Свойства алюминия и его сплавов

Первый из металлов

Алюминий является третьим по распространенности – после кислорода и кремния – среди около 90 химических элементов, который обнаружены в земной коре. Среди элементов-металлов – он первый. Этот металл обладает многими полезными свойствами, благодаря которым он широко применяется во всех сферах человеческой деятельности.

Алюминий – это ковкий металл, который имеет серебристо-белый цвет и легко обрабатывается большинством методов обработки металлов давлением: прокаткой, волочением, экструзией (прессованием), ковкой. Его плотность – удельный вес – составляет около 2,70 граммов на кубический сантиметр. Чистый алюминий плавится при температуре 660 градусов Цельсия.

Алюминий имеет относительно высокие коэффициенты теплопроводности и электропроводности. Этот металл в присутствии кислорода всегда покрыт тонкой, невидимой пленкой оксида. Эта пленка является в значительной степени непроницаемой и имеет довольно высокие защитные свойства. Поэтому алюминий обычно демонстрирует стабильность и длительный срок службы при нормальных атмосферных условиях.

Алюминий и драгоценные камни

Из-за его химической активности и высокому сродству к кислороду алюминий не встречается в природе в металлическом состоянии. Он всегда находится в комбинации с другими химическими элементами. Рубины и сапфиры, например, являются комбинациями – соединениями – алюминий и кислорода, гранаты – алюминия и кремния, а нефриты – это соединения алюминия с натрием, кислородом и кремнием.

Рубин

Квасцы (alums) – это соединения алюминия, которые широко применялись еще в далекой древности: в древних Египте и Вавилоне они шли на приготовление лекарств, растительных красок и дубление кож.

Физические  свойства алюминия

Основные физические  свойства алюминия и алюминиевых сплавов, которые являются полезными для применения:

  • плотность или удельный вес;
  • температура плавления;
  • коэффициент теплового расширения;
  • теплопроводность;
  • электропроводность.

Эти свойства представлены ниже в таблицах [1]. Они могут рассматриваться только как основание для сравнения сплавов и их состояний и не должны применяться для инженерных расчетов. Они не являются гарантированными величинами, поскольку в большинстве случаев являются осредненными значениями для изделий с различными размерами, формами и методами изготовления. Поэтому они не могут быть в точности репрезентативными для изделий любых размеров и форм.

Номинальные величины плотности популярных алюминиевых сплавов представлены для отожженного состояния (О). Различия в плотности связаны с тем, что сплавы имеют различные легирующие элементы и в разных количествах: кремний и магний легче алюминия (2,33 и 1,74  г/см3), а железо, марганец, медь и цинк – тяжелее (7,87; 7,40; 8,96 и 7,13 г/см3).

О влиянии физических свойств алюминия и, в частности, его плотности, на конструкционные характеристики алюминиевых сплавов см. здесь.

fizicheskie-xarakteristiki-aluminievykh-splavov

plotnost-aluminievykh-splavov    

Уникальная комбинация свойств

Алюминий и его сплавы обладают уникальными комбинациями свойств. Это сделало алюминий одним из наиболее разносторонних, экономически выгодных и привлекательных конструкционных и потребительских материалов. Алюминий находит применение в очень широком диапазоне – от мягкой, очень пластичной упаковочной фольги до самых ответственных космических проектов. Алюминий по праву является вторым после стали среди многочисленных конструкционных материалов.

Низкая плотность

Алюминий – это один из самых легких промышленных конструкционных. Его плотность алюминия приблизительно в три раза ниже, чем у стали или меди. Это свойство обеспечивает ему высокую удельную прочность – прочность на единицу массы. Эта характеристика алюминия находит ему применение в транспортном машиностроении, позволяя увеличивать грузоподъемность транспортных средств и экономить топливо. Паромные катамараны, нефтяные танкеры и самолеты – вот лучшие примеры применения алюминия в транспорте.


Рисунок 1 – Плотность алюминия в зависимости от его чистоты и температуры [2]

Высокая коррозионная стойкость

Алюминий имеет высокую коррозионную стойкость благодаря тонкому слою оксида алюминия на его поверхности. Эта оксидная пленка мгновенно образуется, как только свежая поверхность алюминия входит в контакт с воздухом (рисунок 2). Во многих случаях это свойство позволяет применение алюминия без какой-либо специальной обработки поверхности. Если требуется дополнительное защитное или декоративное покрытие, то применяют анодирование или окраску его поверхности.


Рисунок 2
а – естественное оксидное покрытие на сверхчистом алюминии;
б – коррозия алюминия чистотой 99,5 % с естественным оксидным покрытием
в коорозионно агрессивной среде [2]

Прочность

Прочностные свойства чистого алюминия являются довольно низкими (рисунок 3). Однако эти механические свойства могут возрастать очень сильно, если в алюминий добавляют легирующие элементы и, кроме того, его подвергают термическому (рисунок 4) или деформационному (рисунок 5) упрочнению. Типичными легирующими элементами являются марганец, кремний, медь, магний и цинк.


Рисунок 3 – Влияние чистоты алюминия на его прочность и твердость [2]


Рисунок 4 – Прочностные свойства высокочистых деформируемых
алюминиево-медных сплавов в различных состояниях [2]
(О – отожженный, W – сразу после закалки, Т4 – естественно состаренный, Т6 – искусственно состаренный)

Рисунок 5 — Механические свойства алюминия 99,50 %
в зависимости от степени полученной холодной деформации [2]

Прочность при низких температурах

Известно, что сталь становится хрупкой при низких температурах. Алюминий же, напротив, при низких температурах повышает свою прочность и сохраняет высокую вязкость. Именно это свойство дало возможность его применения в космических аппаратах, которые работают в условиях космического холода.

Рисунок — Изменение механические свойства алюминиевого сплава 6061
с понижением температуры

Высокая теплопроводность

Алюминий проводит тепло в три раза быстрее, чем сталь. Это свойство является очень важным в теплообменных аппаратах для нагрева или охлаждения рабочей среды. Отсюда — широкое применение алюминия и его сплавов в кухонной посуде, кондиционерах воздуха, примышленных и автомобильных теплообменниках.

Высокая отражательная способность

Алюминий является отличным отражателем лучистой энергии во всем интервале длин волн. Это свойство позволяет применять его в приборах, которые работают от ультрафиолетового спектра через видимый спектр до инфракрасного спектра и тепловых волн, а также таких электромагнитных волн, как радиоволны и радарные волны [1].

Алюминий имеет способность отражать более 80 % световых волн, что обеспечивает ему широкое применение в осветительных приборах (рисунок 6). Благодаря этому свойству он находит применение в теплоизоляционных материалах. Например, алюминиевая кровля отражает большую долю солнечного излучения, что обеспечивает в помещениях прохладную атмосферу летом и, в то же время, сохраняет тепло помещения зимой.


Рисунок 6 – Отражательные свойства алюминия [2]

Электрический проводник

Алюминий является одним из двух доступных металлов, которые имеют достаточно высокую электрическую проводимость, чтобы применять их в качестве электрических проводников. Электрическая проводимость «электрической» марки алюминия 1350 составляет около 62 % от международного стандарта IACS – электрической проводимости отожженной меди. Однако удельный вес алюминия составляет только треть от удельного веса меди. Это означает, что он проводит в два раза больше электричества, чем медь того же веса. Это свойство обеспечивает алюминию широкое применение в высоковольтных линиях электропередачи (ЛЭП), трансформаторах, электрических шинах и цоколях электрических лампочек.

Отсутствие магнитных свойств

Алюминий обладает свойством не намагничиваться в электромагнитных полях. Это делает его полезным при защите оборудования от воздействия электромагнитных полей. Другим применением этого свойства является компьютерные диски и параболические антенны.

Отсутствие токсичности

Это свойство алюминия – отсутствие токсичности – было обнаружено еще в начале его промышленного освоения. Именно это свойство алюминия дало возможность  его применения для изготовления кухонной посуды и приборов без какого-либо вредного воздействия для тела человека. Алюминий со своей гладкой поверхностью легко поддается чистке, что важно для обеспечения высокой гигиены при приготовлении пищи. Алюминиевая фольга и контейнеры широко и безопасно применяются при упаковке с прямым контактом с продуктами.

Звукоизоляция

Это свойство алюминия дает ему применение при выполнении звукоизоляции потолков.

Поглощение энергии удара

Алюминий имеет модуль упругости в три раза меньший, чем у стали. Это свойство дает большое преимущество для изготовления автомобильных бамперов и других средств безопасности автомобилей.

Рисунок — Автомобильные алюминиевые профили
для поглощения энергии удара при аварии

Не образует искр

Алюминиевые детали не образует искр при ударе друг о друга, а также другие цветные металлы. Это свойство находит применение при повышенных мерах пожарной безопасности конструкций, например, на морских нефтяных вышках.

Непревзойденная технологичность

Легкость, с которой алюминий может быть переработан в любую форму — технологичность, является одним из наиболее важных его достоинств. Очень часто он может успешно конкурировать с более дешевыми материалами, которые намного труднее обрабатывать:

  • Этот металл может быть отлит любым методом, который известен металлургам-литейщикам.
  • Он может прокатан до любой толщины вплоть до фольги, которая тоньше листа бумаги.
  • Алюминиевые листы можно штамповать, вытягивать, высаживать и формовать всем известными методами обработки металлов давлением.
  • Алюминий можно ковать всеми методами ковки
  • Алюминиевая проволока, которую волочат из круглого прутка, может затем сплетаться в электрические кабели любого размера и типа.
  • Почти не существует ограничений формы профилей, в которые получают из этого металла методом экструзии (прессования).

Источники:

  1. Aluminium and Aluminium Alloys. — ASM International, 1993.
  2. A. Sverdlin Properties of Pure Aluminum // Handbook of Aluminum, Vol. 1 /ed. G.E. Totten, D.S. MacKenzie, 2003