5.2. Цветные металлы и сплавы

Остальные металлы и сплавы на их основе относятся к цветным, которые делятся на легкие, плотностью до 5 г/см (алюминий, цинк, магний и сплавы на их основе), и тяжелые, плотностью свыше 5 г/см (медь и сплавы на ее основе) (рис. 10). Алюминий – самый распространенный на земле металл, он составляет около 8,1% земной коры.

Производство алюминия состоит из трех основных стадий: получение глинозема (Al₃O₃), получение алюминия из глинозема, рафинирование алюминия.

Химическим и термическим путем из руд алюминия (бокситы, нефелины, алунит) выделяют глинозем (Al₂O₃), затем из глинозема электролитическим способом в электролизерах извлекают металлический алюминий. Полученный при электролизе алюминий содержит ряд примесей: металлических, неметаллических, газообразных и т.д. Для получения чистого алюминия его подвергают рафинированию путем хлорирования. Метод хлорирования заключается в продувке алюминия при температуре 750-760 °С хлором в течение 10-12 мин.

Недостатком чистого алюминия (без примесей других металлов) являются низкие твердость и прочность. При добавке к нему магния, меди, кремния, цинка, никеля прочность алюминия повышается. Комбинируя вид добавок и их количество (от 1,5 до 20%), получают алюминиевые сплавы с требуемыми физико-химическими, механическими и технологическими свойствами. Повышение прочности можно достигнуть пластическим деформированием (нагартовкой), закалкой и старением. Эти сплавы разделяют на две группы: литейные и обрабатываемые давлением (рис. 12).

Литейные сплавы применяют для производства фасонных отливок. К таким сплавам относят: силумин – сплав алюминия с кремнием (10-14%); сплав алюминия с медью (7-12%); вторичный алюминий – сплав алюминия с четырьмя компонентами: кремнием (3-7%), медью (1-4%), марганцем (0,4-0,8%) и цинком (0,5-1%).

Обрабатываемые давлением алюминиевые сплавы применяют для горячей и холодной прокатки в виде плит, листов, полос, лент для горячего прессования профилей, трубных заготовок, прутков с последующим их холодным волочением. К таким сплавам относят: альтмаг – сплав алюминия с магнием (2,8%); авиаль – сплав алюминия с медью (до 2,6%), магнием (0,8%), кремнием (1,2%) и марганцем (до 0,8%); дюралюминий – сплав алюминия с медью (до 5,5%), магнием (до 0,8), кремнием (до 0,8%) и марганцем (до 0,8%).

Рис.12. Классификация алюминиевых сплавов

Медные сплавы подразделяют по технологическим свойствам на деформируемые (обрабатываемые давлением) и литейные. По способности упрочняться с помощью термической обработки – на упрочняемые и неупрочняемые. По химическому составу медные сплавы подразделяют на две основные группы: латуни и бронзы.

При увеличении содержания примесей удельная электропроводность меди уменьшается.

Латуни (сплавы меди с цинком).

Бронзы – сплавы меди со всеми элементами, кроме цинка.

6. Механические свойства металлов

Механические свойства металлов – это предел текучести, временное сопротивление, относительное удлинение, предел прочности при изгибе, твердость, ударная вязкость.

При испытании на растяжение строят диаграмму растяжения (рис. 13). Для одних металлов (низко- и среднеуглеродистых сталей) фиксируется площадка текучести, указывающая на способность металла претерпевать значительные пластические деформации; для других металлов (высокоуглеродистые стали) такая площадка отсутствует.

а б в

Рис. 13. Диаграмма растяжения пластичного металла (а) и диаграммы условных напряжений пластичного (б) и хрупкого (в) металлов. Диаграмма истинных напряжений (штриховая линия)

Предел текучести (σ )определяют либо как напряжение, соответствующее нижнему пределу площадки текучести, либо – для металлов, не имеющих площадки текучести, – как напряжение, при котором достигается некоторая остаточная деформация (обычно 0,2%)

σ = Р /А ,

где Р - соответствующая нагрузка;

А - площадь первоначального сечения шейки образца.

Временное сопротивление (σ ) определяют как предел прочности металла на растяжение по формуле

σ = Р / А ,

где Р - нагрузка, соответствующая разрыву образца.

Относительное удлинение характеризует пластичность металлов. Определяют ее как отношение приращения длины образца к его исходной длине по формуле

Δ = (l – l ) 100/l ,

где l - максимальная длина образца (в момент разрыва);

l - первоначальная длина образца.

На изгиб испытывают малопластичные материалы: чугуны, инструментальные стали, стали после поверхностного упрочнения. Испытания проводят на образцах большой длины цилиндрической или прямоугольной формы (l : h > 10) по схеме балочки на двух опорах (рис. 14). Используют две схемы нагружений: сосредоточенной силой (рис. 14, а) и двумя симметричными силами (рис. 14, б).

Рис. 14.Схема испытаний на изгиб:

а - сосредоточенной силой, б - двумя симметричными силами

Предел прочности при изгибе вычисляют по формуле

σ = M/W,

где М – наибольший изгибающий момент;

W – момент сопротивления поперечного сечения балки,

для образцов круглого сечения

W = /32 (где d – диаметр образца),

для образцов прямоугольного сечения

W = bh /6 (b, h – ширина и высота образца).

Твердость – это способность материала сопротивляться внедрению другого более твердого тела. Для металлов твердость определяют методами Бринелля (ГОСТ 9012-59) (рис. 15, а), Виккерса (ГОСТ 2999-75) (рис. 15, б), Роквелла (ГОСТ 9013-59).

При определении твердости по Бринеллю в поверхность материала вдавливают закаленный стальной шарик диаметром (D) 10; 5; или 2,5 мм при действии нагрузки от 5000 до 30000 Н. После снятия нагрузки на поверхности образуется отпечаток в виде сферической лунки диаметром d (рис. 15, а). диаметр лунки измеряют с лупой.

Число твердости по Бринеллю (НВ) определяют путем деления нагрузки Р на площадь поверхности сферического отпечатка по формуле

НВ = .

Способ измерения твердости по Бринеллю используют для материалов малой и средней твердости.

Рис. 15. Определение твердости по методу Бринелля (а) и Виккерса (б)

а б

При определении твердости по методу Виккерса в поверхность материала вдавливают четырехгранную алмазную пирамиду с углом при вершине 136 (рис. 15, б). Отпечаток получается в виде квадрата, диагональ которого измеряют и число твердости (HV) вычисляют по формуле

HV =0,189 .

При определении твердости по методу Роквелла в поверхность вдавливают алмазный конус с углом при вершине 120 , а число твердости отсчитывают непосредственно со шкалы твердомера.

Ударная вязкость – это способность материала сопротивляться разрушению под действием динамической нагрузки. Определяется на маятниковых копрах (рис. 16).

Рис. 16. Схема маятникового копра (а) и испытание на удар (б):

1 – образец; 2 – маятник; 3 - шкала; 4 – стрелка шкалы; 5 - тормоз

Стандартный образец устанавливают на две опоры и посередине наносят удар, приводящий к разрушению образца. По шкале маятникового копра определяют работу К, затраченную на разрушение, и рассчитывают ударную вязкость КС по формуле

КС = К/S ,

где S – площадь поперечного сечения образца в месте надреза.