Таблица твердости алюминиевых сплавов: HW, HB, HV, HRB, HBA

Введение

Определение твердости алюминия

Твердость алюминия означает способность материала сопротивляться локальной пластической деформации, которая может возникнуть в результате вдавливания, истирания или проникновения. Это свойство имеет решающее значение для понимания того, как алюминиевые сплавы будут работать при различных механических нагрузках и условиях. Твердость - важный параметр, влияющий на долговечность, износостойкость и общие механические характеристики алюминиевых сплавов.

Значение твердости для алюминиевых сплавов

Твердость алюминиевых сплавов является ключевым фактором, определяющим их пригодность для различных применений. Она напрямую влияет на износостойкость материала, его способность сохранять форму при механических нагрузках и общую долговечность в эксплуатации. Например, более высокие значения твердости алюминиевых сплавов желательны в тех областях применения, где устойчивость к истиранию и структурная целостность имеют решающее значение, например, в аэрокосмической промышленности и автомобильных компонентах.

Твердость также коррелирует с другими механическими свойствами, такими как предел прочности на растяжение и предел текучести, что делает ее важным фактором в процессе выбора материала. Понимание твердости алюминиевых сплавов помогает инженерам и производителям убедиться в том, что выбранный материал будет соответствовать эксплуатационным требованиям конкретных приложений, повышая безопасность, надежность и эффективность.

Измерение твердости алюминиевых сплавов

Твердость алюминиевых сплавов может быть измерена несколькими различными методами, каждый из которых имеет свою актуальность и применение. Наиболее распространенные методы включают испытания на твердость по Бринеллю, Роквеллу и Виккерсу.

• Испытание на твердость по Бринеллю: Этот метод предполагает вдавливание твердого стального или твердосплавного шарика в материал под определенной нагрузкой. Измеряется диаметр вмятины, оставленной в материале, и рассчитывается значение твердости. Для более мягких алюминиевых сплавов обычно используются числа твердости по Бринеллю (BHN).
• Испытание на твердость по Роквеллу: Испытание по методу Роквелла измеряет глубину проникновения индентора под действием большой нагрузки по сравнению с глубиной проникновения при предварительной нагрузке. Число твердости по Роквеллу (HR) определяется по разнице глубин. Этот метод более быстрый и простой, подходит для широкого спектра алюминиевых сплавов.
• Испытание на твердость по Виккерсу: В этом методе используется алмазный пирамидальный индентор и прикладывается определенная нагрузка для создания вмятины. Размер вмятины измеряется микроскопически, и рассчитывается число твердости по Виккерсу (HV). Испытание по Виккерсу отличается высокой точностью и может применяться как для твердых, так и для мягких алюминиевых сплавов.

Например, алюминиевый сплав 6061 обычно имеет твердость по Бринеллю около 95 BHN, а алюминиевый сплав 7075, известный своей высокой прочностью, имеет твердость по Бринеллю около 150 BHN. Эти значения иллюстрируют, что различные алюминиевые сплавы могут значительно отличаться по твердости, что влияет на их применение.

Факторы, влияющие на твердость алюминиевых сплавов

На твердость алюминиевых сплавов влияют несколько факторов, включая легирующие элементы, термическую обработку и закалку.

Усиление работы: Процесс деформации алюминиевого сплава при комнатной температуре может повысить его твердость. Холодная обработка, такая как прокатка или вбивание, вносит дислокации в кристаллическую структуру материала, делая его более твердым и прочным.

Легирующие элементы: Такие элементы, как медь, магний, кремний и цинк, добавляются в алюминий для улучшения его механических свойств, в том числе твердости. Например, добавление цинка в алюминиевый сплав 7075 значительно повышает его твердость и прочность.

Термообработка: Процессы термической обработки, такие как термообработка в растворе и старение, могут изменять микроструктуру алюминиевых сплавов, тем самым влияя на их твердость. Например, процесс отпуска T6 для алюминия 6061 включает термообработку раствором с последующим искусственным старением, что приводит к повышению твердости и механических свойств.

Диаграмма твердости алюминиевого сплава

В таблице ниже приведены типичные значения твердости по Виккерсу, измеренные с помощью твердомера Tianxing W-20 для почти 400 различных марок алюминиевых сплавов с различными процессами термообработки.

Значения твердости по Виккерсу, приведенные в таблице, являются фактически измеренными типичными значениями твердости различных материалов из алюминиевых сплавов и не используются в качестве основы для определения квалификации материала. Квалификационные значения твердости для различных материалов должны быть указаны в соответствующих технических спецификациях на продукцию. Например, в национальном стандарте GB 5237.1 "Строительные профили из алюминиевых сплавов, часть 1: основной материал" указано, что значение твердости по Виккерсу для 6063-T5 не должно быть меньше 8HW, а значение твердости по Виккерсу для 6063A-T5 не должно быть меньше 10HW.

Сайт Твердость по БринеллюТвердость по Виккерсу, твердость по Роквеллу и твердость по Барколу приведены только для справки и не могут быть использованы для пересчета. Если требуется пересчет, рекомендуется использовать таблицу пересчета твердости по американскому стандарту ASTM E140.

Диаграмма твердости алюминиевого сплава

Сравнительный анализ

Сравнение твердости алюминиевых сплавов

Методология сравнения

Сравнительный анализ твердости алюминия включает в себя оценку различных факторов, таких как тип сплава, закалка и наличие армирующих материалов. Сравнение обычно основывается на стандартных методах определения твердости, таких как Роквелл, Бринелль и Виккерс. Эти испытания позволяют получить количественные измерения, которые можно использовать для сравнения уровней твердости различных сплавов в одинаковых условиях.

Факторы, влияющие на твердость

На твердость алюминиевых сплавов влияют несколько ключевых факторов:

1. Легирующие элементы:
   • Медь (Cu): Повышает твердость и прочность. Например, сплав 2024, содержащий медь, известен своей высокой прочностью и твердостью, что делает его пригодным для использования в аэрокосмической отрасли.
   • Магний (Mg): Обеспечивает умеренную твердость и коррозионную стойкость. Сплав 5052, содержащий магний, используется в морской среде благодаря хорошей коррозионной стойкости и умеренной твердости.
   • Кремний (Si): Улучшает литейные свойства и обладает умеренной твердостью. Литейный сплав 356, содержащий кремний, широко используется в автомобильных деталях благодаря своим хорошим литейным свойствам и достаточной твердости.
   • Цинк (Zn): Значительно повышает твердость и прочность. Сплав 7075, содержащий цинк, является одним из самых прочных алюминиевых сплавов и используется в областях, требующих высокой прочности, например в авиационных конструкциях.
2. Процессы термообработки:
   • Термическая обработка раствором: Нагрев сплава для растворения легирующих элементов с последующим быстрым охлаждением для создания перенасыщенного раствора. Этот процесс повышает твердость таких сплавов, как 6061 и 7075.
   • Старение: Процессы естественного и искусственного старения позволяют образовывать осадки, повышающие твердость. Например, отпуск T6 включает в себя термическую обработку раствором с последующим искусственным старением, что повышает твердость таких сплавов, как 6061-T6 и 7075-T6.
3. Естественное старение: Со временем алюминиевые сплавы естественным образом стареют, что приводит к изменению твердости из-за медленного образования осадка. Этот процесс можно ускорить с помощью искусственного старения.
4. Армирующие материалы: Добавление в алюминиевые матрицы таких материалов, как диборид циркония или раковины улиток, позволяет повысить твердость и модуль упругости. Процент армирования напрямую зависит от твердости и механических свойств композита.

Факторы, влияющие на твердость, играют решающую роль в определении пригодности алюминиевого сплава для конкретных применений.

Определение лучшего сплава для конкретных нужд

Процесс принятия решений на основе твердости и свойств

Выбор оптимального алюминиевого сплава для конкретного применения требует учета желаемого баланса твердости, прочности, пластичности и других механических свойств. Этот процесс принятия решений включает в себя:

1. Требования к заявке: Понимание специфических требований к применению, таких как несущая способность, износостойкость и условия окружающей среды.
2. Механические свойства: Оценка прочности на разрыв, предела текучести и удлинения потенциальных сплавов, чтобы убедиться, что они соответствуют критериям эффективности.
3. Возможности термообработки: Рассмотрение целесообразности и преимуществ процессов термической обработки для повышения твердости и других свойств.
4. Стоимость и доступность: Баланс между стоимостью и доступностью материалов и требуемыми эксплуатационными характеристиками.

Тематические исследования или примеры сравнений

1. 6061 против 7075 Алюминий:
   • 7075 Алюминий: Известен своей превосходной твердостью и прочностью, с твердостью по Бринеллю около HB 150 в закалке T6. Она идеально подходит для применения в условиях высоких нагрузок, например, в аэрокосмической промышленности и военных компонентах.
   • 6061 алюминий: Обладает умеренной твердостью (HB 90-95 в закалке T6) и хорошей обрабатываемостью, что делает его пригодным для изготовления автомобильных деталей и конструкций.
2. 5052 против 6063 Алюминий:
   • 5052 Алюминий: Обеспечивает хорошую коррозионную стойкость и умеренную твердость, обычно используется в морской среде и для архитектурных работ.
   • 6063 Алюминий: Термообрабатываемый сплав, который может достигать высокой твердости путем отпуска, часто используется в процессах экструзии для оконных рам и трубопроводов.
3. Армированные композиты:
   • Добавление диборида циркония в алюминиевые матрицы повышает твердость и модуль упругости, что делает эти композиты пригодными для применения в областях, требующих повышенных механических свойств.

Понимая и сравнивая твердость и механические свойства различных алюминиевых сплавов, инженеры и производители могут принимать взвешенные решения о выборе наиболее подходящих материалов для своих конкретных нужд, обеспечивая оптимальную производительность и долговечность своих приложений.

Соответствие и стандарты

Важность стандартов в алюминиевой промышленности

Соблюдение отраслевых стандартов необходимо для обеспечения надежности, безопасности и производительности алюминиевых сплавов в различных областях применения. Эти стандарты обеспечивают единую основу для тестирования, классификации и контроля качества, гарантируя соответствие алюминиевых деталей строгим требованиям различных отраслей промышленности, таких как аэрокосмическая, автомобильная и строительная.

Обзор отраслевых стандартов

Несколько основных стандартов регулируют твердость и другие свойства алюминиевых сплавов, обеспечивая согласованность и контроль качества в процессе производства и применения.

AMS 2658D

Спецификация AMS 2658D "Контроль твердости и электропроводности деталей из деформируемых алюминиевых сплавов" имеет решающее значение для аэрокосмической промышленности. Она устанавливает критерии приемки твердости и электропроводности готовых деталей или полуфабрикатов из деформируемых алюминиевых сплавов. Этот стандарт устанавливает требуемые значения твердости и электропроводности, обеспечивая соответствие материалов необходимым эксплуатационным критериям для аэрокосмических применений.

ASTM B647-10(2016)

Стандарт ASTM B647-10(2016) описывает использование твердомера Вебстера для измерения твердости алюминиевых сплавов. Несмотря на меньшую чувствительность по сравнению с твердомерами Роквелла или Бринелля, твердомер Вебстера ценен для контроля производства и полевых испытаний. Этот стандарт помогает поддерживать качество в процессе производства и гарантирует, что алюминиевые детали соответствуют заданным уровням твердости.

Стандарты EN

Стандарты EN представляют собой всеобъемлющую основу для алюминиевых сплавов, охватывающую механические свойства, обозначения термической обработки и коррозионную стойкость. Эти стандарты, пришедшие на смену старым стандартам, таким как BS1470, обеспечивают последовательность и качество в различных областях применения и отраслях промышленности. Они необходимы производителям для изготовления алюминиевых деталей, отвечающих требуемым техническим характеристикам и критериям эффективности.

Специальные стандарты твердости алюминия

Различные алюминиевые сплавы имеют особые стандарты и свойства, которые должны быть соблюдены, чтобы обеспечить их пригодность для использования по назначению. Например:

• 2024-T351: Известный своей высокой прочностью и усталостной прочностью, этот сплав широко используется в аэрокосмической промышленности. Стандарты на сплав 2024-T351 гарантируют, что он соответствует требуемой твердости и механическим свойствам для критических структурных компонентов.
• 6061-T651: Этот универсальный сплав используется в различных отраслях промышленности, включая автомобильную и строительную. Стандарты для 6061-T651 определяют его твердость, прочность на разрыв и коррозионную стойкость, что обеспечивает его надежную работу в различных областях применения.
• 7075-T651: Один из самых высокопрочных алюминиевых сплавов, 7075-T651 необходим для применения в таких высоконагруженных областях, как крылья самолетов и военная техника. Стандарты на этот сплав обеспечивают его соответствие строгим требованиям к твердости и механическим свойствам, необходимым для этих ответственных применений.

Обеспечение соответствия требованиям в производстве

Производители должны придерживаться промышленных стандартов, чтобы обеспечить качество и эксплуатационные характеристики алюминиевых сплавов. Это включает в себя строгие процессы тестирования и сертификации, чтобы убедиться в том, что материалы соответствуют заданным критериям.

Процессы тестирования и сертификации

• Испытание на твердость: Для измерения твердости алюминиевых сплавов используются такие методы, как испытания по Роквеллу, Бринеллю и Виккерсу. Эти испытания гарантируют, что материалы соответствуют требуемым уровням твердости, установленным промышленными стандартами.
• Измерения электропроводности: Измерения электропроводности, выраженные в процентах от международного стандарта отожженной меди (IACS), используются для проверки свойств термически обработанных алюминиевых деталей. На эти измерения влияют количество легирующих элементов в твердом растворе и природа осадков, образующихся при термообработке.

Последствия несоблюдения

Несоблюдение отраслевых стандартов может привести к серьезным последствиям, включая:

• Неудачи с продуктами: Алюминиевые детали, не отвечающие требованиям по твердости и механическим свойствам, могут выйти из строя под нагрузкой, что приводит к риску безопасности и потенциальным катастрофическим отказам в критически важных областях применения, таких как аэрокосмическая промышленность и автомобильные компоненты.
• Финансовые потери: Несоблюдение требований может привести к дорогостоящим отзывам, ремонтам и юридическим обязательствам, что негативно скажется на репутации и финансовой стабильности производителя.
• Регулирующие штрафы: Несоблюдение отраслевых стандартов может привести к штрафам со стороны регулирующих органов и потере сертификатов, что ограничит возможности производителя поставлять материалы в определенные отрасли.

Обеспечение соответствия таким стандартам, как AMS 2658D, ASTM B647-10(2016) и EN, необходимо для поддержания качества, безопасности и эксплуатационных характеристик алюминиевых сплавов в различных областях применения. Эти стандарты обеспечивают основу для испытаний, классификации и применения, помогая производителям выпускать надежные и высококачественные алюминиевые детали, отвечающие строгим требованиям различных отраслей промышленности.

Какие элементы, добавленные в алюминиевый сплав, могут наиболее существенно повысить его твердость?

Такие элементы, как магний, марганец, титан и редкоземельные элементы (например, лантан и иттрий), могут быть добавлены в алюминиевый сплав для повышения его твердости. Добавление магния может значительно увеличить прочность алюминия на разрыв; на каждые 1% магния прочность на разрыв увеличивается примерно на 34 МПа.

Введение марганца может дополнить эффект упрочнения, а также снизить восприимчивость к термическому растрескиванию.

Кроме того, добавление редкоземельных элементов (таких как лантан и иттрий) может повысить устойчивость к отслаиванию окислительного слоя. Таким образом, добавление этих элементов может в той или иной степени повысить твердость алюминиевых сплавов.

Как можно повысить твердость и износостойкость алюминиевых сплавов с помощью методов обработки поверхности?

Существует несколько методов повышения твердости и износостойкости алюминиевых сплавов путем обработки поверхности:

Обработка анодным окислением: Этот распространенный метод предполагает образование плотной оксидной пленки на поверхности алюминиевого сплава, что повышает его твердость и коррозионную стойкость.

Поверхностное гальваническое покрытие: Нанесение слоя металла (например, олова или меди) на поверхность алюминиевого сплава позволяет эффективно повысить его твердость и износостойкость.

Напыление износостойких покрытий: Специальное износостойкое покрытие равномерно напыляется на поверхность алюминиевого сплава, образуя равномерное, плотное и твердое покрытие. Этот метод не только повышает износостойкость и коррозионную стойкость, но и улучшает внешний вид.

Закалка при холодной обработке: Этот метод закалки алюминиевого сплава при комнатной температуре посредством холодной обработки подходит для материалов из алюминиевых сплавов, которые должны сохранять свою первоначальную форму.

Термическая обработка: Для некоторых специфических типов алюминиевых сплавов (например, 6061) их прочность и твердость можно повысить с помощью обработки старением. Обычно такая обработка включает в себя старение после обработки раствором.

Осаждение аморфного покрытия CrAlN методом прямого магнетронного распыления: Этот метод наносит аморфное покрытие CrAlN на поверхность алюминиевого сплава, улучшая его коррозионную стойкость и износостойкость.

Термическое напыление и самораспространяющийся высокотемпературный синтез: Эти методы позволяют получить износостойкие керамические покрытия на поверхности алюминиевого сплава, значительно улучшая износостойкость алюминиевого сплава.