...0,35% Mn, хорошо свариваются, коррозионно устойчивы. Термическая обработка их состоит из закалки от 515... 525 ºC и старения (естественного или искусственного). Искусственное старение проходит значительно быстрее и осуществляется при 160... 170 ºC в течение 12... 15 ч. сразу же после закалки. После закалки и искусственного старения свойства сплава АВ равны: σв = 260... 380 МПа, σт = 200... 250 МПа, δ = 14... 20%. Из сплавов АВ, АД3 изготавливают листы, трубы, прессованные профили, заготовки, кованые детали двигателей, лопасти винтов вертолетов и тому подобное.

Конструкционные сплавы (дюралюминий) широко применяются в различных отраслях техники. Их маркируют буквой Д, после которой стоит цифра, соответствующая условному номеру сплава. Термическая обработка Дюралюминий состоит из закалки от 500... 510 ºC (охлаждением в кипящей воде) и старения. Естественное старение осуществляют при комнатной температуре в течение 5... 7 суток, искусственное - при температурах 150... 190 ºC в течение 4... 12 ч или при 250 ºC в течение 2... 4 ч. Особенностью закаливания Дюралюминий необходимость соблюдать температурный режим, например, 505 ± 5 ºC (для Д1) и 500 ± 5 ºC (для Д16, Д18). Дюралюминий Д16 имеет наибольшую прочность после закалки и естественного старения: σв = 480 МПа, σт = 320 МПа, δ = 14% (лонжероны, шпангоуты, обшивки самолетов). Дюралюминий производят в виде письма, прессованных и катаных профилей, прутков, труб. Для повышения коррозионной стойкости их подвергают лакировке. Соответственно при маркировке таких сплавов добавляют букву А, например Д16А, Д1А. Сплавы Д18 и В65 являются основными алюминиевыми заклепочными сплавами. Наиболее широко дюралюминий применяются в авиационной промышленности и строительстве.

Алюминиевые сплавы, пригодные для ковки (ковочные), обозначаются буквами АК и относятся к системе Al-Cu-Mg-Si. Они пластичны, устойчивы к образованию трещин при горячей пластической деформации. Эти сплавы (АК6, АК8) по химическому составу близки к дюралюминию и отличаются высоким содержанием кремния (0,7... 1,2 %). Сплавы АК6 и АК8 применяют после закалки от 520 ± 5 ºC (АК6) и 505 ± 5 ºC (АК8) и искусственного старения при 160... 170 ºC в течение 12... 15 ч. после термической обработки механические свойства этих сплавов следующие: σв = 400 МПа, δ = 12% (АК6) σв = 480 МПа, δ = 19% (АК8). Однако оба сплавы имеют низкую коррозионную стойкость и требуют дополнительных мер по защите от коррозии. Из них изготавливают штампованные и кованые детали сложной формы и средней прочности (АК6) - под моторные рамы, Крепеж, а также высоко нагруженные штампованные детали (АК8), как пояса лонжеронов, лопасти винтов вертолетов, бандажи вагонов.

Высокопрочные алюминиевые сплавы (В95, В96) кроме меди и магния содержат в своем составе значительное количество цинка (5... 8,6%). Повышенную прочность этих сплавов обуславливает наличие в их структуре после закалки от 460... 470 ºC в воде и искусственного старения при 120... 140 ºC в течение 24... 16 ч. после термической обработки меха ночные свойства для сплава В95 такие: σв = 550... 600 МПа, σт = 530... 550 МПа, δ = 8%; для сплава В96 σв = 700 МПа, σт = 650 МПа, δ = 7%. Сплавы В95 и В96 применяют в самолетостроении для конструкций высокой нагрузки и длительной эксплуатации при температурах до 100 ºC. К недостаткам этих материалов относят невысокие пластичность, вязкость разрушения и низкую коррозионную стойкость под напряжением. Повышение этих характеристик способствует двухступенчатое смягчающее старения.

Жаропрочные сплавы используют для эксплуатации при температурах до 300 ºC (поршни, головки цилиндров, диски и лопатки компрессоров реактивных двигателей, обшивка сверхзвуковых самолетов). Наиболее распространены сплавы типа АК4-1 системы Al-Cu-Mg-Si с добавками железа и никеля; Д20 системы Al-Cu-Mn с добавками титана и циркония. После закалки от 530 ± 5 ºC и искусственного старения сплав АК4-1 имеет такие механические свойства: σв = 300... 180 МПа, σт = 190... 120 МПа, δ = 18... 12%. Сплав Д20 имеет следующие характеристики механических свойств: σв = 420 МПа, σт = 330 МПа, δ = 11%. Перспективными жаропрочных сплавов алюминия являются сплавы системы Al-Mg-Li, сочетающие высокую прочность, низкий удельный вес и достаточную жаропрочность.

Литейные сплавы алюминия используют для изготовления фасонных отливок различной формы и назначения. В их состав входят те же легирующие компоненты, и в деформированные сплавы, но в большем количестве (до 9... 13% для каждого компонента). Промышленность производит литейные алюминиевые сплавы (АЛ) марок от АЛ1 к АЛ33. При маркировке этих сплавов буква А означает, что сплав алюминиевый, буква Л - что сплав литейный, а цифра - порядковый номер сплава. По химическому составу литейные алюминиевые сплавы можно разделить на несколько групп. Например, алюминий с кремнием (АЛ2, АЛ4, АЛ9) или алюминий с магнием (АЛ8, АЛ13, АЛ22 и другие).

Типичными являются сплавы системы Al-Si (10... 13% Si) - силумины. Растворимость Si в Al мала (0,8% при 500 ºC 0,05% при 20 ºC). Поэтому сплавы, состоящие только из Al и Si, практически не укрепляются термической обработкой и в системе Al-Si могут быть сплавы, частично или полностью состоят из эвтектики. Введение в силумины Cu, Mg способствует укреплению сплава при старении; Ti, Zr измельчают структуру; Mn улучшает коррозионную стойкость; Ni и Fe повышают жаростойкость.

Свойства алюминиевых литейных сплавов зависят от способа литья и вида термической обработки, скорости охлаждения при твердении отливки и при закалке. Для литейных сплавов алюминия характерна более грубая крупнозернистая структура. Это приводит режимы их термической обработки. Поэтому для закалки силумины нагревают до 520... 540 ºC и выдерживают 5..10 ч для более полного растворения включений. Искусственное старение осуществляют при 150... 180 ºC в течение 10... 20 ч. с силуминов изготавливают детали, которые работают при небольших (АЛ2), средних (АЛ4) и вибрационных (АЛ8) нагрузках, а также при повышении до 150... 170 ºC температурах (АЛ1, ОВ) и др.

Испеченные алюминиевые порошки (САП) сплавы на основе Al и Al2О3 получают путем брикетирования порошка алюминия, вакуумной дегазации брикетов с последующим их спеканием под давлением. Содержание Al2О3 в испеченных сплавах алюминия находится в пределах от 6... 9% (САП1) до 18... 22% (САП4). Мелкие частицы Al2О3 тормозят движение дислокаций в сплаве и повышают его прочность. Жаростойкость САП материалов при длительном нагревании сохраняется до 500 ºC, а при кратковременном - до 1000 ºC.

По объемам производства медь занимает третье место после железа и алюминия. Запасы ее в земной коре равны 0,01%, в сульфидных рудах (CuFeS - медный колчедан, Cu2S -халькопирит, CuS - халькозин) - от 0,5 до 5%. Медь имеет ГЦК-кристаллическую решетку, температура плавления составляет тысячу тридцать восемь ºC, удельный вес ρ = 8,9 г / см3.

Получают медь с обогащенного концентрата (11... 35% Cu), который сначала обжигают при 600... 850 ºC для частичного снижения содержания серы, а затем для отделения от рудных примесей плавят при 1300... 1 500 ºC на штейн (сплав сульфидов Cu2S и Fe). Медный штейн содержит 16..60% Cu, а также S и Fe. Штейн переплавляют в специальном конвертере с продувкой расплава при 950... 1050 ºC и получают черновую медь, содержащая до 1... 2% примесей. Очищают черновую медь путем огневого или электролитического рафинирования. Чистая медь имеет 11 марок - М00б, М0б, М1Б, М1у, М1, М1р, М1ф, М2р, М3р, М2, М3. суммарное количество примесей в марке высокой чистоты М00б - 0,01%, а в марке М3 - 0,5%.

В зависимости от механических свойств различают также твердую медь - МТ и мягкую - ММ. Механические свойства чистой отожженной меди такие: σв = 220... 240 МПа, 40... 80 НВ, δ = 45... 50%, ψ = 60... 75%. Ценными свойствами меди является ее высокая электро-, теплопроводность, пластичность, низкая окисляемость. Для электротехнических нужд чистую медь поставляют в виде проволоки, прутка, ленты, листа, полосы и труб. Как конструкционный материал используют сплавы меди с оловом, цинком, алюминием, кремнием, марганцем и др. Легирования меди повышает ее механические, технологические и эксплуатационные свойства. В зависимости от химического состава различают три основные группы сплавов меди: бронзы, латуни и сплавы меди с никелем.

Бронзы - это сплавы меди с оловом, алюминием, марганцем, кремнием, бериллием, свинцом. В зависимости от основного легирующего элемента бронзы называют оловянистыми, алюминиевыми, бериллиевыми и др. Для повышения механических и особых свойств бронзы дополнительно легируют Fe, Ni, Ti, Zn, Р, для повышения коррозионной стойкости - Mn, пластичности - Ni, прочности - Fe, обрабатываемости резанием - Рb.

Маркируют бронзы буквами Бр, дальше буквами обозначают элементы, входящие в состав бронзы: О - олово, Ц - цинк, а - алюминий, С - свинец, Ж - железо, Мц - марганец, Б - бериллий и др. После этого цифрами указывают среднее содержание элементов в процентах (содержание меди цифрами указывают). Например, марка БрОЦ4-3 означает, что бронза содержит 4% олова, 3% цинка, остальное - медь; БрОЦС5-5-5 - бронза содержит олова, цинка и свинца по 5%, остальное - медь.

Оловянистые бронзы (БрО3, БрО6, БрОС25-8 и др.), В зависимости от содержания олова и фазового состояния, разделяют на однофазные (до 5 % Sn) со структурой α-твердого раствора и двухфазные (более 5% Sn).

Однофазные бронзы пластичны и хорошо поддаются деформированию, из них изготавливают фольгу, сетки, проволока, прутки, ленты и т.п. в твердом и мягком состояниях. Двухфазные оловянистые бронзы с большим содержанием олова (до 15... 20%) используют как литейные материалы для изготовления различных фасонных отливок. Их также дополнительно легируют цинком (4... 10%), свинцом (3... 6%), фосфором (0,4... 1,0%). Оловянистые бронзы коррозионно устойчивы в морской воде, NaOH, Na2СО3, устойчивые в растворах НNO3 и НСl, имеют достаточно высокие механические свойства: σв = 150... 350 МПа, 60... 90 НВ, δ = 3... 5%, хорошо обрабатываются резанием. Оловянистые бронзы типа БрОЦН3- 7-5 используют для арматуры, эксплуатируется на воздухе, в пресной воде, масле, паре и при температурах до 250 ºC; бронза типа БрОЦС5-5-5 - для антифрикционных деталей, арматуры и т.д.

Алюминиевые бронзы (4... 11% Аl) имеют высокую коррозионную стойкость, высокие механические и технологические свойства (БрАЖ9-4, БрАЖН10-4-4, БрКМц3-1, БрС30 и др.). Однофазные бронзы с содержанием алюминия до 8-9% хорошо обрабатываются давлением в горячем и холодном состоянии. Двухфазные бронзы с содержанием алюминия 9-11%, а также железа, никеля, марганца имеют большую прочность, подвергаются обработке давлением в горячем состоянии. Из алюминиевых бронз изготавливают арматуру трубопроводов для различных сред (кроме морской воды) и температур до 250 ºC (БрАЖ9-4, БрАЖ9-4Л) детали для эксплуатации в среде морской воды, винты, лопасти (БрАМц9-2Л0; втулки, подшипники скольжения (БрАМц10-2) фланцы, шестерни и другие ответственные детали (БрАЖМц10-3-1,5).

Марганцевые бронзы (БрМц5, БрМцС20-5) имеют сравнительно невысокие механические свойства, но высокую пластичность, коррозионную стойкость, жаропрочность. Из них изготавливают детали для теплоэлектростанций, котлы, вентили, задвижки, арматуру и т.д.

Бериллиевые бронзы содержат в своем составе 2... 2,5% Be (БрБ2), имеют очень ценный комплекс свойств: высокой химической стойкостью, теплостойкость, высокий порог упругости, хорошо обрабатываются резанием, имеют высокие механические свойства: σв = 1100... 1 300 МПа, 370 НВ, δ = 1%. Берилиевые бронзы закаливают в воде при температурах не выше 800 ºC и подвергают искусственному старению при 350 ºC. Используют бериллиевой бронзы для изготовления изделий ответственного назначения: упругие контакты, пружины, мембраны, без искровой инструмент для ведения взрывоопасных горных работ.

Кремниевые бронзы содержат в своем составе 1... 3% Si (БрКН1- 3, БрКМЦ3-1), служат заменителями оловянистых бронз (например, БрОЦС6-6-3). Они имеют высокие литейные свойства, коррозионную стойкость, упругость, допускают горячую обработку давлением и обработку резанием. С кремниевых бронз изготавливают прутки, полосу, отливки, заготовки для изделий, работающих при температурах до 500 ºC.

Свинцовая бронза (БрС30) широко используется в машиностроении как антифрикционный материал.

Латуни - это двойные или многокомпонентные сплавы меди, в которых основным легирующим элементом является цинк (до 45%). При большем содержании цинка в латуни снижается прочность и возрастает хрупкость. Содержание других легирующих элементов в специальных латунях не превышает 7... 9%.

Маркируют латуни буквой Л, после которой цифрой указывают содержание меди в процентах (например, сплав Л62 содержит 62% меди и 38% цинка). Если в составе латуни кроме меди и цинка есть еще другие элементы, то для их обозначения после буквы Л пишут начальные буквы названий этих элементов (О - олово, С - свинец, Ж - железо, Ф - фосфор). Процент содержания каждого из этих элементов показывают соответствующие цифры, стоящие после количественного показателя меди в латуни. Например, сплав ЛАЖ60-1-1 содержит 60% Си, 1% Al, 1% Fe и 38% Zn.

В зависимости от содержания Zn и структуры при комнатной температуре латуни делят на однофазные α-латуни (до 39% Zn) и двухфазные α + β-латуни (более 39% Zn). Если цинка в сплаве более 39%, образуется хрупкая β-фаза - твердый раствор на основе электронной соединения CuZn с ОЦК-решеткой.

Однофазные латуни (Л62, Л68, Л80) пластичны, легко деформируются. Снабжают их в виде полуфабрикатов - прутки, проволока, полоса, ленты и тому подобное. Из латуней типа Л62, Л68 изготавливают ленты, гильзы патронов, радиаторные трубки, проволока, фольгу. Латунь марки Л80 (томпак) имеет цвет золота. Используют ее при изготовлении ювелирных и декоративных изделий, а также для ответственных деталей. Механические свойства однофазных латуней (Л68, Л80, Л90) таковы: σв = 260... 320 МПа, 53... 55 НВ, δ = 45... 55%.

Двухфазные α + β-латуни мало пластичны, и изделия из них изготавливают в основном методом литья. С литейных латуней изготавливают арматуру, фасонное литье, втулки (ЛС59-1Л) антифрикционные детали (ЛМц58-2-2) коррозионостойкие детали (ЛА67-2,5) гребные винты, лопасти, арматуру, эксплуатируется до 300 ºC (ЛМцЖ55-3-1).

Дополнительное легирование латуней различными элементами повышает их эксплуатационные свойства. Так, легирования 1... 2% свинца улучшает обрабатываемость сплава резанием (ЛС59 - автоматная латунь) олово повышает коррозионную стойкость в морской воде; алюминий и никель повышают механические свойства. ЛАН59-3-2).

Сплавы меди с никелем (основной легирующий элемент) используют в качестве конструкционных и электротехнических материалов.

Куниаль (Cu-Ni-Al) содержат в своем составе до 15% Ni, 1,5... 3 % Al, остальное - медь. Такие сплавы подвергают термической обработке - закалке с последующим старением. Куниаль используют для определения производства деталей повышенной прочности, изготовление пружин, а также различных электромеханических изделий.

Нейзильберы (Cu-Ni-Zn) содержат в своем составе до 15% Ni, до 20% Zn, остальное - медь. Имеют цвет близкий к серебру, устойчивые к атмосферной коррозии. Эти сплавы используют в приборостроении, производстве часов.

Мельхиор (Cu-Ni + небольшие добавки до 1% Fe i Mn) имеют высокую коррозионную стойкость, в том числе в морской воде. Используются для изготовления теплообменных аппаратов, посуды, декоративных штампованных и чеканных изделий.

Копель (Cu-Ni-Mn) содержит в своем составе 45% Ni, 0,5% Mn, остальное - медь. Сплав с высоким удельным электросопротивлением используют в электротехнике, а также для изготовления электронагревательных элементов.

Манганин (Cu-Ni-Mn) - МНМц3-12 относят к реостатных сплавов, используют в электротехнике. Такое же применение имеет и константан.

Константин (Cu-Ni-Mn) - 40... 43% Ni, 0,5... 1,5% Mn, остальные - Медь (МНМц40-1,5).

Титан - серебристо-серый металл с температурой плавления +1672 ºC, с малым удельным весом (ρ = 4,5 г / см3) и высокой корозионной стойкостью относится к переходным металлам четвертой группы периодической системы элементов. Механические характеристики титана такие: σв = 270 МПа, 100... 140 НВ, δ = 25%. Прочность технически чистого титана зависит от чистоты металла. Примеси углерода, кислорода, водорода снижают его пластичность, сопротивление коррозии и свариваемость. Особенно вредными являются примеси водорода. Механические Свойства технически чистого титана (марки ВТ-0, ВТ1-00, ВТ-1) находятся на уровне свойств обычных конструкционных сталей. Из него изготавливают катаные и прессованные трубы, лист, проволока, поковки. Он хорошо сваривается, имеет высокие механические характеристики, коррозионную стойкость и жаропрочность, но трудно обрабатывается резанием, имеет низкие антифрикционные свойства.

Легирования титана определенными элементами позволяет существенно повысить его механические (σв≥ 1 500 МПа, δ = 10... 15%) и специальные свойства. Так, Al повышает жаропрочность и механические свойства титана, V, Mo, Cr, Mn - жаропрочность.

Титан является полиморфным металлом и существует в двух аллотропических модификациях - α и β. Температура полиморфного превращения равна 882,5 ºC. Ниже этой температуры титан имеет гексагональную кристаллическую решетку, а выше - решетку объемноцентрированного куба. Легирующие элементы, которые входят в состав промышленных титановых сплавов, образуя с титаном твердые растворы замещения, меняют температуру полиморфного превращения α - β. Такие элементы, как Al, В, N повышают температуру превращения, расширяют область существования α-твердого раствора на диаграмме состояния (α-стабилизаторы); элементы V, Mo, Cr, Mn, Fe снижают температуру превращения (β-стабилизаторы).

В зависимости от структуры равновесном состоянии титановые сплавы разделяют на α-сплавы (однофазные) и β-сплавы (двухфазные). Так, основными промышленными сплавами титана со структурой α + β является ВТ5 (4,5... 5% Al; 3,5... 4,5% V), ВТ8 (5,8... 6,8% Al; 2,8... 3,8% Mo). По технологическому назначению их разделяют на литейные и поддающиеся деформированию.

По прочности титановые сплавы разделяют на три группы:

Низкой прочности с σв = 300... 700 МПа (ВТ1)

Средней - с σв = 700... 1000 МПа (ВТ3, ВТ4, ВТ5)

Высокой прочности с σв> 1000 МПа (ВТ6, ВТ14, ВТ15) после закалки и старения.

Титановые сплавы можно подвергать всем основным видам термической обработки, а также химико-термической обработке, изменяя их свойства в нужном направлении. Литейные сплавы имеют более низкие механические свойства по сравнению с аналогичными деформированными. Для литья используют сплавы, соответствующие химические составляющие сплавов ВТ5, ВТ14, маркируют их с добавлением букв Л (ВТ5Л, ВТ14Л), или специальные литейные сплавы.

Титан и его сплавы используют в авиации и ракетостроении, химической промышленности, судостроении и криогенной технике.

Магний - наиболее легкий из цветных технических металлов - (ρ = 1,75 г / см3), не имеет аллотропических преобразований. Температура плавления магния 650 ºC. Технически чистый магний имеет низкие механические свойства (σв = 180 МПа, 30 НВ, δ = 5%), склонен к самовозгоранию, тепло- и электропроводность его низкие. Используется в технике в виде сплавов. В состав магниевых сплавов входят Al, Mn, Zn, Zr. При этом прочность возрастает до 360... 520 МПа. Сплавы магния подразделяют на: деформированные и литейные.

Деформированные магниевые сплавы предназначены для изготовления полуфабрикатов (пруток, лист, профиль) обработкой давлением. При нормальной температуре магний деформируется плохо. Для повышения пластичности его сплавов применяют обработку давлением при 360... 520 ºC в зависимости от марки сплава. Такие сплавы маркируют буквами МА и цифрами (МА1, МА2-1, МА14), которые означают порядковый номер сплава.

Сплав МА1 (содержит 1,3... 2,5% Mn) имеет хорошую технологическую пластичность, свариваемость и коррозионную стойкость. Относится к сплавам низкой прочности. Дополнительное легирование его цезием, примерно 0,2% (МА8), измельчает зерно, повышает механические свойства и способность к холодной деформации. Сплав МА2-1 относится к системе Mg-Al-Zn, имеет достаточно высокие механические свойства и технологическую пластичность. Подвергается всем видам листовой штамповки и прокатки. С деформированных магниевых сплавов изготовляют детали самолетов, автомобилей и прядильных станков.

Литейные магниевые сплавы используют для изготовления деталей методом литья. Их маркируют буквами МЛ и цифрами, означают порядковый номер сплава (МЛ5, МЛ, МЛ-10, МЛ-12). Например, сплавы МЛ5 и МЛ6 относятся к системе Mg-Al-Zn. Самыми распространенными из этой группы сплавов является МЛ5 (7,5... 9% Al; 0,2... 0,8% Zn; 0,15... 0,5% Mn). Отливки из магниевых сплавов иногда подвергают закалке с последующим старением. Некоторые сплавы МЛ применяют для высоконагруженных деталей авиационной промышленности (картеры, корпуса приборов, формы шасси и т.д.). Учитывая низкую коррозионную стойкость магниевых сплавов, изделия из них подвергают оксидированию с последующим нанесением на них лакокрасочных покрытий.

.2 Алюминиевые сплавы. Дюралюминий и силумин

Алюминиевые сплавы, пригодные для ковки (кованые), обозначают буквами АК, для литья - АЛ, а цифра - порядковый номер сплава.

Малый удельный вес, высокая коррозионная стойкость, высокие показатели удельного (относительной) прочности и прекрасный внешний вид алюминиевых сплавов обеспечивают им широкое использование во всех областях техники как конструкционного материала. Удельная прочность, то есть отношение предела прочности к удельному весу алюминиевых сплавов, значительно выше удельной прочности углеродистых и легированных сталей.

Все алюминиевые сплавы в зависимости от технологии изготовления из них полуфабрикатов и деталей делятся на две группы: литейные и деформируемых.

Силуминами называются сплавы алюминия с кремнием (Si = 6.14%). Они отличаются высокой жидкотекучестью, малой линейной усадкой (0,9-1,2%) и низкой склонностью к образованию трещин. Хорошие литейные свойства обусловлены высокой долей эвтектики в их составе. В состав большинства марок силуминов, кроме кремния, как основного легирующего элемента, входят марганец (0,2-0,6%), магний (0,2-0,55%), а также титан (0,1-0,3 %). Растворяясь в алюминии, легирующие элементы увеличивают прочность и твердость силуминов. В то же время марганец повышает антифрикционные свойства, а титан выполняет роль модификатора.

Больше всего можно улучшить механические свойства силуминов, измельчая их структуру. С этой целью до жидкого раствора сплава перед его разливкой добавляют небольшое количество натрия в соединениях NaF + NaCl. Кроме модифицирующего действия натрий сдвигает вправо эвтектическую точку системы А1-Si, в результате чего заэвтектические силумины переходят в доэвтектические. Силумины используют для изготовления мало и средне нагруженных литых деталей часто сложной конфигурации.

Диаграмма состояния силуминов показана на рис. 2.1

Самыми распространенными марками силуминов является АК12, АК9, АК8, АК7. Буквой А обозначено, что сплав алюминиевый, буквой К - кремний. Число после буквы К показывает среднюю массовую долю кремния в %.

Структура силуминов состоит из твердого раствора α и эвтектики α + Si. Кремний в эвтектике выглядит больших игл (рис. 2.1, в). Для измельчения эвтектики в силумин перед разливкой добавляют как модификатор до 0,1% натрия.

Таблица 2.1 Химический состав и свойства литых алюминиевых сплавов [ГОСТ 2685-75]

Примечания: 1. Определяет следующие виды литья: С - земля; О - оболочковые формы; В - модели выплавляемым; К - кокили; Д - литье под давлением; М - сплав при литье модифицируется. 2. Обозначает следующие виды термической обработки: Т4 - закалка; Т5 - закалка и частичное старение; Т6 - закалка и полное старение до максимальной твердости

Рис. 2.1. Диаграмма состояния сплавов Al-Si и схема влияния модифицирования на кристаллизацию в системе Аl - Si [36]: 1 - без модификации, 2 - после модификации

Микроструктура модифицированного силумина состоит из светлых участков твердого раствора α и мелкодисперсной эвтектики α + Si (рис. 2.2, б, г)

Рис. 2.2. Микроструктура (а, б) и схема структуры (в, г) силумина [13, 34]: а в - к модификации; б, г - после модификации

Микроструктура и свойства сплава АЛ2

Сплав АЛ2 - силумин с содержанием кремния, близким к эвтектическим (10-13%). Эвтектика в системе А1 - Cu образуется при содержании кремния 11,6% и состоит из кристаллов твердого раствора кремния и алюминия и кристаллов кремния. Сплав АЛ2 зависимости от содержания кремния может состоять из эвтектики и небольшого количества избыточной фазы. Так, в сплаве с 12% Cu (заэвтектических) структура состоит из кристаллов кремния (белого цвета) и эвтектики грубого строения, в которой кремний находится в виде больших игл. Силумин с такой структурой имеет низкие механические свойства. Если в жидкий сплав перед его кристаллизацией ввести небольшое количество (0,01 - 0,02%) натрия, то это приводит к измельчению включений кремния и повышения механических свойств силумина. Этот процесс искусственного регулирования размеров и формы кристаллов называется модифицирования. При модифицировании точка эвтектики смещается к более высоким концентрациям кремния и эвтектический сплав АЛ2 становится доэвтектических. Структура его состоит из первичных дендритов твердого раствора (светлый фон) и мелкой (дисперсной) эвтектики Cu (темный фон). Сплав АЛ2 термической обработке не подвергается.

Медные силумины, кроме алюминия содержат 4 - 22% кремния, 1-8 меди, а также 0,2-1,3 Мg, 0,2-0,8 Мп и 0,1-0, 3% Те. По сравнению с силуминами они немного хуже литейные свойства, но лучшие механические. Их марки АК5М, АК8М, АК12М2МгН и др. Числа после букв К, М, Н и Мг показывают среднюю массовую долю (в%) кремния, меди, никеля и марганца соответственно. Когда число после буквы отсутствует, массовая доля элемента составляет около 1%. Среди медных силуминов важно сплав марки АК8М, содержащий около 8% Cu, 1% Сu, а также Мg, Mn, Ti (0,3-0,4% каждого). Среди медных силуминов отдельного внимания заслуживает сплав марки АК8М, содержащий около 8% Si, 1% Сu, а также Мg, Mn, Ti (0,3-0,4% каждого). Медь и магний, имеют переменную растворимость в алюминии, способствуют укреплению сплава при термообработке: закалка и искусственного старения. Сплав АК8М имеет хорошую свариваемость и коррозионную стойкость. Из медных силуминов изготавливают корпуса компрессоров, головки и блоки цилиндров автомобильных двигателей.

Сплав АЛ6 - низкокремнистый силумин, содержащий 4,5-6,0% Si с добавками меди. Основой этого силумина является система А1 - Si - Сu (алюминий - кремний - медь). Микроструктура сплава АЛ6 состоит из кристаллов твердого раствора, двойной и тройной эвтектики. Через небольшое количество эвтектической составляющей отливки из сплава АЛ6 не поддаются упрочняющей термической обработке.

Сплав АЛ9 - низкокремнистый силумин (6,0-8,0% Cu) с добавками магния. Основой магниевых силуминов является система А1 - СИ - Мg. Основными структурными составляющими являются первичные кристаллы с двойной эвтектикой, а также вторичные кристаллы Мg2Sі, выделяемых из твердого раствора. При неравновесной кристаллизации выделяется также тройная эвтектика. Сплав АЛ9 подвергается закалке и старению. В структуре закаленного сплава присутствуют скоагулированные частицы кремния эвтектического происхождения и компактные включения нерастворимого составляющей (А1, Mn, Fe, Cu). Силицид Мg2Sи полностью переходит в твердый раствор и обеспечивает укрепление сплава при следующем старении.

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.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]

- 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]

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 α-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 500-600ºС прочность углеродистой стали снижается в два раза, а при 1000ºС - 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... 1200ºС 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. Организационный момент. Психологический настрой

Предлагается выбрать то лицо, которое соответствует настроению.. 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.. 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.

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.. 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:

.Географичне положения региона.

. Материалы и топливно-энергетическая база

.Основные центры.

. 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.. 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.. 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.

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

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

.        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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

.        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.

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

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

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

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

.        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.

.        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.

.        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.

.        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.

.        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.

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

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

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

.        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.

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

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

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

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

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

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

.        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.

.        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.

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

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

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

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

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

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

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

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