Алюминий занимает в области выбора инженерных материалов такое место, с которым могут сравниться лишь немногие металлы. Сочетание низкой плотности, хороших механических характеристик, естественной коррозионной стойкости, а также высокой тепло- и электропроводности делает его по-настоящему универсальным материалом для широкого спектра отраслей и областей применения — от конструкций для аэрокосмической промышленности и кузовных панелей автомобилей до теплообменников, электрических проводников и оборудования для пищевой промышленности. Подробное понимание свойств алюминия является основой для его эффективного использования и осознания того, в каких случаях его ограничения имеют значение.
Наиболее очевидным полезным свойством алюминия является его низкая плотность. Плотность алюминия составляет примерно одну треть от плотности стали или меди, что делает его одним из самых легких конструкционных металлов, доступных на рынке. Благодаря этому он становится естественным выбором во всех областях применения, где минимизация массы является основным фактором при проектировании: конструкции самолетов, кузова автомобилей, переносное оборудование и кровельные системы с большим пролетом — во всех этих случаях используются именно эти свойства алюминия.
Однако сама по себе низкая плотность не делает материал пригодным для использования в качестве конструкционного. Что действительно делает алюминий конкурентоспособным по сравнению с более тяжёлыми металлами, так это его соотношение прочности к весу. Чистый алюминий обладает умеренной прочностью на разрыв, но добавление легирующих элементов существенно изменяет эту характеристику. Марганец, кремний, медь и магний в различных комбинациях дают семейства сплавов, прочность которых можно адаптировать к конкретным задачам как за счет состава, так и за счет термической обработки. Высокопрочные алюминиевые сплавы, используемые в аэрокосмической отрасли, могут достигать прочности на разрыв, сопоставимой со многими конструкционными сталями, при этом веся менее половины их массы.
Одним из наиболее важных с практической точки зрения свойств алюминия является его естественная коррозионная стойкость. При контакте с воздухом на поверхности алюминия практически мгновенно образуется тонкий устойчивый оксидный слой. Этот слой прочно прилипает к металлу и обладает способностью к самовосстановлению: если поверхность поцарапана или повреждена, оксидный слой немедленно восстанавливается при контакте с кислородом. В результате получается материал, который хорошо себя ведет в атмосферных условиях, в пресной воде и в широком диапазоне химических сред, не требуя нанесения защитных покрытий.
Алюминий устойчив к воздействию большинства кислот, но менее устойчив к щелочам, и это следует учитывать при его выборе для применения в условиях химической обработки. В случаях, когда требуется усиленная защита поверхности, анодирование позволяет значительно утолщить оксидный слой, а также может служить декоративным целям. Присущая алюминию коррозионная стойкость в сочетании с его нетоксичностью является причиной его широкого применения в пищевой промышленности, при производстве упаковки, кухонного оборудования и посуды.
Теплопроводность алюминия примерно в три раза выше, чем у стали, что делает его важным материалом везде, где требуется эффективная теплопередача. Теплообменники, автомобильные радиаторы, системы охлаждения электроники и кухонная посуда — во всех этих устройствах это свойство используется напрямую. В областях применения, где управление тепловым потоком имеет такое же важное значение, как и несение конструктивной нагрузки, алюминий зачастую представляет собой наиболее эффективное решение как с точки зрения тепловых характеристик, так и с точки зрения веса.
Алюминий обладает достаточно высокой электропроводностью, что позволяет использовать его в качестве практичного электропроводника, благодаря чему он является одним из двух коммерчески доступных металлов, которые наряду с медью повсеместно применяются для этих целей. Хотя его проводимость в расчёте на единицу объёма ниже, чем у меди, проводимость в расчёте на единицу веса значительно выше, поэтому алюминий является предпочтительным материалом для проводников высоковольтных воздушных линий электропередачи, где важно свести вес кабеля к минимуму. Преимущество в стоимости по сравнению с медью также является значительным фактором при строительстве крупномасштабной электроэнергетической инфраструктуры.
Алюминиевые сплавы, как правило, обладают хорошей вязкостью разрушения, то есть способны поглощать энергию и противостоять распространению трещин в условиях нагрузки, которые привели бы к хрупкому разрушению менее пластичных материалов. Эта особенность в сочетании с хорошей формуемостью делает алюминий идеальным материалом для обработки методами прокатки, экструзии, волочения, ковки и литья. Легкость, с которой алюминий можно экструдировать в сложные профили, особенно ценится в архитектуре и строительстве, где требуются нестандартные поперечные сечения.
Внешний вид алюминия с его естественно блестящей и гладкой поверхностью также является функциональным преимуществом в тех областях применения, где наряду с эксплуатационными характеристиками важна эстетика, например, в бытовой электронике, архитектурной облицовке и интерьерах транспортных средств.
В приведенной ниже таблице представлены основные физические свойства алюминия и его сплавов для типичных инженерных марок. Значения зависят от состава сплава, состояния и температуры; указанные диапазоны соответствуют общепринятой коммерческой практике.
Таблица 1. Типичные диапазоны физических и механических свойств инженерных алюминиевых сплавов.
Свойство
Типичный диапазон
Плотность
от 2,6 до 2,9 г/см³
Модуль упругости
от 69 до 72 ГПа
Коэффициент Пуассона
от 0,32 до 0,34
Теплопроводность
от 120 до 230 Вт/м·K
Коэффициент теплового расширения
от 21 до 24 × 10⁻⁶/K
Электропроводность
от 16 до 35 МС/м
Предел прочности при растяжении (кованные сплавы)
от 70 до 700 МПа
Модуль упругости алюминия, составляющий примерно от 69 до 72 ГПа, равен примерно одной трети модуля упругости стали. Это имеет непосредственное значение для конструкций, в которых определяющим фактором является жесткость: при одинаковой нагрузке алюминиевая деталь прогибается примерно в три раза сильнее, чем геометрически идентичная стальная деталь. На практике эту проблему решают за счет геометрии сечения, поскольку экструзия и формовка позволяют использовать алюминий в формах сечений, которые эффективно компенсируют недостаток жесткости.
Свойства готового алюминиевого изделия определяются тремя взаимосвязанными факторами: составом сплава, состоянием и технологическим процессом.
Состав сплава является основной переменной. Четырёхзначная система обозначений, используемая для кованых алюминиевых сплавов, отражает основные легирующие элементы: сплавы серии 2xxx имеют медь в качестве основного легирующего элемента и обладают высокой прочностью; в сплавах серии 5xxx используется магний, обеспечивающий хорошую коррозионную стойкость и свариваемость; сплавы серии 6xxx обеспечивают баланс между прочностью, коррозионной стойкостью и экструдируемостью за счет добавок кремния и магния; сплавы серии 7xxx, в которых используются цинк и магний, обладают самой высокой прочностью среди всех алюминиевых сплавов и являются основным выбором для изготовления конструкций в аэрокосмической отрасли. Полную систему классификации марок см. в разделе «Марки алюминия».
Состояние определяет состояние, в котором поставляется сплав: в исходном виде, отжиженный, упрочненный деформацией или термообработанный. Обозначение состояния, добавляемое к номеру сплава, определяет фактические механические свойства изделия. Один и тот же состав сплава в разных состояниях может существенно различаться по пределу текучести, пределу прочности при растяжении и пластичности.
Технологический маршрут, включая степень прокатки, условия экструзии и параметры термической обработки, определяет конечную микроструктуру и, следовательно, значения конкретных свойств в пределах, допускаемых составом и состоянием материала.
В данной статье рассматриваются свойства, определяющие эксплуатационные характеристики алюминия. В других руководствах серии «Алюминий» рассказывается о том, откуда берутся эти свойства и как они определяются. В разделе «Марки алюминия» объясняется, как сплавы классифицируются по сериям, каждая из которых отличается собственным соотношением описанных здесь характеристик. В разделе «Технические условия на алюминий» рассматриваются система обозначений и система обозначения состояний, которые определяют точный состав и состояние материала, а в разделе «Стандарты на алюминий» объясняются нормативные рамки, регулирующие эти обозначения.
Свойства, благодаря которым алюминий наиболее востребован в машиностроении, — это низкая плотность, хорошее соотношение прочности к весу, естественная коррозионная стойкость, высокая теплопроводность и электропроводность. Какое из этих свойств является наиболее важным, зависит от области применения: в аэрокосмической и транспортной отраслях приоритетом является соотношение прочности к весу; в системах теплопередачи — теплопроводность; в электроэнергетике — электропроводность на единицу веса; в пищевой и химической промышленности — коррозионная стойкость и нетоксичность.
При контакте с воздухом на поверхности алюминия практически сразу образуется тонкий слой оксида алюминия. Этот слой является устойчивым, обладает способностью к самовосстановлению и прочно прилипает к металлу, обеспечивая алюминию врождённую коррозионную стойкость, благодаря чему в большинстве сред ему не требуется защитное покрытие. Толщину оксидного слоя можно целенаправленно увеличить с помощью анодирования для применений, требующих повышенной защиты или определённой поверхности. Алюминий хорошо себя проявляет в атмосферных условиях и в пресной воде, но менее устойчив к щелочам и некоторым конкретным химическим средам.
Хотя медь обладает более высокой электропроводностью на единицу объёма, алюминий имеет значительно более высокую электропроводность на единицу массы. В случае воздушных линий электропередачи, где кабель должен проходить на большие расстояния и выдерживать собственный вес, снижение веса за счёт использования алюминия является определяющим фактором. Кроме того, алюминий значительно дешевле меди, что имеет большое значение при строительстве инфраструктуры высоковольтных линий электропередачи.
Модуль упругости алюминия составляет примерно от 69 до 72 ГПа, что примерно в три раза меньше, чем у стали. Это означает, что алюминиевая деталь при той же нагрузке прогибается примерно в три раза сильнее, чем геометрически идентичная стальная деталь. В конструкциях, где жесткость играет определяющую роль, это необходимо компенсировать за счет геометрии сечения, как правило, путем использования более крупных или более эффективных сечений. Хорошая новость заключается в том, что благодаря простоте экструзии алюминия можно легко проектировать сечения, которые восполняют этот дефицит жесткости, оставаясь при этом в целом более легкими, чем эквивалентные стальные детали.
Чистый алюминий обладает относительно невысокой прочностью на разрыв. Добавление легирующих элементов, таких как медь, магний, марганец, кремний и цинк, позволяет создавать группы сплавов, прочность которых может быть значительно выше, чем у чистого алюминия, и которую можно дополнительно повысить с помощью термической обработки. Сплавы серии 7xxx, в состав которых входят цинк и магний, обладают наибольшей прочностью: их предел прочности на разрыв в состоянии с максимальной выдержкой составляет от 500 до 700 МПа.