Алюминий
лаве
стали подвергать сомнению. Оно было тем обоснованнее, что выделение меди
из матрицы должно было снижать ее электросопротивление, а между тем при
естественном старении дюралюмина оно росло, и это прямо указывало, что
медь остается в твердом растворе.
Положение прояснил только рентгеноструктурный анализ. В последнее время
благодаря мощным электронным микроскопам, позволяющим просматривать тонкие
металлические пленки насквозь, картина стала наглядной. Истина оказалась
где-то «посредине». Медь не выделяется из твердого раствора и не остается
внутри него в прежнем состоянии. В процессе старения она собирается в
дискообразных участках толщиной в 1...3 атомных слоя и диаметром около
90 ?, образуя так называемые зоны Гинье – Престона. Они имеют искаженную
кристаллическую структуру твердого раствора; искажается также прилегающая
к зоне область самого твердого раствора.
Число таких образований огромно – оно выражается единицей с 16...18 нулями
для 1 см сплава. Изменения и искажения кристаллической решетки при
образовании зон Гинье – Престона (зонное старение) и служат причиной
повышения прочности дюралюмина при естественном старении. Эти же изменения
увеличивают электрическое сопротивление сплава. При повышении температуры
старения вместо зон, имеющих структуру, близкую к структуре алюминия,
возникают мельчайшее частицы метастабильных фаз с собственной
кристаллической решеткой (искусственное, или, точнее, фазовое старение).
Это дальнейшее изменение структуры приводит к резкому повышению
сопротивления малым пластическим деформациям.
Можно без преувеличения сказать, что крылья самолетов удерживаются в
воздухе зонами или метастабильными частицами, и если в результате нагрева
вместо зон и частиц появятся стабильные выделения, крылья потеряют свою
прочность и просто согнутся.
В Советском Союзе в 20-х годах инженер-металлург В.А. Буталов разработал
отечественный вариант дюралюмина, названный кольчугалюминием. Слово
«дюралюмин» происходит от названия германского города Дюрена, в котором
было начато промышленное производство этого сплава. А кольчугалюминий
делали в поселке (ныне городе) Кольчугино Владимирской области. Из
кольчугалюминия был сделан первый советский металлический самолет АНТ-2
конструкции А.Н. Туполева.
Подобные сплавы и сейчас важны для техники. Из сплава Д1 делают, в
частности, лопасти самолетных винтов. Во время войны, когда летчикам
нередко приходилось садиться на случайные площадки или, не выпуская шасси,
на «брюхо», много раз случалось, что лопасти винтов сгибались при ударе о
землю. Сгибались, но не ломались! Тут же в полевых условиях их выпрямляли
и снова летали с тем же винтом... Другой сплав того же семейства
дюралюминов – Д16 используют в авиастроении иначе – из него делают нижние
панели крыльев.
Принципиально новые сплавы появляются тогда, когда открываются новые фазы-
упрочнители. Их искали, ищут и будут искать исследователи. Фазы – это, по
существу, химические соединения-интерметаллиды, образующиеся в сплаве и
заметно влияющие на его свойства. Разные фазы по-разному повышают
прочность, коррозионную стойкость и другие практически важные
характеристики сплава. Однако со времени открытия Вильма их найдено совсем
немного – меньше десятка. Их образование возможно лишь при условии
растворимости соответствующих элементов в алюминии. Очевидно, каждая из
фаз-упрочнителей заслуживает достаточно обстоятельного рассказа.
Уже упоминалось, что первым алюминиевым сплавом был его сплав с кремнием,
соседом по менделеевской таблице. Но свойства этого сплава были
неудовлетворительны и потому долгое время считали, что добавка кремния
алюминию вредна. Но уже в начале 20-х годов нашего века было твердо
установлено, что сплавы системы Al – Mg – Si (фаза Mg2Si) обладают,
подобно дюралюминам, эффектом упрочнения при старении. Предел прочности
таких сплавов – от 12 до 36 кг/мм2, в зависимости от содержания кремния и
магния и от добавок меди и марганца.
Эти сплавы широко применяют в судостроении, а также в современном
строительстве. Любопытная деталь: в наши дни в некоторых странах (в США,
например) на строительство расходуется больше алюминия, чем на все виды
транспорта, вместе взятые: самолеты, суда, железнодорожные вагоны,
автомобили. В нашей стране алюминиевые сплавы широко применялись при
строительстве Дворца пионеров на Ленинских горах и здания Комитета
стандартом СССР на Ленинском проспекте в Москве, Дворца спорта в Киеве, а
также многих других современных здании. Тысячи сборных алюминиевых домиков
успешно «работают» в Заполярье и в горных районах, там, где нет поблизости
местных стройматериалов или строительство сопряжено с колоссальными
трудностями. В такие места алюминиевые (в основном) дома доставляются
алюминиевыми же (в основном) самолетами и вертолетами.
Кстати, о вертолетах. Лопасти их винтов во всем мире делают из сплавов
системы Al – Mg – Si, потому что эти сплавы обладают очень высокой
коррозионной стойкостью и хорошо противостоят вибрационным нагрузкам.
Именно это свойство первостепенно важно для вертолетчиков и их пассажиров.
Малейшие коррозионные дефекты могут резко ускорить развитие усталостных
трещин. Для спокойствия пассажиров отметим, что в действительности
усталостные трещины развиваются достаточно медленно, и на всех вертолетах
установлены приборы, подающие летчику сигнал о появлении первой мелкой
трещинки. И тогда лопасти меняют, несмотря на то, что они могли бы
работать еще сотни часов.
Эффект старения присущ и сплавам системы Al – Zn – Mg. Эта система сразу
же проявила себя дважды рекордсменом: рекордсменом по прочности – еще в 20-
х годах получены алюминий-цинк-магниевые сплавы прочностью 55...60 кг/мм2
– и «рекордсменом наоборот» по химической стойкости – листы и рулоны из
таких тройных сплавов растрескивались, а то и рассыпались под влиянием
атмосферной коррозии еще в процессе вылеживания, прямо на заводском дворе.
Десятки лет исследователи разных стран искали возможность повысить
коррозионную стойкость подобных сплавов. В конце концов, уже в 50-х годах
появились высокопрочные алюминиевые сплавы с цинком и магнием, обладающие
удовлетворительной коррозионной стойкостью. Среди них – отечественные
сплавы В95 и В96. В этих сплавах, помимо трех основных компонентов, есть
также медь, хром, марганец, цирконий. При такой комбинации химических
элементов существенно меняется характер распада пересыщенного твердого
раствора, отчего и повышается коррозионная стойкость сплава.
Однако когда авиаконструктор О.К. Антонов приступил к созданию гигантского
самолета «Антей» и для силового каркаса «Антея» потребовались большие
поковки и штамповки, равнопрочные во всех направлениях, сплавы В95 и В96
не подошли. В сплаве для «Антея» малые добавки марганца, циркония и хрома
пришлось заменить железом. Так появился известный сплав В93.
В последнее десятилетие возникли новые требования. Для так называемых
широкофюзеляжных самолетов ближайшего будущего, рассчитанных на 300...500
пассажиров и на 30...50 тыс. летных часов эксплуатации, повышаются главные
критерии – надежность и долговечность. Широкофюзеляжные самолеты и
аэробусы на 70...80% будут состоять из алюминиевых сплавов, от которых
требуется и очень высокая прочность и очень высокая коррозионная
стойкость. Почему прочность – понятно, почему химическая стойкость – в
меньшей мере, хотя приведенный выше пример с вертолетными лопастями,
очевидно, достаточно нагляден...
Возникла концепция безопасно-повреждаемых конструкций, которая гласит:
если в конструкции и появилась трещина, она должна развиваться медленно,
и, даже достигнув значительных размеров, будучи легко обнаруживаемой, она,
эта трещина, ни в коем случае не должна вызывать разрушения конструкции в
целом. Это значит, что высокопрочные алюминиевые сплавы для таких
самолетов должны обладать высокой вязкостью разрушения, высокой остаточной
прочностью при наличии трещины, а это возможно лишь при высокой
коррозионной стойкости.
Все эти свойства прекрасно сочетаются в алюминиевых сплавах повышенной
чистоты: примесей железа – десятые доли процента, кремния – сотые, а
натрия, микродобавки которого значительно улучшают свойства сплавов
алюминия с кремнием, здесь должно быть не больше нескольких десятитысячных
долей процента. А основа таких сплавов – система Аl – Zn – Mg – Сu.
Старение этих сплавов ведут таким образом, чтобы упрочняющие частицы стали
несколько больше обычного (коагуляционное старение). Правда, при этом
немного теряется прочность, и некоторые детали приходится делать более
толстостенными, но это пока неизбежная плата за ресурс и надежность.
Ирония судьбы: алюминиевые сплавы с цинком и магнием, бывшие когда-то
самыми коррозионно-нестойкими, наука превратила в своего рода эталон
коррозионной стойкости. Причины этого чудесного превращения – добавка меди
и рациональные режимы старения.
Еще один пример совершенствования давно известных систем и сплавов. Если в
классическом дюралюмине резко ограничить содержание магния (до сотых долей
процента), но сохранить марганец и повысить концентрацию меди, то сплав
приобретает способность
| | скачать работу |
Алюминий |