Механические свойства алюминиевых сплавов

785763 826531

ISBN 978-5-7638-2653-1

Монография

Институт цветных металлов и материаловедения

механические 
свойства 
алюминиевых 
сплавов

В монографии дан анализ имеющихся в научнотехнической литературе результатов исследований механических свойств алюминиевых сплавов и рассмотрены 
подходы различных авторов к вопросам по определению 
сопротивления деформации металла в зависимости от 
температурно-скоростных и деформационных условий 
обработки. Описано оборудование и методики исследования механических свойств металла с помощью кручения 
и растяжения. Приведены результаты исследований сопротивления деформации прессованных полуфабрикатов 
из алюминиевых сплавов различных систем методом кручения и прямого прессования. Дана оценка механических 
свойств и описание структуры литых и деформированных 
полуфабрикатов из алюминиевых сплавов с переходными 
и редкоземельными металлами.

Механические свойства алюминиевых сплавов 

МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ  И  НАУКИ  РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

СИБИРСКИЙ  ФЕДЕРАЛЬНЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
МЕХАНИЧЕСКИЕ  СВОЙСТВА 
АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ 
 
 
Монография 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Красноярск 
СФУ 
2012 

УДК 621.777:67.017 
ББК  34.5 
М55 
 
Авторы: 
Н. А. Грищенко, С. Б. Сидельников, И. Ю. Губанов,  
Е. С. Лопатина, Р. И. Галиев 
 
Рецензенты: 
В. Н. Перетятько, доктор технических наук, заслуженный деятель 
науки и техники, профессор, заведующий кафедрой ОМДиМ Сибирского государственного индустриального университета; 
Г. С. Гун, доктор технических наук, профессор, советник ректора 
Магнитогорского государственного технического университета  
 
 
 
 
М55 
 
Механические свойства алюминиевых сплавов : монография / 
Н. А. Грищенко, С. Б. Сидельников, И. Ю. Губанов [и др.]. – 
Красноярск : Сиб. федер. ун-т, 2012. – 196 с. 
ISBN 978-5-7638-2653-1 
 
 
В монографии дан анализ имеющихся в научно-технической литературе 
результатов исследований механических свойств алюминиевых сплавов 
и рассмотрены подходы различных авторов к вопросам по определению сопротивления деформации металла в зависимости от температурноскоростных и деформационных условий обработки. Описано оборудование 
и методики исследования механических свойств металла с помощью кручения и растяжения. Приведены результаты исследований сопротивления деформации прессованных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов различных систем методом кручения и прямого прессования. Дана оценка механических свойств и описание структуры литых и деформированных полуфабрикатов из алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами. 
Предназначена для научных сотрудников, аспирантов и инженернотехнических работников, специализирующихся в области прессового производства, а также может быть полезна студентам профиля и специальности 
«Обработка металлов давлением». 
 
УДК 621.777:67.017 
ББК 34.5 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7638-2653-1 
 
 
© Сибирский федеральный университет, 2012 

 
 
Предисловие 

3 

К 50-летию 
кафедры обработки металлов давлением 
института цветных металлов и материаловедения 
Сибирского федерального университета 
 
К 100-летию со дня рождения 
кандидата технических наук, профессора кафедры  
Дмитрия Ильича Суярова 
 
 
 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
В данной работе представлены результаты многолетних исследований, выполненных учеными кафедры обработки металлов давлением 
(ОМД) Красноярского института цветных металлов, ныне входящего в состав Сибирского федерального университета. В 2012 году исполняется 
50 лет работы кафедры на красноярской земле.  
Основоположником научных работ, посвященных изучению свойств 
цветных металлов и сплавов, был профессор, кандидат технических наук 
Дмитрий Ильич Суяров.  
 

 

Предисловие 

4 

Известный ученый-металлург, крупный исследователь в области обработки черных, цветных металлов и специальных сплавов.  
Д.И. Суяров родился в 1912 году в г. Харькове. Закончил Ростовский 
институт сельскохозяйственного машиностроения и работал на Мотовилихинском заводе (г. Пермь). После окончания войны поступил в аспирантуру, защитил кандидатскую диссертацию и стал работать старшим научным 
сотрудником Уральского филиала АН СССР в г. Свердловске. С его именем связано восстановление и организация производства белой жести на 
металлургических заводах Урала, освоение новых станов ленточной прокатки. Под руководством Д.И. Суярова подготовлено и защищено 
7 кандидатских диссертаций, он являлся руководителем наиболее передовых направлений исследований в области современных технологических 
процессов обработки труднодеформируемых алюминиевых сплавов и наряду с этим вел большую работу по совершенствованию учебного процесса и воспитанию студенческого коллектива кафедры. На протяжении многих лет Д.И. Суяров был активным членом общества металлургов, ему 
принадлежит одна из первых экспериментальных работ о наследственных 
свойствах металлов при горячей пластической обработке.  
Научная деятельность Д.И. Суярова всегда отличалась живой связью 
с промышленностью, он принимал активное участие в разработке передовых методов прокатки алюминиевых сплавов на различных предприятиях 
отрасли, что дало возможность повысить экономическую эффективность 
производства. Д.И. Суяров – автор более 140 научных работ, в том числе 
более 100 научных статей, 14 авторских свидетельств, 7 монографий 
и учебных пособий («Механика пластической среды», «Упрочнение и разупрочнение металлов и сплавов при горячей пластической деформации», 
«Расчет оптимальных режимов при горячей прокатке широких полос на 
реверсивных станах», «Физико-механические основы расчетов параметров 
пластической обработки металлов» и др.). 
В настоящее время его учениками продолжаются работы по изучению реологических свойств цветных металлов и сплавов при различных 
температурно-скоростных условиях деформации. 
 
 

Введение 

5 

ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Особенностью развития металлургических предприятий Красноярского края является создание мощных производственных центров по изготовлению прутково-профильной продукции из алюминиевых сплавов. В качестве ведущих предприятий можно выделить Красноярский металлургический 
завод, литейно-прессовый завод «Сегал», завод «Сиблента» и др. Проблемы 
освоения прессового производства обусловили развитие исследований по 
изучению механических свойств деформированных полуфабрикатов, полученных методом горячего прессования из различных алюминиевых 
сплавов.  
Алюминий и его сплавы благодаря своим уникальным техникоэксплуатационным характеристикам занимают большое место в современной промышленности [1, 2]. Наличие таких свойств, как высокая электропроводность и коррозионная стойкость, в сочетании с небольшим весом 
привели к тому, что алюминий и его сплавы нашли широкое применение 
в машиностроении, электроэнергетике, транспорте, авиации и т.п. 
Прессованные полуфабрикаты (профили, прутки, трубы, панели) [3–6] 
изготавливают из алюминиевых сплавов различных систем, основными 
из которых являются Al–Mn, Al–Mg (магналии), Al–Mg–Si (авиали),  
Al–Cu–Si (дюрали) Al–Si (силумины), Al–Zn–Mg, Al–Zn–Mg–Cu,  
Al–Cu–Mg–Ni–Fe, Al–Cu–Mn, Al–Cu–Mg–Si и др. В связи с этим область 
исследований механических свойств значительно расширена и необходимость их проведения для совершенствования технологии прессового производства не вызывает сомнений. Немаловажным следует считать и появление новых разработок в области изготовления пресс-изделий из алюминиевых сплавов систем Al–Ti–B, Al–Zr, Al–Ce, Al–Li и др., полученных 
с применением операций литья и ОМД, гранулирования и других методов 
обработки.  
Изучению механических свойств алюминиевых сплавов посвящены 
работы многих отечественных ученых, таких как С.И. Губкин, А.М. Галкин, Г.Я. Гун, В.М. Дуденков, В.З. Ерманок, В.И. Зюзин, П.Г. Микляев, 
П.И. Полухин, Б.А. Прудковский, В.С. Смирнов, Д.И. Суяров, Л.Д. Соколов, А.В. Третьяков, В.Н. Щерба и др. [7–12].  
Среди методов для определения механических свойств [7] наибольшее распространение получили следующие: растяжение, кручение, сжатие, 
ударный изгиб и др. Однако высокие степени деформации, характерные 
для прессования, ограничили применение этих методов и в настоящее время для определения реологических характеристик алюминиевых сплавов 
используют в основном методы кручения, растяжения и сжатия. В связи 

Введение 

6 

с этим ниже приведены результаты исследований механических свойств 
пресс-изделий из алюминиевых сплавов, полученные с использованием 
испытательных машин, на которых можно реализовать растяжение и кручение.  
Данная работа выполнена в рамках госбюджетной темы «Исследование реологических характеристик деформированных полуфабрикатов из 
сплавов цветных металлов с использованием новых технологий совмещенной обработки и модифицирования» и договора Минобрнауки России 
№ 13.G25.31.0083 по теме «Разработка технологии получения алюминиевых сплавов с переходными и редкоземельными металлами и высокоэффективного оборудования для производства электротехнической катанки». 
В подготовке материалов, вошедших в монографию, принимали 
участие преподаватели, аспиранты и научные сотрудники института 
цветных металлов и материаловедения Сибирского федерального университета Н.Н. Довженко, С.В. Беляев, В.И. Белокопытов, Н.Н. Загиров, 
Т.Н. Дроздова, Т.А. Орелкина, В.Н. Баранов, В.А. Падалка, И.Н. Довженко, 
Р.Е. Соколов, Д.С. Ворошилов, Э.А. Рудницкий, В.М. Беспалов и др., 
а также сотрудники ООО «РУСАЛ ИТЦ» Л.П. Трифоненков, В.Ф. Фролов, 
А.В. Сальников, С.В. Солдатов и др. 
Авторы заранее выражают благодарность читателям за конструктивные замечания и предложения по книге и надеются, что настоящее издание 
может оказаться полезным для аспирантов, научных сотрудников и заводских работников, специализирующихся в области металлургического 
производства, а конкретнее – получения прессованной продукции из алюминиевых сплавов. 
 

1.1. Сопротивление металла деформации 

7 

Глава 1 
 
АНАЛИЗ  РЕЗУЛЬТАТОВ  ИССЛЕДОВАНИЙ  
МЕХАНИЧЕСКИХ  СВОЙСТВ  АЛЮМИНИЕВЫХ  СПЛАВОВ  
 
 
К основным механическим свойствам металлов и сплавов [7] относятся прочность, пластичность, твердость, вязкость, ползучесть и др. Для 
процессов обработки металлов давлением особо важны прочностные 
и пластические свойства, так как прочностные обуславливают точность 
расчета энергосиловых параметров и выбор деформирующего оборудования, а пластические  используются для оценки склонности изделий к разрушению и их деформируемости. 
Одной из основных величин, определяющих силовые параметры 
процессов обработки давлением, является сопротивление металла деформации σs. Так, например, расчет силы прессования базируется на осреднении сопротивления деформации, полученного из опытов растяжения, 
сжатия или кручения. Поскольку процесс прессования характеризуется 
значительным нарастанием величины и скорости деформации в пластической области, осреднение связано с введением разного рода допущений, 
не имеющих строгих обоснований.  
 
 
1.1. Сопротивление металла деформации 
 
С.И. Губкин сопротивление деформации представлял как функцию 
температуры, величины и скорости деформации, гидростатического давления, химического состава и структуры материала [11, 12]. 
При расчетах технологических процессов, как правило, принимается, 
что гидростатическое давление и структура оказывают небольшое влияние 
на сопротивление деформации, а химический состав сплава принимается 
неизменным. В этом случае сопротивление деформации рассматривают 
как функцию температуры, скорости и величины деформации: 
 
( , , ).
s
f T
σ =
ξ ε                                             (1.1) 

 
В научно-технической литературе имеется много экспериментальных работ по исследованию сопротивления деформации, результаты которых представлены в виде графиков и эмпирических формул [13–40]. Наиболее распространенные из формул указаны в табл. 1.1.  

Глава 1. Анализ результатов исследований механических свойств алюминиевых сплавов  

8 

Одна из первых формул для расчета сопротивления деформации 
предложена П.Л. Людвиком в работе [13]: 
 

s
0
0
ln
с
⎛
⎞
ξ
σ = σ + ⋅
⎜
⎟
ξ
⎝
⎠ ,                                        (1.2) 

 
где σ0 – начальное сопротивление деформации, которое имеет место при 
скорости деформации 
0
ξ = ξ ; с – коэффициент, учитывающий температуру, 
химический состав металла и другие факторы. 
Формулы этого же типа получены И.Я. Тарновским, М.А. Зайковым, 
Л. Прандтлем, А. Надаи, Е. Орованом, К. Лауэ и др. 
Другой тип формул рекомендован Ф.Ф. Витманом, В.А. Степановым, С.И. Губкиным, М.В. Врацким, П. Людвиком, А. Рейте, Э. Зибелем, 
А. Помпом, А. Надаи и имеет вид [14] 
 

0
в
s
σ = σ ⋅ε ,                                                 (1.3) 

 
где в – коэффициент, учитывающий влияние скорости и величины деформации. 
Некоторые авторы полагают влияние температуры более существенным, чем влияние скорости деформации. Например, М.А. Зайков в работе [15] предложил формулу  
 

0
(
)
0
T
T
s
l β
−
σ = σ ⋅
,                                          (1.4) 

 
где β – коэффициент, учитывающий действие температуры на сопротивление деформации; Т0 – температура плавления; Т – температура деформации. 
Л.Б. Злотин и М.З. Ерманок [16], считая возможным описать влияние 
скорости и величины деформации через t – продолжительность пребывания металла в состоянии пластического течения, выражают сопротивление 
деформации в виде формулы 
 
lg
b
t
s
a е− ⋅
σ =
⋅
,                                            (1.5) 

 
где а и b – коэффициенты, зависящие от природы металла и его температуры. 
 

1.1. Сопротивление металла деформации 

9 

Таблица 1.1  
 
Экспериментальные данные о сопротивлении деформации алюминиевых  
сплавов в работах отечественных и зарубежных авторов 
 

Автор 
Материал 
Вид  
испытания
Параметры  
испытания 
Сущность полученных  
результатов 

Надаи 
Мэнджойн 
АД1 
Растяжение
Т = 20–600 °С 
ξ = 10–6–103 с–1 

Зависимость сопротивления деформации от скорости усиливается с ростом 
температуры 

Л.Д. Соколов 
АД1 
Сжатие 
Т = 200–500 °С 

υ = 0,01–2 000 мм
с

Влияние скорости на истинное напряжение усиливается с ростом температуры. Связь между напряжениями 
и 
скоростями 
слабеет по мере роста, и 
увеличение скорости деформирования в несколько 
раз в области высоких 
скоростей практически не 
сказывается на изменении
напряжений 

Л.Д. Соколов 
АД1 
Сжатие 
Т = 20–500 °С 

υ = 0,01–2 000 мм
с

Скоростной коэффициент 
зависит от степени деформации 

А.Т. Донец 
АД1 
Кручение 
Т = 20–400 °С 
ξ = 0,77–2,32 с–1 

Максимум на кривых сопротивления не обнаруживается 

Алдер 
Филлипс 
АД1 
Сжатие на 
кулачковом 
пластометре

Т = 20–500 °С 
ξ = 1–30 с–1 

Сопротивление деформации описывается формулой (1.2) 

К.В. Савицкий 
М.П. Загребенникова 

Дюраль 
разного 
состава 
Растяжение
Т = 80–390 °С 

Кривые сопротивления деформации при температурах испытаний до 150 °С
монотонно 
возрастают, 
при температурах испытания больше 150 °С кривые 
имеют максимум 

Арнольд 
Паркер  

АД1 
АМЦ 
АМг 
АВ 
АК8 

Сжатие на 
пластометре
Т = 300–550 °С 
ξ = 1–30 с–1 

Максимумы 
на 
кривых 
сопротивления 
деформации наиболее ярко выражены для твердых сплавов. Возрастание сопротивления деформации под 
действием скорости наиболее выражено в области 
повышенных температур