книги / Термическое, термомеханическое и механическое поведение алюминия и его сплавов при различных методах их обработки

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

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

А.Л. Каменева, Н.В. Бублик

ТЕРМИЧЕСКОЕ, ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЕ

ИМЕХАНИЧЕСКОЕ ПОВЕДЕНИЕ АЛЮМИНИЯ

ИЕГО СПЛАВОВ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДАХ ИХ ОБРАБОТКИ

Монография

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2021

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 Термическое, термомеханическое и механическое поведение алюминия и его сплавов при различных методах их обработки : моногр. / А.Л. Каменева, Н.В. Бублик. – Пермь : Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2021. – 138 с.

ISBN 978-5-398-02521-7

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 магистров, аспирантов и ученых машиностроительных, металлургических и сварочных направлений подготовки.

УДК 669.24:669.295

2

1.8.Структурная зависимость покрытий Ti1-xAlxN

от изменения агрегатного состояния, теплофизических и физико-механических свойств алюминиевого

3

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

3.Зависимость обработки алюминия и алюминиевых сплавов в твердофазном состоянии от эволюции

3.3.Механизм формирования пористости в продольном сечении сварного шва в зависимости

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 физико-механических свойств при увеличении температуры, а также растрескивания и коробления при повышении температуры более 573 К.

В работе представлено современное решение проблемы получения соединений на основе алюминия с высокими физикомеханическими 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.

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 образцов к исследованию структуры, состава и испытанию свойств.

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

6

Ti1-xAlxN и сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О. Установлены особенности изменения физикомеханических и теплофизических свойств, а также термодинамической стабильности алюминия и его соединений в зависимости от температуры.

Приведены методики травления алюминия и алюминиевых сплавов, изготовления тестовых образцов для исследования и испытаний.

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 исследования:

1.Описать термическое, термомеханическое и механическое поведение алюминия и его сплавов при различных методах их обработки. Разработать способы управления теплофизическими свойствами алюминия и титана в процессе их электродугового испарения с целью получения многослойных наноструктурированных покрытий Ti1-xAlxN.

2.Изучить особенности сварки трения с перемешиванием алюминиевого сплава АА2024-О, влияние осевого усилия на инструмент, на эволюцию структуры и пористость сварного шва с использованием современного EBSD анализа.

3.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.

4.Установить корреляционную связь процессов испарения,

плавления, сварки и получения покрытий Ti1-xAlxN, сварных соединений на основе алюминиевых сплавов с физико-меха-

7

ническими и теплофизическими свойствами материалов, участвующих в этих процессах.

Исследование выполнено 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 кон-

струкций», № FSNM-2020-0026).

8

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

9

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

10