книги / Алюминий и его соединения структурные характеристики, теплофизические, и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трени

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

А.Л. Каменева, Н.В. Каменева, Д.П. Подузов

АЛЮМИНИЙ И ЕГО СОЕДИНЕНИЯ: структурные характеристики, теплофизические

ифизико-механические свойства

взависимости от термического состояния, особенности испарения

исварки трением с перемешиванием

Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2020

1

УДК 669.24:669.295 К18

Рецензенты:

д-р техн. наук, профессор Н.М. Антонова (Каменский институт (филиал)

ЮРГПУ (НПИ) имени М.И. Платова); канд. техн. наук, доцент Н.И. Сушенцов (Поволжский государственный технологический университет «Волгатех», г. Йошкар-Ола)

Каменева, А.Л.

К18 Алюминий и его соединения: структурные характеристики, теплофизические и физико-механические свойства в зависимости от термического состояния, особенности испарения и сварки трением с перемешиванием : учеб. пособие / А.Л. Каменева, Н.В. Каменева, Д.П. Подузов. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 140 с.

ISBN 978-5-398-02466-1

Представлено современное решение проблемы получения соединений на основе алюминия с высокими физико-механи- ческими свойствами за счет управления их теплофизическими свойствами при увеличении температуры. Изложены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О. Рассмотрены физико-механические и теплофизические свойства алюминия и титана технической чистоты в зависимости от температуры, а также методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, методы подготовки тестовых образцов к исследованию структуры, состава и испытанию свойств.

Предназначено для бакалавров, магистров, аспирантов и ученых машиностроительных, металлургических и сварочных направлений подготовки.

УДК 669.24:669.295

2

2.2.Эволюция структуры и дефектность катодного пятна легкоплавкого алюминия в зависимости

2.4.Корреляционная зависимость структуры

идефектности покрытий Ti1-xAlxN от изменения агрегатного состояния, теплофизических

ифизико-механических свойств алюминиевого

3

3.5.Изменение физико-механических и трибологических свойств нитридного соединения алюминия с титаном

4

5

ВВЕДЕНИЕ

Алюминий и его сплавы широко используются во многих отраслях техники: транспорте (авиационная промышленность, кораблестроение, вагоностроение), строительстве (металлоконструкции общего назначения) и упаковочной промышленности. Это можно объяснить его свойствами, такими как легкость, высокая удельная прочность, коррозионная стойкость.

Процессы испарения, плавления, сварки и получения соединений на основе алюминия и его сплавов связаны с проблемами его низкой температуры плавления, значительного ухудшения физикомеханических свойств при увеличении температуры, а также растрескиванияикоробленияприповышениитемпературыболее573 К.

В учебном пособии представлено современное решение проблемы получения соединений на основе алюминия с высокими физико-механическими свойствами за счет управления их теплофизическими свойствами при увеличении температуры.

Изложены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трениясперемешиваниемалюминиевого сплаваАА2024-О.

Приведены таблицы с физико-механическими и теплофизическими свойствами алюминия и титана технической чистоты в зависимости от температуры. Представлены методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, методы подготовки тестовых образцовкисследованиюструктуры, составаииспытаниюсвойств.

Изучена зависимость физико-механических и теплофизических свойств соединений на основе алюминия и его соединений от температуры. Выявлены особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О. Установлены особенности изменения физико-механических и теплофизических свойств, а также термодинамической стабильности алюминияиего соединенийвзависимостиоттемпературы.

6

Приведены методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, изготовлениятестовыхобразцовдляисследованияииспытаний.

Установлена корреляционная связь между процессами испарения, плавления, сварки и получения покрытий Ti1-xAlxN, сварных соединений на основе алюминиевых сплавов и физикомеханическими и теплофизическими свойствами материалов, участвующих в этих процессах.

Цели изадачи курса:

1.Понять поведение физико-механических и теплофизических свойств соединений на основе алюминия и его соединений в зависимостиоттемпературы.

2.Изучить особенности испарения алюминия и титана технической чистоты в процессе электродугового испарения, получения

многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN и сварки трениясперемешиваниемалюминиевого сплаваАА2024-О.

3.Понять особенности физико-механических и теплофизических свойств алюминия и его соединений в зависимости от температуры.

4.Уметь выбирать и применять методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, подготавливать тестовые образцы для исследования и испытаний; устанавливать корреляционную связь между процессами испарения, плавления, сварки и получе-

ния покрытий Ti1-xAlxN, сварных соединений на основе алюминиевых сплавов и физико-механическими и теплофизическими свойствами материалов, участвующих в этих процессах.

Настоящее пособие основано на результатах исследования, выполненного в рамках государственного задания Минобрнауки России на выполнение фундаментальных научных исследований (тема «Разработка теоретических и технологических основ и цифровых технологий проектирования функциональных композиционных материалов, многофункциональных нанопокрытий и диагностирующих информационных систем мониторинга высоконагруженных элементов авиационных конструк-

ций», № FSNM-2020-0026).

7

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Tпл – температура плавления ρ – плотность

C – теплоемкость

σв – предел прочности при растяжении σт – предел текучести σп – предел ползучести

σ0,2 – условный предел текучести, характеризующий переход от упругой деформации к пластической

E – модуль Юнга

G – модуль сдвига χ – теплопроводность

α – коэффициент теплового расширения Kи – коэффициент испарения

Vи – скорость испарения

ПЭМ – просвечивающая электронная микроскопия α, КТР – коэффициент линейного термического расширения ƟD – температура Дебая

ЭДИ – электродуговое испарение КР – кристаллическая решетка ТехП – технологические параметры ТемП – температурные параметры МР – магнетронное распыление Vнагр.подл – скорость нагрева подложки

Тнач.п – начальная температура покрытия Vнагр.п – скорость нагрева покрытия

Еп – полная энергия Ti1–xAlxN покрытия Тпокр – температура покрытия

МР+ЭДИ – магнетронное распыление и электродуговое испарение

НС – набегающая сторона СС – сбегающая сторона

8

СТП – сварка трением с перемешиванием ФМС – физико-механические свойства ОКР – область когерентного рассеяния АС – алюминиевые сплавы ЗТВ – зона термического влияния

ЗТМВ – зона термомеханического влияния НН – нормальное направление ПН – поперечное направление

ГЦК – гранецентрированная кубическая структура Тисп – температура испарения Тлит – температура литья

ТГА или ТГ – термогравиметрический анализ

9

1. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА АЛЮМИНИЯ

1.1. Структура алюминия

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

Выделяют четыре направления применения технического алюминия [3]:

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

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

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

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

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

Металлыпринимаюткристаллическуюструктуруприпереходе из расплавленного состояния в твердое. Атомы выстраиваются в

10