Коэффициент температурного расширения алюминиевых сплавов

Марка сплава

Описание

Деформируемый сплав, основной легирующий элемент -марганец

Для раскисления, производства ферросплавов, алюминотермии (магния, не более 3,0)

Для раскисления, производства ферросплавов, алюминотермии (магния, не более 0,1)

Для раскисления, производства ферросплавов, алюминотермии (магния, не более 3,0 %)

Сплавы на основе системы алюминий-кремний-магний (кремния 10-13%)

Для изготовления чушек, фасонных отливок литьем под давлением

Литейные алюминиевые сплавы — высокое содержание кремния

Силумин в чушках используется в машиностроении, а также для изготовления изделий пищевой промышленности

Литейные алюминиевые сплавы — высокое содержание меди (более 1,5%)

Литейные алюминиевые сплавы с- низкое содержание меди (до 1,5%)

Детали самолетов, приборов, корпусы помп, карбюраторов, и работающие при температуре не выше 200° С

АК8м, АК9м2, АК9ч, АК7п

Сплавы на основе системы алюминий-кремний-магний

АМг2, АМг3, АМг5, АМг6

Деформируемые алюминиевые сплавы с высоким содержанием магния

А0, А5, А7, АД0, АД1

Алюминий чистый, нелегированный

Алюминиевый деформируемый сплав с высоким содержанием меди, магния

Деформируемые алюминиевые сплавы — повышенное содержание магния (до 1,8%)

Сплавы алюминиевые деформируемые — повышенное содержание магния

Алюминиевый деформируемый сплав — высокое содержание меди, магния

Группа судостроительных сплавов, содержащая небольшое количество циркония

© 2021г. ООО «Компания Экопроект»
ИНН / КПП: 2312238362 / 231201001

Инженеру про алюминиевые сплавы

Плотность алюминия

Наиболее привлекательным для инженеров физическим свойством алюминия является его плотность 2,7 г/см 3 , что составляет всего лишь треть от плотности сталей.

Рисунок 1 – Прочность на единицу плотности алюминия по сравнению с другими металлами и сплавами [2]

Коррозионная стойкость алюминия

Вторым по важности свойством является его хорошая коррозионная стойкость, хотя алюминий с точки зрения химии и не слишком благородный металл. Все это потому, что «свежий» алюминий (и алюминиевые сплавы) реагирует с кислородом и водяным паром в воздухе с образованием тонкой, плотной оксидной пленки, которая защищает нижележащий металл от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой. Поэтому технический алюминий и большинство его сплавов без легирования медью показывают очень хорошее сопротивление коррозии в жидкостях с рН в кислотном интервале от 5 до 8, которому соответствуют и большинство атмосферных условий окружающей среды.

Рисунок 2 – Влияние легирующих элементов на коррозионную стойкость
(и усталостную прочность) алюминиевых сплавов [2]

Температурное расширение алюминия

Линейное температурное расширение алюминия и его сплавов составляет 24·10 -6 на 1 градус Цельсия – в два раза больше чем у сталей. Это необходимо учитывать во многих конструкциях, в которых необходимо обеспечивать свободное температурное расширение элементов. При ограничении температурного расширение (или сжатия) в алюминиевом элементе из-за более низкого модуля упругости возникают напряжения, величина которых составляет 2/3 от напряжений, которые возникли бы в аналогичном стальном элементе.

Модуль упругости алюминия

Модуль упругости алюминия – 70000 МПа, только треть от модуля упругости сталей. Это влечет за собой существенные последствия для геометрии конструкции, так как прогибы балок, несущая способность колонн, т.е. их боковое выпучивание или местное выпучивание прямо зависят от модуля упругости.

Рисунок 3 – Прочность и модуль Юнга некоторых металлов [2]

Рисунок 4 -Диаграммы растяжения для низкоуглеродистой конструкционной стали (St52)
и алюминиевого сплава 6082-Т6 [2]

Жесткость алюминиевых профилей

Во многих строительных конструкциях критическим параметром профилей является их жесткость. Если стальной профиль заменять на алюминиевый с сохранением его жесткости, то утолщать в три раза все стенки не совсем экономично, так как алюминий легче стали как раз в те же три раза. Однако облегчение конструкций за счет применения алюминия – это естественное стремление, как по физическим, так и по экономическим причинам.

При проектировании балок есть практичное и проверенное правило: увеличивайте все размеры кроме ширины в 1,4 раза и получите поперечное сечение с моментом инерции почти в три раза больше. Тогда для профиля с той же жесткостью (Е · I) сэкономите около 50 % веса. При этом в некоторой степени компенсируется потеря жесткости в отношении бокового выпучивания. С учетом того, что часто стандартные стальные профили являются весьма не оптимальными, можно сэкономить и больше чем 50 % веса. Это хорошо видно из рисунков 5 и 6. Если нет ограничений по высоте, и боковое выпучивание не является конструкционным параметром, то можно сэкономить до 60 % веса. Если жесткость элемента не важна, а прочность стали близка к прочности алюминиевого сплава, то экономия может быть и до 70 %, но это уже окончательный предел возможной экономии веса.

Рисунок 5

Рисунок 6 – Четыре балки, которые имеют одинаковый прогиб [2]

Это приводят ко второму важному моменту. Если момент инерции профиля увеличивается в три раза при увеличении высоты профиля только в 1,4 раза, то момент сопротивления сечения увеличится соответственно в 3:1,4=2,1 раза. Поэтому напряжения в алюминиевой балке по сравнению со стальной будут в два с лишним раза меньше. Теперь понятно, почему конструктору не надо сразу «хвататься» за высокопрочные алюминиевые сплавы, и почему менее легированные алюминиевые сплавы 6060 и 6063 (АД31) настолько популярны.

Нагрев алюминия

Как и у других металлов прочность алюминия с повышением температуры снижается. До некоторых температур это явление обратимо, то есть после охлаждения материал возвращается к тем же свойствам, что и до нагрева. До температуры около 80 °С падением прочности можно пренебречь для всех сплавов и состояний. Выше 80 °С некоторые конструкторские ситуации могут потребовать учета эффекта ползучести.

Рисунок 7 – Прочность на растяжение алюминиевого сплава 2014-Т6
при различных температурах испытания [2]

Термически упрочненные сплавы начинают терять прочность при температурах выше 110 °С, причем степень этого явления зависит от длительности нагрева.

Сплавы, не упрочняемые термической обработкой, в нагартованных состояниях начинают терять прочность при температурах выше 150 °С и также в зависимости от длительности нагрева. После нагрева термически не упрочняемых сплавов в отожженном состоянии «О» необратимой потери прочности не происходит.

Считается, что короткий нагрев термически упрочненных алюминиевых профилей до температуры 180-200 °C в течение 10-15 минут, который происходит при «оплавлении» порошковых красок, не приводит к серьезной потере прочности.

Сварка алюминиевых сплавов

Намного серьезней является потеря прочности алюминиевых сплавов при сварке. Здесь температура поднимается настолько высоко из-за локального плавления, что падение прочности вблизи сварного шва надо обязательно принимать во внимание. Термически не упрочняемые сплавы теряют всю свою прочность, полученную при нагартовке, и возвращаются к отожженному состоянию «О». Термически упрочняемые алюминиевые сплавы в состоянии Т6 теряют приблизительно 40 % их прочности (рисунок 8) за исключением сплава 7020, который теряет только 20 %. Все эти сплавы не доходят до состояния полного отжига, поскольку неизбежен определенный эффект закалки при охлаждении шва. Требования к прочностным характеристикам материала в зоне сварного шва устанавливают и контролируют по результатам испытаний образцов.

Рисунок 8 – Влияние нагрева при сварке на прочность
термически упрочненного алюминиевого сплава (6082-Т6) [2]

1. R. Gitter Selection of structural alloys, Brussels 2008
2. TALAT 2204 – Design Philosophy

Температурные воздействия на конструкции – Часть 2: Термомеханика

Введение

В этой части рассмотрены теоретические основы температурных воздействий на конструкции с точки зрения классической механики материалов.

В предыдущей части 1 рассмотрены особенности учета температурных воздействий при проектировании конструкций зданий по российскому своду правил СП 20.13330.2011 (СНиП 2.01.07-85).

В части 3 представлены примеры температурных воздействий на простые конструкции – балки с различными условиями закрепления.

1. Теоретические основы температурных воздействий на материалы

1.1. Температурное расширение-сокращение

Изменения температуры вызывают расширение или сокращение конструкционных материалов, в результате чего в них возникают температурные деформации и температурные напряжения. Простая иллюстрация температурного расширения показана на рисунке 2.1, где брусок материала не закреплен и поэтому имеет возможность свободно расширяться [1].

Рисунок 2.1 – Брусок материала под воздействием увеличения температуры [1]

Когда этот брусок нагревается, каждый элемент материала подвергается температурным деформациям по всем направлениям, и, соответственно, размеры бруска увеличиваются также во всех направлениях. Если взять угол А за точку отсчета и дать стороне АВ возможность сохранять свое исходное направление, то брусок примет форму, которая показана штриховыми линиями.

Для большинства конструкционных материалов температурная деформация ε_T является пропорциональной изменению температуры ΔT, то есть

ε_T = α·ΔT, (1)

где α – свойство материала, которое называется коэффициентом температурного расширения. Согласно принятому в мире «знаковому соглашению» температурное расширение считается положительным, а температурное сокращение – отрицательным [1, 2].

1.2. Коэффициент температурного расширения конструкционных материалов

Поскольку деформация является безразмерной величиной, этот коэффициент температурного расширения имеет размерность, обратную изменению температуры. В системе СИ размерность α_Т может выражаться как 1/К (величина обратная единице СИ Кельвин) или 1/ºС (величина обратная градусу Цельсия). Величина α_Т является одинаковой в обоих случаях, так как изменение температуры является численно одинаковым как в градусах Кельвина, так и в градусах Цельсия.

Удобно представлять величину коэффициента температурного расширения в единицах 10 -6 /ºС или мкм/м·ºС. Последний вид особенно удобен – он наглядно показывает насколько микрометров удлиняется один метр материала при увеличении температуры на один градус температуры.

Информация о коэффициентах температурного расширения некоторых конструкционных материалов представлена в таблице 1.

Таблица 2.1 — Коэффициент температурного расширения конструкционных материалов [1]

1.3. Коэффициент температурного расширения алюминиевых сплавов

Коэффициенты температурного расширения основных алюминиевых сплавов, которые применяются в строительстве, показаны в таблице 2.

Таблица 2.2 — Коэффициент температурного расширения строительных алюминиевых сплавов [3]

Из таблицы 2.2 видно, что коэффициенты температурного расширения различных алюминиевых сплавов различаются незначительно. Поэтому в своде правил СП 128.13330.2012 (СНИП 2.03.06-85) для расчетов алюминиевых конструкций в интервале температуры от минус 70 ºС до 100 ºС для всех применяемых в строительстве алюминиевых сплавов применяется коэффициент температурного расширения 0,23·10 -4 1/ºС [4]. В европейском стандарте EN 1991-1-5 величина расчетного коэффициента температурного расширения составляет 24·10 -6 1/ºС [5].

1.4. Температурные напряжения

Чтобы продемонстрировать относительную важность температурных напряжений, можно сравнить температурные напряжения с напряжениями, которые возникают при силовом нагружении [1]. Предположим, что мы имеем брус, который нагружен силами в осевом направлении с продольными деформациями, которые даются равенством

где σ – напряжение, а Е – модуль упругости. Далее предположим, что мы имеем идентичный брусок, которые подвержен изменению температуры ΔT. Это означает, что этот брусок имеет температурные деформации согласно равенства (1). Приравнивание этих двух видов деформаций дает уравнение

σ = Е·α·ΔT (3)

Вычислим осевое напряжение σ, которое дает такие же деформации, как и изменение температуры ΔT в стержнях из алюминиевого сплава и строительной (малоуглеродистой) стали при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня (α = 23·10 6 , Е = 70000 Н/мм 2 ):

σ = 70000·23·10 -6 ·50 = 80,5 Н/мм 2

Для стержня из малоуглеродистой стали (α = 12·10 6 , Е = 210000 Н/мм 2 ):

σ = 210000·12·10 -6 ·50 = 126 Н/мм 2

Отметим известный факт, что при одинаковом изменении температуры температурные напряжения в алюминиевом стержне составляют только 2/3 от величины температурных напряжений в стальном стержне. Так происходит потому, что величина температурных напряжений зависит от произведения модуля упругости и коэффициента температурного расширения (см. формулу (3)). Поэтому, хотя коэффициент температурного расширения алюминия в два раза больше, чем у стали, но модуль упругости алюминия в три раза меньше, чем у стали.

Как видно из приведенных выше расчетов, температурные напряжения могут достигать величин, сравнимых с напряжениями от механических нагрузок. Поэтому термические воздействия на конструкции зданий необходимо учитывать наряду с другими нагрузками, как того и требуют нормативные документы [4, 5].

1.5. Температурные перемещения

Вернемся к бруску материала, показанного на рисунке 1 [1]. Предполагаем, что материал бруска является гомогенным и изотропным, то есть механические свойства материала бруска являются одинаковыми во всем его объеме. Кроме того, предполагаем, что изменение температуры ΔT является однородным, то есть одинаковым, по всему бруску. При таких условиях мы можем вычислить увеличение любого размера бруска путем умножения первоначального размера на температурную деформацию. Например, если один из размеров бруска составляет L, то этот размер увеличиться на величину

δ_Т = ε_T· L= α·ΔT·L (4)

Уравнение (4) можно применять для вычисления изменений длин элементов конструкций после однородного нагрева, например, удлинение призматического стержня на рисунке 2.2. Поперечные размеры стержня также изменятся, но эти изменения не показаны на рисунке 2.2, так как обычно они не оказывают влияния на осевые силы, которые передаются этим стержнем.

Рисунок 2.2 – Увеличение длины призматического стрежня
в результате однородного увеличения температуры (уравнение (4)) [1]

Оценим удлинение незакрепленных алюминиевого и стального стержней длиной 3 м при увеличении их температуры на 50 ºС.

Для алюминиевого стержня:

δ_Т = α·ΔT·L = 23·10 -6 ·50·3000 = 3,5 мм

Для стержня из малоуглеродистой стали:

δ_Т = α·ΔT·L = 12·10 -6 ·50·3000 = 1,8 мм

При рассмотрении выше температурных деформаций предполагалось, что конструкция не имеет ограничений для своих перемещений, что позволяло ей расширяться или сокращаться совершенно свободно. Такие условия возникают, например, когда объект лежит на гладкой поверхности, на которой не возникает трения [1]. В таких случаях при однородном нагреве всего объекта в целом не возникает напряжений, хотя неоднородные изменения температуры могут вызывать внутренние температурные напряжения. Однако многие конструкции имеют опоры, которые препятствуют свободному расширению и сокращению их размеров. Поэтому в них развиваются температурные напряжения даже, если изменение температуры является однородным по всей конструкции.

1.6. Температурные деформации в статически определимых конструкциях

Рассмотрим ферму АВС из двух стержней, показанную на рисунке 2.3. Предположим, что температура стержня АВ изменилась на ΔТ₁, а стержня ВС – на ΔТ₂. Поскольку эта ферма является статически определимой, то оба стержня могут свободно удлиняться или укорачиваться, давая в результате перемещение соединения В. Однако в этом случае температурные напряжения в стержнях, а также реакции в опорах, отсутствуют.

Рисунок 2.3 – Статически определимая ферма
с однородным изменением температуры в каждом элементе

Это заключение справедливо в целом для всех статически определимых конструкций, а именно: однородное изменение температуры в элементах конструкции вызывают температурные деформации (и соответствующие изменения длин элементов) без возникновения соответствующих температурных напряжений [1, 2].

1.7. Температурные деформации в статически неопределимых конструкциях

Статически неопределимыми конструкциями называются конструкции, у которых число реакций превышает число уравнений статического равновесия. В отличие от статически определимых конструкций при расчете таких конструкций принимаются во внимание прогибы [1, 2].

В статически неопределимой конструкции температурные напряжения могут возникать или не возникать в зависимости от особенностей конструкции и особенностей температурных изменений. Чтобы проиллюстрировать некоторые из таких возможностей, рассмотрим статически неопределимую ферму, показанную на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 — Статически неопределимая ферма
под воздействием изменений температуры

Опоры этой конструкции позволяют узлу D двигаться горизонтально. Поэтому, когда вся ферма однородно нагревается, в ней не возникает температурных напряжений. Все элементы увеличиваются в длине пропорционально своим первоначальным длинам, а вся ферма в целом становится немного больше в размерах.

Однако, если некоторые из стержней нагреваются, а другие – нет, то возникают температурные напряжения, так как статически неопределимое расположение стержней препятствует их свободному расширению.

Заключение

1) Изменение температуры элементов конструкции вызывает в них температурные деформации. Температурные напряжения возникают только в статически неопределимых конструкциях.

2) Однородный нагрев алюминиевого стержня на 50 ºС способен при жестком закреплении концов стержня вызывать значительные температурные напряжения. При таком нагреве удлинение стержня со свободными концами составляет 3,5 мм.

Источники:

1. James M. Gere & Barry J. Goodno — Mechanics of Materials, 2009

2. Тимошенко С.П., Гере Дж. – Механика материалов, М.: Мир, 1976

3. Aluminum and Aluminum Alloys / ed. J.R. Davis, ASM International, 1993

4. СП 128.13330.2012 (СНИП 2.03.06-85) Алюминиевые конструкции

5. EN 1991-1-5 Еврокод 1: Воздействия на сооружения. Часть 1-5. Основные воздействия. Температурные воздействия

ООО «Алюком»
г. Москва, ул. Нагатинская, д. 16, стр. 9, офис 2-5

Тел.: +7 (495) 268 0444
E-mail: info@alucom.ru

Производство и склад: Калужская обл., г. Малоярославец, ул. Калужская, 64.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Теплопроводностью называется свойство передавать энергию от нагреваемого участка материала к более холодному участку. Показатель учитывается при расчетах в изготовлении различных сплавов.

Сведения о показателе теплопроводности

Процесс передачи тепла в теле любого вещества происходит между атомными и молекулярными связями материала, в которых температурный режим неравномерный.
Любое вещество нагревается постепенно, передавая энергию тепла от участка к участку. Это теплоотдача зависит от состояния вещества.
Проводимость тепла зависит от:
1. Агрегатного состояния вещества,
2. Скорости нагрева.
3. Показателя плотности.
4. Температуры плавления.
Коэффициентом проводимости тепла называется — количество теплоты, проходящей через единицу площади материала за определённый промежуток времени при изменении температур.

От чего зависит проводимость тепла
Алюминий имеет структуру кристалла — куб.
При температуре 200С удельный вес = 2,7 г/см3.
Температурный показатель плавления равен от +657 до +660,2 0С.
Если алюминий повышенной чистоты, то металл начинает плавиться при +1800 до 2060 0С. Удельная теплоемкость в период нагревания повышается, так же повышается коэффициенты расширения и теплопроводности
Теплопроводность алюминия, по сравнению с другими металлами считается высокой.

Алюминий вступая в реакцию с кислородом, образовывает оксидную плёнку на поверхности. Последняя предохраняет металл от дальнейшего окисления.
Алюминиевые сплавы обладают уникальными свойствами:
1. При плавлении алюминия, находящийся в ней водород растворяется, что приводит к образованию пор в металле. При наличии в составе примесей кальция, калия или натрия, так же приводит к пористости.
2. Структура материала становиться однородной при остывании, если в сплаве присутствуют добавки железа, ванадия, никеля или циркония.
3. К некоторым химическим элементам алюминий сплавы остаются инертны. Наличия таких веществ, как сера и её производные выпадают в осадок, образовывая шлак, на изменении структуры и на свойства сплавов не влияют.
4. Под воздействием азота, фосфора или углерода свойства материала не изменяются.

Прочность алюминия в чистом виде невысокая, поэтому для производства готовых изделий, технология литья используется крайне редко. Как правило это разливного вида чушки, изготавливаемы е для дальнейшего проката и ковки.

Теплопроводность алюминиевых сплавов

Продукция из алюминиевых сплавов делится по видам технологического цикла:
1. Литейные. Выполнять литых изделий.
2. Деформируемые. Под давлением придается форма (прессовка, ковка, штамповка).
Алюминиевые изделия, используемые в строительстве, изготавливается из сплава повышенной прочности.
Перечень нормативных показателей, с учетом которых характеризуются сплавы:
1. Теплопроводность.
2. Переход от одного агрегатного состояния к другому.
3. Наличие легирующих присадок, влияющих на качество продукции и показатель долговечности (прочности).

Сведения о теплопроводности указаны в справочной литературе, но основными критериями оценки будут:
1. Плотность.
2. Теплопроводность.
3. Линейное расширение (коэффициент).
4. Температура, при которой изменяется прочность.
5. Устойчивость к коррозии.
6. Удельное электросопротивление.

После проведения анализа, несложно установить коэффициент зависимости теплопроводности от температуры металла.

Какие алюминиевые сплавы обладают большей теплопроводностью
Если алюминиевые изделия в состав которого включается медью, цинк, магний или кремний, то процент теплопроводности в них заметно увеличивается, по отношению к алюминию в чистом виде.

Таблица по теплопроводности:

Проводимость тепла увеличивается с ростом температуры. Сплав АД1 отличается большей теплопроводностью. Используется для производства профилей, штамповок, слитков и другой аналогичной продукции.

Наивысшая теплопроводность алюминиевых сплавов в обычных условиях отмечается у алюминиевого сплава АД1 — теплопроводность при 20 0С — равняется 210 Вт/(м•град).

Самая низкая теплопроводность алюминиевых сплавов зафиксирована у литейных сплавов АК4, АЛ1, АЛ8.

Определение коэффициента линейного р асширения алюминиево-кремниевых сплавов Текст научной статьи по специальности « Химические технологии»

Аннотация научной статьи по химическим технологиям, автор научной работы — Крушенко Генрих Гаврилович

Установлено влияние температуры нагрева на величину коэффициента линейного расширения алюминиево-кремниевых сплавов (5. 40 % Si). Его величина определяет, насколько могут изменяться размеры литых деталей при эксплуатации в разных температурных режимах.

Похожие темы научных работ по химическим технологиям , автор научной работы — Крушенко Генрих Гаврилович

FOUNDATION OF THE LINEAR EXP ANSION COEFFICIENT OF ALUMINUM-SILICON ALLOYS

The influence of the heat temperature on size of the linear expansion coefficient of aluminum-silicon alloys is established (5…40 % Si). This size determines how the casting dimensions can change during operation with different conditions of temperature .

Текст научной работы на тему «Определение коэффициента линейного р асширения алюминиево-кремниевых сплавов»

торным методом, подобным методу определения собираемости изделия [3]. Для этого потребуются геометрические данные из ЭМ изделия, характеристики средства измерения из соответствующей базы данных и перечень поверхностей и осей с повышенными требованиями к точности их расположения из координатной модели.

В результате выполнения описанных выше этапов получим сборочную схему базирования, представленную в виде координатной модели изделия. Процесс ее разработ -ки полностью формализован и использует данные ЭМ изделия из СЛО-системы, связанные с ней данные из РБМ-системы предприятия и данные экспертной системы.

Полученная схема базирования обеспечивает заданную точность сборки изделия и наибольшую возможную технологичность сборки в данных условиях производства. Она также определяет последовательность сборки изделия и компоновку сборочной оснастки. Координатная модель позволяет учесть расчётные отклонения сборочных и измерительных баз при изготовлении и монтаже сборочной оснастки, а также использовать координаты точек модели при разработке и выполнении автоматизированной сборки изделия.

1. Пекарш, А. И. Современные технологии агрегатносборочного производства самолетов / А. И. Пекарш, Ю. М. Тарасов, Г. А. Кривов [и др.]. М. : Аграф-пресс, 2006.

2. Ахатов, Р Х. Автоматизация проектно-конструкторских работ и технологической подготовки производства : учеб. пособие / Р. Х. Ахатов. Иркутск : Изд-во ИрГТУ, 2007.

3. Ахатов, Р. Х. Формализация анализа и выбора сборочных баз конструкции изделия с применением интегрированной системы управления данными об изделии / Р. Х. Ахатов, К. А. Однокурцев // Науч. вестн. Норил. индустриал. ин-та. 2007. N° 1. С. 31-36.

4. Ахатов, Р. Х. Координатный подход к разработке схемы базирования при проектировании технологического процесса сборки / Р. Х. Ахатов, К. А. Однокурцев // Ре-шетневские чтения : материалы XII Междунар. науч. конф. ; Сиб. гос. аэрокосмич. ун-т. Красноярск, 2008. С. 253-255.

5. ГОСТ 21495-76. Базирование и базы в машиностроении. Термины и определения. М. : Изд-во стандартов, 1982.

R. Kh. Ahatov, K. A. Odnokurtsev

FORMALIZED METHOD OF ASSEMBLY DATUM SURFACES SELECTION AND ANALYSIS IN AIRCRAFT CONSTRUCTION

The research refers to the field of automation of aircraft assembly planning. The formalized method ofassembly datum surfaces selection and analysis is founding on the coordinate model, which is an item of discrete information model.

Keywords: assembly, airframe, assembly datum surface, discrete model.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА ЛИНЕЙНОГО РАСШИРЕНИЯ АЛЮМИНИЕВО-КРЕМНИЕВЫХ СПЛАВОВ

Установлено влияние температуры нагрева на величину коэффициента линейного расширения алюминиевокремниевых сплавов (5. 40 % Б1). Его величина определяет, насколько могут изменяться размеры литых деталей при эксплуатации в разных температурных режимах.

Ключевые слова: алюминиево-кремниевые сплавы, коэффициент линейного расширения, температурный режим.

Литейные алюминиево-кремниевые сплавы широко применяются в авиационно-космической отрасли для литья деталей сложной геометрии, работающих в условиях высоких эксплуатационных нагрузок. При этом одной из важных характеристик, определяющих надежную их эксплуатацию, является коэффициент линейного расширения (КЛР), который показывает относительное изменение длины тела при нагревании на температуру АТ. Значение КЛР можно показать на примере алюминиевого трубопровода — изменение температуры от 293 К до 77

К приводит к изменению его длины на

4 мм на каждый метр трубы (КЛР алюминия при температуре

20 °С составляет 22,9 • 10-6(1/град)).

КЛР определяли относительным методом при помощи дифференциального оптического дилатометра Шеве-нара на сплавах, содержащих 5; 7; 9; 11,4; 18; 25 и 40 % 8І, отпрессованных из гранул алюминия А99 и кремния полупроводниковой чистоты.

В результате проведенного исследования было установлено, что по характеру изменения КЛР с нагревом

образцов, сплавы можно разделить на две группы: доэв-тектические (до содержания кремния 11,4 %), КЛР которых растет при нагреве вплоть до 800 °С, затем уменьшается в области 400. ..425 °С, а при дальнейшем повышении температуры снова возрастает, и заэвтектические (выше

11,4 % 81), КЛР которых при нагреве до 300 °С повышается незначительно, а выше этой температуры растет резко, но в наименьшей степени для сплава Л1-40 % 81.

Следует отметить, что характер изменения КЛР сплава Л1-9 % 81 выпадает из наблюдающейся закономерности КЛР с увеличением содержания кремния, по крайней мере, до области 350 °С, а при повышении температуры до 425 °С КЛР оказывается даже ниже, чем при 50 °С, и близок к величине КЛР заэвтектических сплавов при 315 °С. Для объяснения такого немонотонного изменения КЛР требуются дальнейшие исследования.

При изучении изменения КЛР с увеличением содержания кремния обнаружены минимумы при всех температурах нагрева в сплаве Л1-9 % 81. Причем, в этой области концентраций даже при значительных температурах нагрева величина КЛР оказывается меньше, чем при низких.

Наблюдаемые отрицательные отклонения КЛР от аддитивных значений на температурных зависимостях могут служить признаком существования в этой области интерметаллического соединения, что совпадает с трактовкой [1] коэффициента термического расширения как связанного непосредственно с силами межатомного взаимодействия в твердом состоянии, низкие значения которого указывают на наличие значительных сил сцепления между атомами.

Высказанное с учетом анализа результатов измерений магнитной восприимчивости с (физической величины, характеризующей способность вещества намагничиваться в магнитном поле; с = 3/Н, где 3 — намагниченность единицы объема вещества, Н — напряженность намагничивающего магнитного поля), на изотермах которых обнаруживаются минимумы в жидком и твердом состояниях [2], однозначно свидетельствуют о существовании при 9 % 81 интерметаллического соединения.

Здесь обращается особое внимание на магнитную восприимчивость по той причине, что ее величина складывается из восприимчивости ионных остовов и элект-

ронного газа, и уменьшение ее величины свидетельствует об изменении энергетического состояния электронов при изменении характера взаимодействия элементов композиции — так, известно, что минимум на концентрационных зависимостях магнитной восприимчивости в твердом и жидком состояниях проявляется на ординатах, соответствующих присутствию химических соединений [3].

Следует обратить внимание и на минимум КЛР в области сплава Л1-18 % 81, примерно совпадающий по концентрации с подобным отклонением на изотермах магнитной восприимчивости [2].

Полученная информация об изменении КЛР сплавов системы Л1-81 имеет важное значение при выборе марки промышленных сплавов системы Л1-81 в качестве достоверного критерия выбора составов для литья деталей, работающих в условиях эксплуатации, где требуется максимально возможное сохранение стабильных размеров литых деталей изделий машиностроения, особенно тех, которые работают в условиях повышенных температур.

Величина КЛР имеет основополагающее значение в случае необходимости изготовления с помощью сварки или пайки изделия из двух сопрягаемых сплавов разного состава с разными его значениями, а также при эксплуатации паяно-сварного узла в условиях изменения температуры, как в виде теплового удара, так и в цикле «нагрев « охлаждение». Неидентичность изменения размеров прочно сопрягаемых сплавов в этих случаях, как правило, приводит к возникновению в изделиях трещин и к их разрушению.

1. Кинг, Х. У. Структура чистых металлов : пер. с англ. / Х. У Кинг // Физическое металловедение. Вып. 1. Атом -ное строение металлов и сплавов. М. : Мир, 1967.

2. Кутвицкий, В. А. Магнитная восприимчивость сплавов систем Л1-81, Mg-Sn, Л1-Си и Л1-81 в жидком и твердом состоянии / В. А. Кутвицкий, Г. Г. Крушенко // Физика. 1977. №> 4. Реф. 4Е1341 Деп.

3. Вертман, А. А. Свойства расплавов железа / А. А. Вер-тман, А. М. Самарин. М. : Наука, 1969.

FOUNDATION OF THE LINEAR EXPANSION COEFFICIENT OF ALUMINUM-SILICON ALLOYS

The influence of the heat temperature on size ofthe linear expansion coefficient ofaluminum-silicon alloys is established (5. 40 % Si). This size determines how the casting dimensions can change during operation with different conditions of temperature.

Keywords: aluminum-silicon alloy, linear expansion coefficient, conditions of temperature.

Оценка статьи:

Загрузка...