Прочность алюминия: Прочность алюминия

Механические свойства алюминиевых сплавов

Что такое механические свойства?

Механические свойства алюминия, как и других материалов – это свойства, которые связаны с упругой и неупругой  реакцией материала на приложение к нему нагрузки, в том числе, зависимость между напряжениями и деформациями. Примерами механических свойств являются:

• модуль упругости (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел прочности (при растяжении, при сжатии, при сдвиге)
• предел текучести
• предел усталости
• удлинение (относительное) при разрыве
• твердость.

Механические свойства часто ошибочно относят к физическими свойствам.

Механические свойства материалов, в том числе, алюминия и его сплавов, которые получают путем испытания материала на растяжение, например, модуль упругости при растяжении, прочность при растяжении, предел текучести при растяжении и относительное удлинение называют механическими свойствами при растяжении.

Модуль упругости

Модуль упругости, который часто называют модулем Юнга – это отношение напряжения, которое приложено к материалу, к соответствующей деформации в том интервале, когда они являются прямо пропорциональными друг к другу.

Различают три типа напряжений и соответственно три типа модулей упругости для любого материала, в том числе для алюминия:

• модуль упругости при растяжении
• модуль упругости при сжатии
• модуль упругости при сдвиге (сдвиговый модуль упругости).

Таблица – Модули упругости при растяжении алюминия и других металлов [1]

 

Рисунок 1 – Кривые растяжения алюминия и низкоуглеродистой стали [4]

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов в алюминиевых сплавах на их плотность т модуль упругости [4]

Прочность при растяжении

Отношение максимальной нагрузки перед разрушением образца при испытании его на растяжение на исходную площадь поперечного сечения образца. Также применяются термины «предел прочности при растяжении» и «временное сопротивление разрыву».

Рисунок 3 – Кривые растяжения алюминия в сравнении и различными металлами и сплавами [4]

Предел текучести

Напряжение, которое необходимо для достижения заданной малой пластической деформации в алюминии или другом материале при одноосной растягивающей или сжимающей нагрузке.

Если пластическая деформация под воздействием растягивающей нагрузки задается как 0,2 %, то применяется термин «предел текучести 0,2 %» (R_p0,2).

Рисунок 4 – Типичная диаграмма напряжение-деформация
для алюминиевых сплавов

Удлинение (при разрыве)

Часто называется «относительным удлинением». Увеличение расстояния между двумя метками на испытательном образце, которое возникает в результате деформирования образца при растяжении до разрыва между этими метками.

Величина удлинения зависит от размеров поперечного сечения образца. Например, величина удлинения, которая получена при испытании алюминиевого листового образца будет ниже для тонкого листа, чем для толстого листа. Тоже самое относится и к прессованным алюминиевым профилям.

Рисунок 5 – Влияние легирующих элементов на прочностные свойства и относительное удлинение [4]

Удлинение А

Удлинение в процентах после разрыва образца при исходном расстоянии между метками  5,65 · √ S₀, где S₀ – исходная площадь поперечного сечения испытательного образца. Устаревшее обозначение этой величины А₅ в настоящее время не применяется. Аналогичная величина в русскоязычных документах обозначается δ₅.

Легко проверить, что для круглых образцов это расстояние между исходными метками вычисляется как 5·d.

Удлинение А

_50мм

Удлинение в процентах после разрыва образца по отношению к исходной длине между метками 50 мм и постоянной исходной ширине испытательного образца (обычно 12,5 мм). В США применяется расстояние между метками в 2 дюйма, то есть 50,8 мм.

Сдвиговая прочность

Максимальное удельное напряжение, то есть максимальная нагрузка, разделенная на исходную площадь поперечного сечения, которую выдерживает материал при испытании на сдвиг. Сдвиговая прочность обычно составляет около 60 % от прочности при растяжении.

Сдвиговая прочность является важной характеристикой качества заклепок, в том числе, алюминиевых.

Рисунок 6 – Прочность на сжатие, прочность на сдвиг, несущая прочность и
твердость различных алюминиевых сплавов [4]

Коэффициент Пуассона

Отношение между продольным удлинением и поперечным сокращением сечения при одноосном испытании. Для алюминия и всех алюминиевых сплавов во всех состояниях коэффициент Пуассона обычно составляет 0,33 [2].

Твердость

Сопротивление металла пластическому деформации, обычно измеряемое путем отпечатка.

Твердость Бринелля (HB)

Сопротивление проникновению сферического индентора при стандартизированных условиях.

Для алюминия и алюминиевых сплавов твердость НВ приблизительно равна 0,3·R_m, где R_m – предел прочности при растяжении, выраженный в МПа [2].

Если применяется индентор из карбида вольфрама, то применяется обозначение HBW.

Твердость Викерса (HV)

Сопротивление проникновению алмазного индентора в виде квадратной пирамиды при стандартизированных условиях. Твердость HV приблизительно равна 1,10·HB [2].

Усталость

Тенденция металла разрушаться при длительных циклическом напряжении, которое значительно ниже предела прочности при растяжении.

Рисунок 7 – Различие в усталостном поведении низкоуглеродистой стали иалюминиевых сплавов [3]

Усталостная прочность

Максимальная амплитуда напряжения, которую может выдерживать изделие при заданном количестве циклов нагружения. Обычно выражается как амплитуда напряжения, которая дает 50%-ную вероятность разрушения после заданного количества циклов нагружения [2].

Усталостная выносливость

Предельное напряжение, ниже которого материал будет выдерживать заданного количество циклов напряжения [2].

Механические свойства алюминия и алюминиевых сплавов

В таблицах ниже [3] представлены типичные механические свойства алюминия и алюминиевых сплавов:

• предел прочности при растяжении
• предел текучести при растяжении
• удлинение при растяжении
• усталостная выносливость
• твердость
• модуль упругости

Механические свойства представлены отдельно:

• для алюминиевых сплавов, упрочняемых нагартовкой.
• для алюминиевых сплавов, упрочняемые термической обработкой.

Эти механические свойства – типичные. Это означает, что они годятся только для сравнительных целей, а не для инженерных расчетов. В большинстве случаев они являются средними значениями для различных размеров изделий, их форм и методов изготовления.

Источник:

1. Материалы Алюминиевой ассоциации Германии
2. Global Advisory Group GAG – Guidance “Terms and Definitions” – 2011-01
3. Aluminium and Aluminium Alloys. – ASM International, 1993.
4. TALAT 1501

 

Механические свойства алюминия в зависимости от примесей.

Механические свойства алюминия зависят от степени чистоты, вида и режимов его обработки, температуры и других факторов. С возрастанием степени чистоты прочность и твердость алюминия уменьшается, а пластичность возрастает. Модуль упругости при 20°С для металла чистотой 99,25 % составляет 69,65 ГПа, а для электролитически рафинированного алюминия чистотой 99,98 % 65,71 ГПа.

С повышением температуры прочность алюминия  снижается,  а  пластичность  возрастает.

Зависимость механических свойств алюминия от степени его чистоты

Механические свойства	Степень чистоты алюминия, %
	98,0	99,0	99,5	99,996	99,0
	для литого в землю				для литого в кокиль и для отожженного	для деформированого
σв, МПа	88,3	83,3	73,5	49,0	88.3	137.3
δ, %	12,5	20,0	29,0	45,0	30	19
HB	274,6	245,2	284,4	137,3	245,2	313,8

Влияние температуры на механические свойства отожженной алюминиевой проволоки (0,20 % Si, 0,15 % Fe, следы меди)

Механические свойства	Температура, °С
	20	100	200	300	400	500	600	625
σв, МПа	74,4	65,3	55,0	37,3	28,4	21,3	12,2	8,3
δ, %	42,0	42,0	42,6	44,0	44,7	43,3	41,1	36,0
φ, %	94,2	94,8	95,1	96,5	98,1	99,0	99,4	99,7

При температуре вблизи точки плавления механические свойства загрязненного алюминия могут резко ухудшиться из-за ослабления границ зерен и межкристаллитного разрушения. Температура резкого разупрочнения у литого алюминия чистотой 99,988 % равна 654°С, а чистотой 99,998 % — 656°С.

Алюминий обладает высокой способностью к деформации; его пластичность возрастает с повышением чистоты. Алюминий чистотой 99,995 % можно подвергнуть очень большим вытяжкам, например с диаметра 80 до диаметра 0,1 мм.

При увеличении степени деформации прочность алюминия увеличивается, а удлинение уменьшается

Механические свойства	Степень деформации, %
	0	33	83
σв, МПа	53,9	89,2	119,6
δ, %	51,9	11,9	6,9

Легирование алюминия высокой степени чистоты повышает его прочность, но понижает его пластичность как при комнатной, так и при пониженных температурах .

Например, добавление 0,5 % Fe к алюминию чистотой 99,99 % приводит к повышению σ_в с 88,3 до 219,7 МПа (нагартованный металл) и с 49,0 до 99,1 МПа (отожженный алюминий).

Механические свойства листов по ГОСТ 21631-76

Марка алюминия	Обозначение сплава и состояние материала	Состояние испыты­ваемых образцов	Толщина листа, мм	Механические свойства при растяжении
				Времен­ное сопротив­ление σв, МПа (кгс/мм2)	Относи­тельное удлинение при l=11,3√F* δ, %
				Не менее
Предел текучести σв отсутствует Для испытаний на удлинение используются длинные образцы, где l — участок образца в мм, на котором определяют удлинение,а F — начальная площадь поперечного сечения в рабочей части образца в мм2
А7, А6, A5, А0, АД0, АД1. АД00, АД	А7М, А6М, А5М, А0М, АД0М, АД1М, АД00М, АДМ	Отожженные	От 0,3 до 0,5 Св. 0,5 » 0,9 » 0,9 » 10,5	60(6,0) 60(6,0) 60(6,0)	20,0 25,0 30,0
	А7Н2, А6Н2, А5Н2, А0Н2, АДОН2, АД1Н2, АД00Н2, АДН2	Полунагар- тованные	От 0,8 до 4,5	100 (10,0)	6,0
	А7Н, А6Н, А5Н, А0Н, АД0Н, АД1Н АД00H, АДН	Нагартован- ные	От 0,3 до 0,8 Св. 0,8 » 3,5 » 3,5 » 10,5	145 (15,0) 145(15,0) 130(13,0)	3,0 4,0 5,0
	А7, А6, А5, А0, АД0, АД1, АД00, АД	Без термической обработки	От 5,0 до 10,5	70 (7,0)	16,0

Алюминиевые сплавы — предел текучести и предел прочности при растяжении

Алюминий

имеет типичную прочность на растяжение от 40 МПа до 700 МПа. Механическая прочность алюминия может быть повышена путем холодной обработки и легирования. В качестве легирующих элементов используются медь, магний, кремний, марганец и цинк. Алюминий не становится хрупким при низких температурах и сохраняет пластичность.

Типичные значения предела текучести при комнатной температуре, предела прочности на растяжение и пластичности для некоторых алюминиевых сплавов приведены в следующей таблице.

Значения предела текучести, прочности на растяжение и пластичности для Алюминиевые сплавы
Материал	Предел текучести	Прочность на растяжение	% Удлинн.
	МПа (фунтов на квадратный дюйм)	МПа (фунтов на квадратный дюйм)
Алюминиевый сплав 1100 отожженный (отпуск O)	34 (5)	90 (13)	40
Алюминиевый сплав 1100 Деформационно-упрочненный (отпуск h24)	117 (17)	124 (18)	15
Алюминиевый сплав 2024 Отожженный (O Temper)	75 (11)	185 (27)	20
Алюминиевый сплав 2024 Термическая обработка и старение (отпуск T3)	345 (50)	485 (70)	18
Алюминиевый сплав 2024 Термическая обработка и старение (отпуск T351)	325 (47)	470 (68)	20
Алюминиевый сплав 6061 Отожженный (отпуск O)	55 (8)	124 (18)	30
Алюминиевый сплав 6061 Термическая обработка и старение (отпуски T6 и T651)	276 (40)	310 (45)	17
Алюминиевый сплав 7075 Отожженный (отпуск O)	103 (15)	228 (33)	17
Алюминиевый сплав 7075 Термообработанный и состаренный (отпуск T6)	505 (73)	572 (83)	11
Алюминиевый сплав 356,0 В роли	124 (18)	164 (24)	6
Алюминиевый сплав 356. 0 Термическая обработка и старение (состояние Т6)	164 (24)	228 (33)	3,5

Свойства материала алюминия:

• Коэффициент линейного теплового расширения алюминия
• Удельная теплоемкость алюминия
• Модуль Юнга алюминия
• Плотность алюминия

Артикул:

• Каллистер.В.Д., мл. (2007). Материаловедение и инженерия: введение . 7-е издание. Джон Вили и сыновья, Inc.

Насколько прочен алюминий? — Aluminium Handrail Direct

Если бы вас попросили назвать прочный металл, вам бы на ум пришел алюминий? Это маловероятно. В конце концов, Супермен известен как Человек из стали, а Железный человек не борется со злом, надевая высокотехнологичную алюминиевую броню. Конечно, восприятие и реальность часто сильно отличаются. Насколько прочен алюминий? Хотя этот материал используется для бесчисленных приложений, этот вопрос редко исследуется, и ответ на него может быть на удивление сложным. Тем не менее, один факт ясен: алюминий является предпочтительным металлом во многих ситуациях, потому что он достаточно прочен, чтобы выполнять свою работу.

Насколько прочен алюминий?

Как определяется прочность металла? На самом деле есть несколько различных качеств, которые стоит учитывать при попытке решить, насколько прочным является материал:

• Прочность на сжатие измеряет, насколько хорошо материал сопротивляется сжатию или уплотнению.
• Прочность на растяжение измеряет, насколько хорошо вещество сопротивляется разрыву.
• Предел текучести измеряет, насколько хорошо что-то сопротивляется изгибу или изменению формы.
• Ударная вязкость измеряет, насколько хорошо материал выдерживает удар без разрушения.

Материалы, которые преуспевают в одной из этих областей, часто плохо себя чувствуют в других, поэтому определить, насколько прочным на самом деле является тот или иной материал, может быть сложной задачей.

Определение прочности алюминия

Алюминий — достаточно пластичный металл, поэтому вы вряд ли найдете его в чьем-либо списке самых прочных металлов. Тем не менее, он определенно прочнее многих других материалов. Фактически, баланс пластичности и прочности алюминия является частью того, что делает его таким полезным и универсальным материалом. Производители могут формировать его по мере необходимости, но при этом быть уверенными в его прочности и долговечности.

Алюминий также хорошо сохраняет свою прочность, в отличие от некоторых других металлов. Например, сталь может быть более прочным материалом в идеальных условиях, но она становится хрупкой при низких температурах и подвержена коррозии. Напротив, алюминий не боится изменений температуры и естественным образом сопротивляется ржавчине. Кроме того, алюминий сияет, когда вес имеет значение. Он весит примерно одну треть веса стали, поэтому вы можете использовать его в большем количестве, прежде чем вес станет проблемой.

Рейтинг прочности алюминия

Насколько прочен алюминий? Наиболее эффективным способом ответить на этот вопрос может быть рассмотрение того, как и где используется алюминий. Алюминиевая ассоциация отмечает, что алюминий или алюминиевые сплавы используются во впечатляющем множестве приложений:

• Клетки для акул: Если вы достаточно смелы, чтобы плавать с большими белыми, вы, надеюсь, встретитесь с ними из-за надежных решеток. из алюминиевой клетки для акул. Алюминий достаточно прочен, чтобы противостоять силе даже этих угрожающих хищников, он более плавучий, чем многие другие металлы, и не подвергается коррозии в соленой воде.
• Автомобили: Легкий, прочный, долговечный и хорошо поглощающий энергию ударов алюминий является вторым наиболее часто используемым материалом автопроизводителей. Алюминий используется в конструкции всего, от легковых и грузовых автомобилей до автобусов и океанских лайнеров. Армия США использует алюминий в своих боевых машинах Humvees и Bradley для обеспечения коррозионной стойкости, надежности и снижения веса.
• Истребители: Когда-то самолеты делались из дерева, проволоки и ткани. В современных военных самолетах используются алюминиевые сплавы. F-16, известный реактивный истребитель, имеет планер, который на 80 процентов состоит из алюминия.
• Космический корабль: НАСА обычно использует алюминий и алюминиевые сплавы при создании транспортных средств для космических путешествий. Алюминиево-литиевый сплав используется в конструкции Ориона, нового космического корабля, который когда-нибудь может доставить людей на Марс.
• Небоскребы: Алюминий часто используется в навесных стенах и оконных рамах высотных зданий, которые стоят высоко и гордо.
• Броня: Когда требуется броня для защиты транспортных средств армии США и находящихся в них солдат от взрывчатых веществ и других опасностей, она часто делается из алюминия.