|
Реферат: Алюминий-литиевые сплавы (Физика)
Работу напечатала студентка V курса
группы керамика Петракова Екатерина.
Киев-2001.
Алюминий-литиевые сплавы являются новым классом широко известных
алюминиевых систем и характеризуются прекрасным сочетанием механических
свойств: малой плотностью, повышенным модулем упругости и достаточно
высокой прочностью. Это позволяет создавать аэрокосмическую технику с
меньшей массой, что даёт возможность экономии горючего, увеличения
грузоподъемности и улучшения других характеристик летательных аппаратов.
Алюминиевые сплавы, легированные литием, относятся к стареющим системам
и отличаются сложностью фазовых и структурных превращений в процессе их
термообработки. Эти изменения оказывают сильное влияние на характеристики
трещиностойкости, вязкости разрушения, коррозионной стойкости и
сопротивления циклическим нагрузкам. Поэтому их понимание представляет
большое научное и практическое значение.
Перечислю кратко основные свойства сплавов Al-Li. Увеличение содержания
лития уменьшает плотность алюминия. Добавки лития в пределах твердого
раствора приводят к непрерывному увеличению удельного сопротивления. Модуль
упругости алюминия возрастает с увеличением содержания лития. При
максимальной растворимости лития в твердом растворе модуль упругости
составляет 8000кГ/мм2. Увеличение содержания лития приводит к повышению
прочностных характеристик алюминия. При содержании лития до 2% прочность
сплавов возрастает без снижения пластичности, при дальнейшем увеличении
содержания лития пластичность резко снижается. Литий при концентрациях до
0,8% сообщает алюминиевым сплавам повышенную стойкость к коррозии, более
высокую, чем у чистого алюминия.
В данной работе я хочу остановиться на рассмотрении промышленных
алюминий-литиевых сплавах. Рассмотрим сначала их общую характеристику.
Повышенный интерес к легированию алюминиевых сплавов литием, самым
легким из металлов с плотностью ~ 0,54 г/см3, обусловлен тем, что каждый
процент лития снижает плотность алюминия на 3%, повышает модуль упругости
на 6% и обеспечивает в сплавах значительный эффект упрочнения после закалки
и искусственного старения.
К настоящему времени создан целый класс сплавов пониженной плотности
различного назначения;
сплавы для изготовления сварных конструкций;
высокопрочные сплавы для замены сплавов системы Al-Zn-Mg-Cu типа В95;
сплавы с высокой трещиностойкостью для замены сплавов типа Д16 системы
Al-Cu-Mg;
жаропрочные сплавы.
На базе системы Al-Mg-Li разработан оригинальный сплав 1420. Он самый
легкий (плотность 2,47г/см3), коррозионностойкий, свариваемый, имеет
сравнительно высокую (по сравнению с предыдущими сплавами) прочность и
повышенный модуль упругости (7500 кГ/мм2). Сплав закаливается как при
охлаждении в воде, так и на воздухе. Механические свойства сплава в
процессе старения при 200С не изменяются, что позволяет легко производить
всевозможные технологические операции по деформации в закаленном состоянии.
Этот сплав относится к среднепрочным и широко применяется в сварных
конструкциях, обеспечивая снижение массы до 20-25% при повышении жесткости
до 6%. Также из этого сплава изготовляют плиты, панели, профили, прутки,
листы (в состоянии Т1 (см. ниже)).
С целью повышения прочностных свойств, особенно предела текучести,
предложены модификации сплава 1420 (1421 и 1423), которые дополнительно
легированы скандием и различаются лишь содержанием магния.
Высокопрочные сплавы 1450 и1451 системы Al-Cu-Li характеризуются высокой
прочностью не только при комнатной, но и при повышенных температурах, а
также обладают хорошей коррозионной стойкостью. При замене сплава В95
сплавами 1450 и 1451 (последний предназначен главным образом для
изготовления листов) масса конструкции может снизиться на 8-10% при
повышении жесткости до 10%. Высокой жаропрочностью при температурах до
2250С обладает сплав ВАД23, дополнительно содержащий марганец и кадмий.
Для замены сплавов типа Д16 на базе системы Al-Mg-Li-Cu разработаны
сплавы 1430 и 1440 с более низкой (на ~ 8%) плотностью, повышенным (на 10%)
модулем упругости и достаточно высокой трещиностойкостью. Сплав 1430
отличается от сплава 1440 повышенной (в 1,5-2 раза) пластичностью и
несколько уступает ему по характеристикам малоцикловой усталости.
Интенсивные работы по созданию алюминий-литиевых сплавов велись также в
США, Великобритании и Франции. В середине 80-х годов появились сплавы 2090
системы Al-Cu-Li, 2091 системы Al-Cu-Li-Mg, 8090 и 8091 системы Al-Li-Cu-Mg
и публикация состава сплава Navalite системы Al-Mg-Li-Cu.
Сплавы 2090 (аналог отечественного сплава 1450) и 8091 предложены для
замены высокопрочных сплавов типа 7075 (отечественные сплавы типа В95), по
сравнению с которыми они имеют пониженную на 8-10% плотность и повышенный
модуль упругости.
Сплавы 8090 (аналог отечественного сплава 1440), 2091 и Navalite (аналог
сплава 1430) рекомендованы для замены сплавов средней прочности с
повышенной трещиностойкостью типа 2024 и 2014 (типа Д16 и АК8), по
сравнению с которыми они имеют пониженную (на ~ 8%) плотность и повышенный
(на ~ 10%) модуль упругости.
Химический состав (основных легирующих и примесных элементов) алюминий-
литиевых сплавов приведен в таблице 1.
ТАБЛИЦА 1. Химический состав, плотность ?n и модуль упругости Е алюминий-
литиевых сплавов
|Марка |Массовое содержание элементов, % |?, |Е, |
|сплава | |г/с|ГПа|
| | |м3 | |
| |Li |Mg |Cu |Zr |Sc |Fe |Si | | |
| | | | | | | |(не | | |
| | | | | | | |более| | |
| | | | | | | |) | | |
|1420 |1,8-2|4,5-6|- |0,08-|- |0,2 |0,15 |2,4|76 |
| |,3 |,0 | |0,15 | | | |7 | |
|1423 |1,8-2|3,2-4|- |0,06-|0,10-|0,15 |0,10 |2,5|77 |
| |,2 |,2 | |0,10 |0,20 | | |0 | |
|1430 |1,5-1|2,3-3|1,4-1|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,5|79 |
| |,9 |,0 |,8 |0,14 | | | |7 | |
|1440 |2,1-2|0,6-1|1,2-1|0,10-|- |0,15 |0,10 |2,5|80 |
| |,6 |,1 |,9 |0,20 | | | |6 | |
|1450 |1,8-2|?0,2 |2,7-3|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,6|79,|
| |,3 | |,2 |0,16 | | | | |5 |
|1451 |1,5-1|?0,2 |2,7-3|0,08-|- |0,15 |0,10 |2,6|78,|
| |,8 | |,2 |0,16 | | | |3 |5 |
|ВАД23 |0,9-1|- |4,8-5|0,4-0|0,1-0|0,3 |0,2 |2,7|76 |
| |,4 | |,8 |,8 Mn|,25 | | |2 | |
| | | | | |Cd | | | | |
|8090 |2,2-2|0,6-1|1,0-1|0,04-|- |0,30 |0,2 |2,5|79,|
| |,7 |,3 |,6 |0,16 | | | |4 |5 |
|8091 |2,4-2|0,5-1|1,6-2|0,08-|- |0,50 |0,3 |2,5|80 |
| |,8 |,2 |,2 |0,16 | | | |6 | |
|2090 |1,9-2|0,25 |2,4-3|0,08-|- |0,12 |0,1 |2,5|80 |
| |,6 | |,0 |0,15 | | | |9 | |
|2091 |1,7-2|1,1-1|1,8-2|0,04-|- |0,30 |0,2 |2,5|78 |
| |,3 |,9 |,5 |0,16 | | | |7 | |
|Navalite |1,6-2|1,7-3|0,9-1|0,14 |- |- |- |- |- |
| |,8 |,9 |,4 | | | | | | |
Отечественные сплавы несколько отличаются от соответствующих зарубежных
аналогов по содержанию основных легирующих элементов и дополнительным
комплексным микролегированием. Кстати, за рубежом нет аналога
отечественному сплаву 1420. Это объясняется значительными трудностями при
плавке и литье сплавов системы Al-Mg-Li. Поэтому зарубежные фирмы
сосредоточили свои усилия на разработке и освоении более технологичных, но
менее плотных, чем 1420, сплавов систем Al-Cu-Li и Al-Cu-Li-Mg.
В процессе освоения промышленного производства полуфабрикатов из сплава
1420 у нас были решены сложные технологические проблемы, характерные и для
других алюминий-литиевых сплавов, обусловленные:
присутствием химически активных элементов – лития и магния;
высокой степенью легирования, достигающей 14% (атомное содержание);
сильной локализацией деформации в полосах скольжения и интенсивным
упрочнением с резким уменьшением пластичности при холодной пластической
деформации;
отсутствием режимов смягчающего отжига, обеспечивающего разупрочнение и
повышение пластичности до уровня, необходимого для осуществления
значительной холодной деформации;
пониженной пластичностью и вязкостью разрушения в высотном направлении
массивных полуфабрикатов.
Большое внимание было уделено таким вопросам:
уменьшение газосодержания в сплаве;
повышение чистоты по таким примесям, как Na, K, Fe, Si;
отработка технологии получения полуфабрикатов с регламентированной
микроструктурой, включая листы с ультрамелкозернистой структурой для
сверхпластичной формовки;
отработка технологии сварки плавлением, обеспечивающей высокие ресурсные
характеристики.
Из алюмимний-литиевых сплавов изготавливают практически все виды
полуфабрикатов – прессованные, штамповки, плиты, листы.
Теперь рассмотрим влияние различных факторов на свойства промышленных
сплавов Al-Li.
Работоспособность алюминий-литиевых сплавов определяется главным образом
такими ресурсными характеристиками, как скорость роста трещины усталости,
коэффициент интенсивности напряжений в вершине трещины (Кс, К1с),
малоцикловая усталостная долговечность, сопротивление коррозионному
растрескиванию, расслаивающая и межкристаллитная коррозия.
На уровень указанных свойств большое влияние оказывает ряд факторов. К
наиболее важным факторам относятся:
. характер зеренной структуры: степень рекристаллизации, анизотропии
формы зерна, наличие и плотность выделений на границах зерен и
субзерен, наличие приграничных зон, свободных от выделений;
. холодная деформация растяжения между закалкой и старением
полуфабрикатов;
. режим искусственного старения.
Влияние зеренной структуры на свойства сплавов. Полуфабрикаты с
преимущественно рекристаллизованной структурой обладают более высокими
характеристиками вязкости разрушения и трещиностойкости при несколько
пониженных прочностных свойствах по сравнению с нерекристаллизованной
структурой.
Наилучшие результаты обычно получают на полуфабрикатах с мелким, близким
к равновесной форме, зерном. Однако повышение вязкости разрушения не всегда
связано с наименьшим размером зерна. Положительный эффект наблюдается также
на полуфабрикатах, в которых в процессе перестраивания выделяются частицы
вторичных фаз – Т2, S. Полуфабрикаты с рекристаллизованной структурой
характеризуются повышенным сопротивлением расслаивающей коррозии.
Если в листах алюминий-литиевых сплавов зерна имеют размеры | |
