Алюминиевые сплавы в строительстве. Сортамент. Виды, применение

1 Деформируемые алюминиевые сплавы, рекомендованные для строительства

1.1 Условные обозначения сплавав

Алюминиевые сплавы представляют собой двойные, тройные и более сложные системы с различной растворимостью компонентов в твердом состоянии. Для упрощения маркировки в обозначении некоторых сплавов, кроме алюминия, с помощью букв отражается еще один элемент (основной компонент), а цифрами - его процентное содержание;

АМц - алюминиево-марганцевый сплав.

АМг - алюминиево-магниевый.

АВ - алюминиево-кремниевый (авиаль).

Д - дуралюмин.

В - высокопрочный сплав.

В маркировке сплавов после цифр могут быть еще буквы, которые обозначают состояние поставки проката или листа, то есть вид механической или термической обработки металла.

1.2 Механическая и термическая обработка алюминиевых сплавов

Возможно упрочнение сплавов путем деформации заготовок в холодном состоянии. Благодаря наклепу прочность металла увеличивается, a относительное удлинение падает.

Возможны две степени механической обработки - полуна-гартовка и нагартовка. Полунагартованные листы могут применяться для конструкций, при изтотовлаиии которых требуется гибка или сварка. Нагартованные листы подвергать этим видам обработки не рекомендуется, так как есть опасность появления трещин или разрывов.

Термической обработке подвергаются тройные сплавы типа "алюминий - медь - магний". При обычной температуре эти сплавы состоят из  - твердого раствора, включений соединения меди с алюминием и тройной фазы - "алюминий - медь - магний".

Все эти составляющие на микрошлифе дают светлое поле, на котором выделяются темно-фиолетовые зерна соединений железа. В прессованном и отожженном металле не наблюдается какого-либо зернистого строения. Термическая обработка этих сплавов с целью их упрочнения производится в две стадии:

1) Закалка заключается в нагревании металла в узких пределах температур - от 495 до 510^ и в быстром охлаждении. При этом структурные образующие - соединения алюминия с медью и магнием - переходят в твердый однофазный раствор, который после быстрого охлаждения при нормальной температуре становится пересыщенным. При этом проявляется мозаичная структура.

2) Если сразу же после закалки испытать такой образец на разрыв, то повышения прочности отмечено не будет. Упрочнение наблюдается спустя некоторое время после закалки, когда пройдет процесс старения. Этот процесс может происходить либо самопроизвольно при обычной температуре в течение 4-5 суток (особенно в первые сутки) - это естественное старение, либо ускоренно, за несколько часов, при температуре около 150^ - искусственное старение.

Процесс старения заключается в том, что из твердого пересыщенного раствора выпадает новая кристаллическая, более прочная, чем основной металл, фаза в виде соединений алюминия с медью, которая как бы армирует поверхность кристаллов, в результате чего повышается прочность металла.

Благодаря термической обработке предел прочности сплава увеличивается в 1,3-1,5, а для некоторых сплавов в два раза. Относительное удлинение при этом несколько уменьшается (на 10-20%,).

Буквенные обозначения механической и термической обработки алюминиевых сплавов (состояние поставки):

П - полунагартованные.

Н - нагартованные.

М - отожженные.

Т - закаленные и естественно состаренные.

TI - закаленные и искусственно состаренные.

Деформируемые сплавы разделяют на две группы: термически необрабатываемые и термически обрабатываемые.

1.3 Термически неупрочняемые алюминиевые сплавы

а) А л ю м и н и е в о - м а р г а н ц е в ы й с п л а в АМц

Содержит 1-1,6%. марганца. Сплав имеет низкий предел прочности - 11-17 кг/мм². Сваривается. Как правило, используется для ограждающих конструкций.

б) А л ю м и н и е в о - м а г н и е в ы й сплав АМг-6Т.

По стойкости против коррозии алюминиево-магниевые сплавы занимают первое место после технически чистого алюминия. Хорошо свариваются. Применяются для листовых и для сварных стержневых конструкций.

Наибольшее распространение из алюминиево-магниевых сплавов получил в строительстве сплав АМг-6Т, который содержит около 6% магния и до 0,2% титана (что в марке сплава обозначено буквой Т). Предел прочности АМг-6Т -32 кг/мм² и относительное удлинение- 15%.-

Может быть рекомендован для изготовления ответственных сварных конструкций, так как при сварке теряет прочность незначительно.

Общими свойствами группы термически необрабатываемых сплавов являются: невысокая прочность и хорошая свариваемость. Для повышения прочности листов, изготовляемых из сплавов этой группы, применяется полунагартовка.

1.4 Термически обрабатываемые алюминиевые сплавы

а) Д у р а л ю м и н ы

Из всех алюминиевых сплавов наибольшее распространение получили дуралюмины благодаря их высокой прочности. Это термически упрочненные сплавы: Д1-Т, Д6-Т, Д-16-Т. Они характеризуются большим содержанием меди (4-5%). В меньших количествах в них входят магний и марганец. Техническими условиями проектирования конструкций из алюминиевых сплавов рекомендован к применению в строительстве высокопрочный сплав Д16-Т, как наиболее экономичный. Его предел прочности - до 49 кг/мм², относительное удлинение - 10%. Расчетные сопротивления Д16-Т превосходят характеристики стали 3 и близки к сталям повышенного качества (см. приложение I, табл. 1).

Одним из недостатков дуралюминов является меньшая по сравнению с другими сплавами стойкость против коррозии. Поэтому конструкции, выполненные из дуралюмина, следует окрашивать.

б) А л ю м и н и е в о-к р е м н и е в ы й с п л а в АВ-Т1 (а в и а л ь)

В состав сплава входят кремний, магний, марганец и медь - всего от 2 до 3%. В отличие от других компонентов кремний не образует соединения с алюминием. Здесь возникает соединение кремния с магнием, которое имеет высокую прочность и малую пластичность. Это соединение рассматривается на диаграмме состояний сплава как основной компонент. Растворимость соединения в алюминии ограничена, поэтому возможно получение пересыщенного твердого раствора и, следовательно, возможна термическая обработка сплава.

Предел прочности АВ-Т1 - 33 кг/мм². В этом отношении этот сплав приближается к стали. Рекомендуется применять его для ответственных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивных условиях.

в) В ы с о к о п р о ч н ы е с п л а в ы В65, В95, В96

В состав этих сплавов входят медь, цинк и другие легирующие элементы. По прочности данные сплавы выше низколегированных сталей. Но пока высокопрочные сплавы дороги и в строительстве могут быть использованы лишь для специальных целей. В качестве недостатка этих сплавов отмечается понижение прочности металла при нагревании их до 150^. Сплав В65-Т применяется для изготовления заклепок.

Общими чертами всей группы термически обрабатываемых сплавов являются: высокая прочность, достигаемая в результате термического упрочнения, но в то же время нерациональность использования для них сварки в качестве соединения элементов, так как при сварке происходит отжиг околовшной зоны и, как правило, образование трещин, а следовательно, понижение прочности сварной конструкции.

2 Свойства алюминиевых сплавов как материала строительных конструкций

2.1 Диаграмма растяжения - сжатия алюминиевых сплавов

В стадии упругой работы на растяжение - сжатие алюминиевые сплавы имеют большие относительные удлинения, чем стали (фиг. 1).

Модуль упругости сплавов (тангенс угла наклона прямой на диаграмме) почти в три раза меньше, чем модуль упругости стали. Сплавы АМц, АМг, АВ имеют Е=710000 кг/см², модуль упругости дуралюмина в зависимости от марки находится в пределах 730000 -750000 кг/см².

Таким образом, деформации элементов, выполненных из алюминиевых сплавов, при равных напряжениях будут почти в три раза больше, чем деформации стальных элементов. Поэтому, применяя алюминиевые сплавы в несущих конструкциях, необходимо предусматривать мероприятия по увеличению жесткости сооружения. Модуль сдвига алюминиевых сплавов находится в пределах 266000-280000 кг/см². Коэффициент Пуассона - 0,32 - 0,36.

Особенностью диаграммы растяжения-сжатия этих сплавов является то, что на ней нет площадки текучести, которая имеется на диаграмме малоуглеродистых сталей. Однако пластические свойства алюминиевых сплавов на диаграмме проявляются: после исчерпания упругой стадии (предел пропорциональности) деформации нарастают быстрее, чем напряжения. После достижения предела прочности на образце появляется шейка, затем наступает разрыв.

В качестве предела текучести алюминиевых сплавов условно принимают напряжения, после снятия которых элемент будет иметь остаточные деформации 0,2%. Разгрузка образца из любой стадии напряженного состояния происходит по прямой, параллельной первоначальному участку диаграммы.

Нужно отметить, что показатели прочности алюминиевых сплавов в значительной степени зависят от характера термической я механической обработки детали. Так, например, дуралюмин Д16 в отожженном состоянии (Д16-М) имеет предел прочности 25 кг/мм². После термического упрочнения (закалка и старение) Д16-Т имеет предел прочности - 49 кг/мм².

2.2 Устойчивость элементов, изготовленных из алюминиевых сплавов

Вследствие пониженного модуля упругости по сравнению со сталью критические напряжения для сжатых алюминиевых элементов ниже критических напряжений потери устойчивости стальных элементов при одинаковых геометрических размерах элемента. В расчете это отражается на понижении величины коэффициента устойчивости  (фиг.2; приложение I, табл. 6). Следовательно, проектируя конструкции из алюминиевых сплавов, необходимо принимать специальные меры по уменьшению расчетных длин сжатых элементов и по увеличению радиусов инерции их сечений.

Вычисление коэффициента  для центрально сжатых элементов большой гибкости, в которых потеря устойчивости может произойти без развития пластических деформации, выполнено по теории устойчивости Эйлера. Предельная гибкость, при которой справедлива кривая Эйлера, - 60 (для алюмина Д1-Т).

С. А. Попов (МИИТ) изучил устойчивость сжатых и сжато-изогнутых элементов из сплава Д1-Т с учетом развития пластических деформаций. Он показал, что диаграмма идеального упруго-пластического материала (диаграмма Прандтля) не может быть применена к алюминиевым сплавам ².

Следуя методу проф. П. Н. Поликарпова, С. А. Попов принял за основу обобщенную реальную диаграмму сжатия с развитием пластических деформаций, в которой вторая стадия работы выражена прямой, наклоненной к оси деформаций под некоторым углом (эффект линейного упрочнения).

Найдено, что критические напряжения для алюминиевых элементов зависят от формы сечения больше, чем для стальных, особенно для несимметричных сечений.

Пониженные значения модуля упругости алюминиевых сплавов по сравнению со сталью отражаются и на ухудшении местной устойчивости элементов (стенок и полок), выполняемых из алюминия (см. раздел VI).

2.3 Другие механические характеристики алюминиевых сплавов

Ударная вязкость сплавов ниже, чем ударная вязкость сталей. Например, дуралюмины имеют а=3 кгм/см², а сталь 3 а=8-10 кгм/см². Ползучесть при нормальной температуре наблюдается в весьма малой степени, поэтому практически не учитывается.

Расчет на выносливость может быть проделан введением поправочного коэффициента к расчетному сопротивлению металла при статических нагрузках. Этот коэффициент определяется по формуле (I) ТУ на проектирование конструкций из алюминиевых сплавов в функции отношения минимальных и максимальных усилий.

Величина коэффициента, полученного по формуле (I) для алюминиевых сплавов, ниже, чем значение соответствующего коэффициента для стали 3. Это понижение поправочного коэффициента объясняется тем, что алюминиевые сплавы хуже сопротивляются вибрационным нагрузкам, чем сталь, так как во время изготовления их образуются микротрещины в металле, особенно после термической или механической обработки.

В большей степени, чем для сталей, на понижение вибрационной прочности сплавов влияет коррозия. В качестве соединений алюминиевых конструкций, воспринимающих вибрационные нагрузки, рекомендуется применять заклепочные соединения.

Напряжения, возникающие при собственных колебаниях алюминиевых конструкций, меньше напряжений при колебании стальных .сооружений из-за меньшего веса алюминиевых элементов. По исследованиям проф. С. А. Ильясевича, динамические коэффициенты для алюминиевых мостов могут быть приняты такими же, как и для стальных.

2.4 Собственный вес алюминиевых конструкций

Одно из наиболее ценных качеств алюминиевых сплавов - это их относительно малый собственный вес при высокой прочности. Объемный вес сплавов АМг, АМц, АВ-2700 кг/м³, дуралюмина - 2800 кг/м³, то есть вес сплавов почти в три раза (в 2,7-2,9 раза) меньше веса сталей.

Как известно, в качестве характеристики прочности материала строительных конструкций с учетом собственного веса принято считать отношение расчетного сопротивления к объемному весу. Это отношение измеряется высотой столба постоянного сечения, в основании которого напряжения от собственного веса равны расчетному сопротивлению.

Для бетона марки 200

Для древесины (сосна)

Для стали 3

Для дуралюмина Д16-Т

Таким образом, по сравнению со сталью этот показатель для дуралюмина в 3,6 раза больше. Но отношение веса стальных сооружений к весу алюминиевых конструкций, эквивалентных по эксплуатационным качествам, не соответствует простому отношению характеристик "C".

Нужно еще учесть увеличенный расход алюминия для обеспечения местной и общей устойчивости сжатых элементов. Кроме этого, в ряде случаев сечения изгибаемых алюминиевых конструкций приходится подбирать не по прочности, как это обычно делается в конструкциях из стали 3, а по предельным прогибам, так как сплавы имеют модуль упругости почти в три раза меньший, чем сталь 3.

Вследствие этого прочность алюминиевых сплавов здесь используется неполностью, и для таких случаев сопоставление веса конструкций по отношению коэффициентов "С" не является правильным. Поэтому отношение собственного веса стальных и алюминиевых сооружений, как правило, колеблется в пределах 2-2,5.

По данным С. А. Попова, для пролетных строений железнодорожных мостов это отношение равно 2,5-2,7 (сопоставляются мосты из стали 3 и сплава Д1-Т). Оно растет с увеличением пролета за счет повышения роли постоянной нагрузки (собственного веса) в общей нагрузке.

Уменьшение веса в два раза по сравнению со стальными конструкциями является в ряде случаев решающим фактором для применения дорогих алюминиевых сплавов, так как снижаются другие затраты, например, эксплуатационные расходы в подвижных сооружениях, стоимость опор, путей и т. п.

2.5 Влияние температуры на свойства алюминиевых сплавов

Коэффициент линейного расширения алюминиевых сплавов почти в два раза больше коэффициента линейного расширения стали (23,8·10^6 против 11,2·10^6). Температурные напряжения, возникающие в алюминиевых конструкциях при жестком закреплении концов элемента, в полтора раза меньше напряжений в стальных конструкциях вследствие низкого значения модуля упругости сплавов.

При температуре около 100^ начинается увеличение ползучести алюминиевых сплавов. Поэтому техническими условиями на проектирование алюминиевых конструкций предлагается вводить понижающие коэффициенты к расчетным сопротивлениям, если конструкции эксплуатируются при температурах 80-120^.

Отжиг закаленных сплавов происходит при 350-400^, раньше, чем для стали наступает температурная пластичность Несмотря на низкую температуру плавления сплавов (650-750^), требуется затратить большое количество тепловой энергии, чтобы расплавить алюминий, так как этот металл имеет высокую скрытую теплоту плавления. Благодаря этим свойствам алюминиевые конструкции мало подвержены разрушению пламенем, что подтверждается обследованием сооружений после пожара.

Достоинством рассматриваемых сплавов является то, что при пониженных температурах они не только не ухудшают своих механических показателей, а даже становятся более прочными вследствие усиления процесса старения. Поэтому для строительства в северных широтах и для полярных экспедиций предпочтительнее изготовлять конструкции из алюминиевых сплавов, чем из стали.

2.6 Устойчивость против коррозии

Следующее высокое качество алюминиевых сплавов - это высокая стойкость их против коррозии, которая приблизительно в 20 раз больше стойкости стали. Так, в металлургическом цехе, где в воздухе имеется много сернистых газов, глубина разрушения элементов кровли в течение 20 лет не превысила 0,11 мм. За это время стальные листы пришлось бы сменить несколько раз.

Такая высокая стойкость против коррозии объясняется образованием на поверхности детали высокопрочной пленки окисла алюминия толщиной в сотые доли микрона. Эта пленка надежно охраняет металл от дальнейшего окисления.

Наибольшей антикоррозийной стойкостью обладает чистый алюминий; затем следуют сплавы его с магнием; марганцем и другие сплавы, не содержащие медь. Последнее место в этом списке занимают дуралюмины, в которых содержится до 6% меди.

Усиленная коррозия дуралюминов объясняется, тем, что при термической обработке из твердого раствора выделяются кристаллиты соединений алюминия с медью, которые с основным металлом образуют электрические микропары, являющиеся причиной точечной коррозии.

Особенно опасно возникновение электрохимических процессов в местах контакта алюминия с другими металлами, например со сталью, из которой иногда изготовляются болты и заклепки для соединения алюминиевых элементов или другие детали в смешанных конструкциях.

Смешанные конструкции, а также конструкции, изготовленные из дуралюмина, необходимо окрашивать химически нейтральными по отношению к алюминию красками: битумными и органическими красителями, содержащими алюминиевый порошок или хромат цинка. Нельзя применять краски, имеющие соли меди, ртути (медный купорос, бронзу, амальгамы и др.).

Для того чтобы повысить стойкость против коррозии дуралюминиевых листов, производят так называемое плакирование, которое заключается в том, что на поверхность заготовки накладывают тонкий лист чистого алюминия или алюминиево-магниевого сплава, нагревают до 150-200^ и прокатывают до получения гладкой поверхности. В соответствии с нашими стандартами все дуралюминиевые листы, выпускаемые отечественной промышленностью, проходят плакирование.

С целью повышения устойчивости против коррозии производят анодирование.

Анодирование состоит из ряда электрохимических процессов по подготовке поверхности и по созданию на ней более твердой и устойчивой против коррозии пленки окислов алюминия, чем пленка, полученная при естественном окислении. Сразу же после анодирования искусственная бесцветная пленка, обладающая большой адсорбционной способностью, может быть окрашена неорганическими пигментами в любые цвета путем погружения деталей в подогретую ванну с красителем.

Детали, прошедшие такую обработку, длительное время сохраняют свежесть окраски и приданный им блеск. Заметим, что для анодирования "под золото" не требуется тратить этот драгоценный металл, так как цвет создает специальный пигмент, а блеск - окисная пленка.

Рекомендуется подвергать анодированию элементы, изготовленные из дуралюмина. Качественное анодирование сплавов АВ не может быть достигнуто, так как электролиты химически взаимодействуют с кремниевыми соединениями этих сплавов.

При использовании алюминиевых сплавов для возведения объектов химической промышленности необходимо учитывать, что алюминий малоустойчив против веществ, содержащих альдегидную группу (например, растворы формалина, уксусного альдегида и др.).

3 Сортамент

Единого сортамента алюминиевых профилей, применяемых в строительстве, не существует. Это объясняется, с одной стороны, большим разнообразием требуемых форм и размеров сечений элементов с точки зрения обеспечения местной устойчивости (введение различных утолщений, ребер жесткости и т. п.).

С другой стороны, технология изготовления алюминиевых профилей вполне допускает производство разнообразных сечений небольшими партиями.

Изготовление профилей из алюминиевых сплавов производится двумя способами: 1) прессованием, 2) гибкой из листа. Первый способ более распространен. Профили получаются путем продавливания (прессования) слитка, нагретого до 320-440^ через отверстие заданного профиля в матрице диаметром 320 мм, в отдельных случаях 530 мм (фиг. 3).

В недалеком будущем наши возможности в выпуске алюминиевых профилей расширятся, так как предполагается оборудовать пресс с матрицей диаметром 650 мм. Давление, которое должен будет развивать этот пресс, составит приблизительно 15000 тонн.

Прессованием могут быть получены любые профили, в том числе и замкнутые. В настоящее время применяются также разъемные матрицы, которые могут быть заменены в процессе прессования. Таким путем можно достичь изменения сечения по длине элемента. После прессования профилей производится их термическая обработка - отжиг, закаливание, старение.

Примеры прессованных профилей имеются в приложении II. Утолщения по краям полок делаются для увеличения местной устойчивости. Такие элементы называются бульбо-профилями, а утолщения - бульбами.

В настоящее время у нас выпускаются различные мелкие профили с размером сечения до 120 мм - уголки, бульбо-угольники, зетовые, тавровые, двутавровые профили, отбортованные швеллеры (ГОСТы 8110-56, 8113-56).

Технические условия проектирования строительных конструкций из алюминиевых сплавов рекомендуют пользоваться каталогом прессованных профилей МАП. (Оборонгиз, изд. 1957 г.), но также разрешается проектировать профили по договоренности с заводом-изготовителем.

Изменение или создание новых профилей можно считать экономически обоснованным, если экономия металла и снижение трудовых затрат благодаря применению новых профилей больше стоимости изготовления матриц при данном объеме выпуска элементов.

Известно, что при изготовлении большого количества одинаковых профилей матрицы истираются и их приходится возобновлять. Эта особенность технологии также способствует созданию разнообразных профилей применительно к определенным типам сооружений.

В приложении II приведен сортамент бульбопрофилей, составленный для учебного проектирования студентками ВИСИ М. Н. Карловой и Т. Ф. Морховой под руководством ассистента Д. С. Богоявленского.

Второй способ изготовления профилей - холодная штамповка на специальном листогибочном прессе (фиг. 4). Особенно это рационально при большом разнообразии форм и малой их повторяемости. Применение гнутых профилей развито в Чехословакии, Швейцарии, Бельгии.

Холодная гибка профилей из алюминиевых листов начала получать распространение и в Советском Союзе.

Другой частью сортамента является листовой металл. Выпускаются плакированные листы из дуралюмина и неплакированные из сплавов АМг, АМц, АВ. Толщина листов от 0,3 до 10 мм, ширина до 2000 мм, длина до 4000 мм. Изготовляются также горячекатанные плиты толщиной 11-80мм.

Принципиально новый способ получения профилей предложен советским ученым проф. А. В. Степановым. На поверхность ванны с расплавленным алюминием опускают шаблон заданного сечения, а затем его приподнимают. Снизу наращивается профиль, точно повторяющий размеры шаблона, имеющий идеально гладкие стенки и высококачественную структуру металла. Таким способом можно получать самые разнообразные профили и с любой толщиной стенок (до долей миллиметра). Скорость вытягивания стержня - 10-20 метров в час.