Проекты

Влияние легирующих элементов и термической обработки на структуру и свойства сплавов на основе алюминия, используемых в промышленности

Работа призёра открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» в секции «Прикладная химия, физическая химия» среди работ учащихся 7−9 классов

Направление работы: Физика сплавов
Авторы работы: ГБОУ Школа № 953
Предметы: Физика, Химия
Классы: 9 класс
Мероприятия: Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» 2020 года

Актуальность

Век научно-технического прогресса предполагает создание новых материалов.

Алюминий – перспективный металл, область потребления которого постоянно растёт. Низкая прочность чистого алюминия не позволяет использовать его в чистом виде как конструкционный материал. Для повышения прочностных свойств прибегают к легированию и термической обработке.

Цель

Определить влияние добавления легирующих элементов и термической обработки на физические свойства (твёрдость) сплава на основе алюминия.

Задачи

1. Выбрать легирующие компоненты и определить их содержание в сплаве.

2. Выбрать вид термической обработки.

3. Получить сплавы и оценить их прочностные свойства и изменение структуры по сравнению с чистым алюминием.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

  • Муфельная печь SNOL8.2/1100
  • Трубчатая печь
  • Весы аналитические ВЛ-124В, ВЛ-224В
  • Твердомер Zwick roell
  • Оптический микроскоп Leica
  • Микроскоп Levenhuk 320/ D320L
  • Шлифовальный станок Metkon
  • Компьютер

Описание

Огромное потребления алюминия – это результат его замечательных свойств: высокая пластичность в сочетании с низкой плотностью, удовлетворительная коррозионная стойкость, хорошая литейная способность, возможность соединения алюминиевых деталей в различных конструкциях с помощью сварки, пайки, склеивании и других способов, способность к нанесению защитных и декоративных покрытий.

Алюминий, являющийся лёгким материалом, широко применяют в авиации, ракетной и космической технике, а также в автомобилестроении, судостроении, строительстве и других отраслях промышленности, так как даёт возможность снизить массу конструкций при одновременном повышении их прочности и жёсткости. Всё это в сочетании с большими запасами алюминия в земной коре делает перспективы развития производства и потребления алюминия весьма широкими. Однако низкая прочность чистого алюминия не позволяет использовать его в чистом виде как конструкционный материал. Для повышения прочностных свойств прибегают к легированию и термической обработке.

В работе методом литья были получены образцы чистого алюминия и его сплавов, проведена термическая обработка, а также исследованы их свойства и структура.

Результаты работы/выводы

В результате работы:

1. Были изучены основные закономерности изменения механических свойств в результате легирования и термического воздействия.

2. Методом литья были получены 3 материала различного состава; произведена термическая обработка (закалка) многокомпонентного сплава путём резкого охлаждения с 500 °С, сплавы Al-Si и Al-Si-Cu-Mg-Ti были предварительно подвержены гомогенизационному отжигу (выдержка при Т= 500 °С в течение 10 часов) для выравнивания состава.

3. После пробоподготовки (заливка в смолу, шлифовка и полировка) образцов была измерена твёрдость по Виккерсу, результаты показали, что 7 %-я добавка Si способствовала увеличению твёрдости в 1,5 раза (такое изменение твёрдости может быть обусловлено искажением кристаллической решётки, что вызывает упрочнение материала). Добавление 3 % Cu, 0,3 % Mg, 0,1 % Ti и сотые доли B способствовали 5-кратному увеличению твёрдости по сравнению с чистым Al. Закалённый многокомпонентный сплав стал немного мягче по сравнению с незакалённым (который был в 4 раза твёрже исходного чистого алюминия), что может быть использовано в качестве операции смягчения сплава перед его обработкой (резкой).

4. Была исследована структура сплавов с помощью оптического микроскопа. После травления образцов Al и Al-7 % Si наблюдалась зёренная структура с размером зёрен 150–200 мкм. Такая структура типична для незначительно легированных сплавов. На образцах многокомпонентного сплава в обычном и закалённом состоянии наблюдались игольчатые фазы. Образование данных фаз произошло из-за наличия в достаточном количестве ряда элементов, которые образуют дополнительные фазы, вызывающие изменение механических свойств.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

НИЦ «Курчатовский институт»