23.01.2015

В группу легких металлов включаются металлы с плотностью ρ до 4,5 г/см3. Легкими металлами, важнейшими для технического применения (преимущественно как основа сплава), являются Al, Mg, Ti и Be. Если даже Al-сплавы по распространению представляют наиболее значительную группу среди легких металлов, то все же для специфических целей применения предлагают материалы Ti и Be, комплексы свойств которых заслуживают внимания для будущих разработок материалов. Магниевые сплавы уже очень давно нашли техническое применение, например, в строительстве дирижаблей и самолетов, но из-за их проблематичной обрабатываемости и их воспламеняемости были вытеснены. Очень незначительная плотность (ρ = 1,74 г/см3) снова выдвигает в последнее время магний как основу сплава на передний план.
В актуальном развитии сплавы Al-Li из-за своей легкости и хороших прочностных качеств пользуются все большим вниманием.
Алюминий

В мировом потреблении алюминия, %, наиболее интенсивно участвует упаковочная промышленность, особенно для банок с напитками:
Легкие металлы

В машиностроении наряду со сталью алюминий со своими сплавами стал одним из важнейших конструкционных материалов. Соответственно велико многообразие алюминиевых сплавов, которые соответствуют большому количеству необходимых требований. Рациональное разделение сплавов производится на литейные и деформируемые. Оба типа сплавов можно разделить на способные и не способные к дисперсионному твердению сплавы.
Алюминий не проявляет аллотропного преобразования, т.е. в противоположность к стали он не подвержен наклепу в результате фазового превращения., В качестве мер для повышения прочности этого материала могут применяться:
- наклеп;
- упрочнение легированием (упрочнение твердого раствора добавками и многофазностью);
- дисперсионное твердение (старение).
Легкие металлы

Так как стареющие алюминиевые сплавы, в частности типа AlCuMg, для достижения оптимальных характеристик требуют хорошего измельчения, то применяется термообраббтка для дисперсионного старения преимущественно у деформируемых сплавов; она пригодна также при высокопрочных качествах отливки для улучшения прочностных характеристик.
Литейные сплавы. К самым важным техническим литейным сплавам относятся сплавы Al-Si. Система Al-Si образует простую эвтектическую систему с эвтектической точкой при 11,7 % Si и 577 °C (рис. 9.4.29). Близкие к эвтектическим сплавы с содержанием от 11 до 13 % Si известны также как силуминовое литье. При медленном охлаждении (литье в песчаные формы) заэвтектического сплава с 13 % Si первично выделяющийся твердый раствор Si образует большие, угловатые, пластинчатые в шлифе, преимущественно игольчатые кристаллы. Эта неблагоприятная структура ведет к ярко выраженной хрупкости таких сплавов (рис. 9.4.30).
Нежелательной хрупкости можно избежать благодаря так называемому облагораживанию металлов. Путем добавки примерно 0,1 % Na при 720—780 °C в плавку неблагоприятно деформируемые кристаллы кремния очищаются, округляются и образуют тонкодиспергированную эвтектику (рис. 9.4.31). Эвтектическая температура снижается благодаря добавлению Na от 577 до 564 °C, причем эвтектическая концентрация сдвигается на 14 %. Заэвтектический сплав затвердевает, таким образом, доэвтектически, причем натрий, кроме того, вероятно, затормаживает диффузию.
При быстром охлаждении, которое существует в кокильном литье, достигается действие, подобное действию при облагораживании металлов. Здесь также сдвигается эвтектическая точка с помощью переохлаждения. Возникает очень чистая эвтектическая структура, так что при кокильном литье можно отказаться от облагораживания металлов натрием (см. рис. 9.4.29).
Легкие металлы

Предел прочности при растяжении необлагороженного литья в песчаные формы составляет от 100 до 120 Н/мм2. Он повышается благодаря облагораживанию металлов натрием до 240 Н/мм2 при показателях удлинения от 10 до 15 %. В кокильном литье прочность сплава составляет с 13 % Si до 260 Н/мм2.
Для поршневых сплавов повышается содержание Si и добавляется Cu. Маркированный поршневой сплав имеет 25 % Si и 5 % Cu.
Содержание меди в таких сплавах может увеличиваться до 14 %. Уже 1 % Cu повышает предел прочности при растяжении алюминия от 140 до 210 Н/мм2.
Особое значение имеет Cu при более высоком содержании для стареющих деформируемых алюминиевых сплавов. Для поршневых сплавов важна незначительная величина усадки — только 1,2%. Другим важным легирующим злементом для Al вообще, но особенно для литейных сплавов, является Mg (до 10 %). Такие сплавы отличаются хорошей устойчивостью против коррозии. Следует еще упомянуть легирующие элементы Mn (до 15 %), Zn (до 6 %), а также в небольших количествах Cr (до 0,4 %) и Ti (до 0,3 %).
Сплавы AlMn все шире применяются вместо чистого алюминия, так как эти сплавы объединяют очень хорошую устойчивость против коррозии с прочностью, более высокой по сравнению с чистым алюминием.
Деформируемые сплавы. Содержание легирующих составных частей, а также примесей в деформируемых сплавах в целом меньше, чем в литейных. В то время как литейные сплавы часто производятся с применением скрапа (вторичные сплавы), повышенные требования к деформируемым сплавам требуют преимущественно их выплавки из металлургического алюминия (первичные сплавы). Нестареющими деформируемыми сплавами являются AlMg-сплавы, у которых высокая твердость из-за легирования и прочность не уменьшаются от отжига и сварки. Принципиально диаграмма состояния AlMg-сплавов с уменьшающейся, растворимостью Mg в Al при снижении температуры имеет необходимые предпосылки к дисперсионному твердению (рис. 9.4.32). Однако здесь оказывается, что эти необходимые предпосылки сами по себе еще недостаточны, а что вид форма выделения при распаде играют существенную роль. К этой группе не способных к дисперсии сплавов относятся AlMn-сплавы с содержанием Mn до 2 %. Более высокого содержания Mn избегают из-за выделения повышенно хрупких А16Мn-кристаллов.
Легкие металлы

Возможность повышения прочности алюминиевых сплавов благодаря механизму старения металла значительно расширяет область применения этой группы материалов и придает обработке дисперсионным твердением такое же значение, каким обладает изменение твердости в результате фазового превращения у железных материалов, но особенно у стали. Важные подвергающиеся старению сплавы принадлежат к типу AlSi. Нестареющие AlMg-сплавы становятся стареющими вследствие добавок Cu (дюралюминий), Si и Zn.
Новое поколение высокопрочных Al-сплавов представляют Al—Li-силавы например Al—Li—Cu—Mg-сплавы, способные к дисперсии.
Литий является самым легким металлом вообще, его плотность составляет только 20 % плотности алюминия. По сравнению с обычными высокопрочным А1-сплавами Al—Li-сплавы примерно на 10 % легче. Вместе с более высокой (на 10 %) жесткостью можно достигнуть экономии массы на 15 % в конструкционной детали. У аэробусов такие сплавы конкурируют с углеродоволокнистыми комбинированными материалами. Более новые разработки благодаря сильному легированию сплавов типа Al—Li-материалов позволяют избежать незначительной вязкости и раннего образования трещин.
Механизм дисперсионного твердения, термообработка и достигаемое повышение прочности обсуждаются на примере группы AlCu-сплавов в разделе 13.3. Многократно сплавляемые подвергнутые дисперсионному твердению Al-сплавы достигают по прочности уровня высококачественных сталей.
Спеченный алюминиевый порошок (САП) (SAP). Изготовленные из Аl-порошка спеченные материалы обеспечивают набор требований, которые нельзя достигнуть с помощью обычных алюминиевых сплавов. Спеченный материал, состоящий из чистого Al-порошка, содержит от 6 до 14 % тонкого поверхностного слоя Al2O3, который размещается вокруг мельчайших зерен порошка. Порошок из сплава алюминия с Fe и Cr, а также 0,5 % Al2O3 превосходит по пределу термической текучести даже Ti в области от 300 до 500 °С. Этот материал применяется для лопастей компрессоров, теплообменников, а также в ядерных реакторах.
Магний

Самыми важными легирующими элементами для магния, который не пригоден в чистом виде как конструкционный материал, являются Al, Mn и/или Zn. Затвердевающий в гексагональной структуре Mg плохо деформируется в холодном состоянии и имеет неблагоприятную устойчивость против коррозии. Вместе с Zn посредством дальнейшего легирования от 0,5 до 0,7 % Zr и Ce достигаются беспористая отливка, измельчение зерна и благодаря этому улучшенная деформируемость. Благодаря Th повышается жаропрочность. Новые разработки связаны с литейными сплавами Mg-Y, которые имеют очень хорошую механическую твердость, около 290 Н/мм2, последняя снижается при 300 °C только до примерно 200 Н/мм2.
Различные магниевые сплавы известны под названием "электрон”. Магниевая отливка имеет благоприятное отношение Rm к р. По сравнению с серым литьем при применении магниевой отливки образуется экономия массы от 60 до 80 %, а в отличие от высококачественного алюминиевого литья всегда создается экономия от 15 до 20 %. Деформируемые сплавы, например, с 8 % Cd, 6 % Al, 2 % Zn, достигают при горячей или холодной прокатке прочности Rm≥4000 Н/мм2.
Из-за ограниченной устойчивости против коррозии и трудностей при обработке применение Mg-сплавов сегодня ограничивается менее сильнонагруженными деталями, такими как корпус и покрытие.
Из диаграммы состояния (рис. 9.4.33) можно было бы ожидать до содержания сплава 10% Al структуру из первичных δ-твердых растворов с γ-сегрегациями. Благодаря незначительной скорости диффузии появляются, однако, нарушения , равновесия, так что также сплавы с менее чём 12,6 % Al показывают (δ+γ-эвтектику вырожденной формы. Кристаллы Al2Mg3 образуют характерные пластины, которые создают структуру, подобную перлитному эвтектоиду у стали. Длительный отжиг вблизи линии растворимости приводит фазу Al2Mg3 к столбчатому выделению на плоскости базиса (0001) гексагональных δ-твердых растворов.
Титан

Титан является невзаимодействующим и используется как плакирующий материал в строительстве химических установок. Он отличается высокой устойчивостью против коррозии, окисляющих водных коррозионных сред. Высокая антикоррозийность образуется вследствие очень стабильного пассивированного оксидного слоя, который может быстро образоваться при слабых средствах окисления.
Титановые сплавы отличаются высокой прочностью, прежде всего высокой жаропрочностью. Титановые сплавы с соответствующей термообработкой достигают прочности от 1200 до 1400 Н/мм2. Титановые сплавы применяются до температуры 500 °С, а кратковременно даже до 1000 °C и, таким образом, заполняют пробел между Al-сплавами, которые применяются до примерно 150 °C, и жаропрочными сталями.
Очень благоприятное отношение прочности на разрыв к плотности Rm/p делает титановый сплав весьма подходящим для облегченных деталей конструкций, подвергающихся сильной нагрузке, как это можно наглядно видеть на примере шатуна для высокомощного двигателя.
Высокая цена, обусловленная дорогостоящим производством титана, противостоит широкому применению, которое имеется у Al-сплавов, но при легких конструкциях он часто выгоднее прочных и очень высокопрочных сталей.
Легкие металлы

Как и железо, титан также обладает аллотропным превращением. До температуры 882 °C титан обладает гексагональной структурой, выше нее — о.ц.к. β-структурой с уменьшенным на 0,55 % объемом. Как и для стали, легирующие элементы для титана можно разделить на те, которые стабилизируют; α-структуру, и те, которые расширяют область β-фазы. Гексагональная; α-структура обладает ограниченной деформируемостью, которая при высоких температурах благодаря склонности к восприятию Н, O и N уменьшается дальше. Модуль E сравнительно незначителен.
Наряду с Al важнейшими легирующими элементами в технических титановых сплавах являются V, Sn, Mo, Zr, Nb. и Cr. Al стабилизирует β-фазу и его содержание составляет у технических сплавов ниже 10 %. Структуры технических титановых сплавов имеются в виде α-, (α + β)- или β-структуры, иногда с интерметаллическими соединениями. Очень различающаяся растворимость легирующих элементов в β- и α-фазе создает благодаря превращению перенасыщенный a-твердый раствор, который можно упрочнить путем отжига.
Бериллий

Чрезвычайно благоприятное отношение Rm/p и очень высокая теплоемкость вызывают определенный интерес к бериллию для особых целей. Бериллий имеет в 1,5 раза большую жесткость, чем сталь. Тормозные диски из бериллий вследствие высокой теплоемкости при одинаковых условиях остаются существенно более холодными, чем диски из стали. Если при одинаковых опытных условиях температура диска из стали после двухминутной тормозной нагрузки достигает 560 °С, то диска из бериллия — лишь 390 °C.
Однако гексагональный бериллий имеет склонность к крупнокристаллическому затвердеванию. Он чрезвычайно хрупок и имеет структурно обусловленную четко выраженную анизотропию. В агломерированной чистой форме, однако, можно хорошо осуществлять горячую деформацию. В воздухоплавании b космоплавании применяются сплавы бериллия с примерно 25 % Al, Mg и Si.
В строительстве реакторов бериллий имеет значение из-за нейтронной проницаемости.
Бериллиевые окна применяются в рентгенотехнике и рентгеноаналитике, так как они поглощают лишь малое ионизирующее излучение. Как легирующий материал бериллий используется в медных материалах для изготовления высокообжигаемых литейных и деформируемых сплавов. Для материалов с бериллием, однако, установлены четкие границы применяемости из-за его вреда здоровью и окружающей среде. Бериллиевая пыль чрезвычайно ядовита и ведет к заболеваниям легких и кожным повреждениям. (Подобные границы необходимо соблюдать также при применении тяжелых металлов, в частности кадмия, обладающего очень большой антикоррозионной устойчивостью, но ядовитость его нельзя недооценивать.)