Твердість алюмінію: порівняльний аналіз різних марок за методом Брюнелля

Алюміній, завдяки своїй легкості, міцності та корозійній стійкості, широко використовується в різноманітних галузях промисловості, від авіації до виробництва тари. Однак, сам по собі алюміній досить м'який, тому для розширення сфери застосування використовуються різноманітні алюмінієві сплави з додаванням інших елементів, таких як мідь, магній, кремній, цинк та інші. Ці добавки суттєво впливають на фізико-механічні властивості алюмінію, зокрема на твердість. Для визначення твердості матеріалів існують різні методи, одним з яких є метод Брюнелля, який широко застосовується для оцінки твердості металів, включаючи алюміній та його сплави.

Що таке твердість за Брюнеллем та як її вимірюють?

Твердість за Брюнеллем – це параметр, що характеризує опір матеріалу до пластичної деформації при вдавлюванні в його поверхню сталевої кульки певного діаметру під заданим навантаженням. Метод Брюнелля полягає у вдавлюванні кульки з загартованої сталі або твердого сплаву в поверхню досліджуваного матеріалу з певним зусиллям протягом певного часу. Після зняття навантаження на поверхні матеріалу залишається відбиток у вигляді сферичного заглиблення. Діаметр цього відбитка вимірюється, і за спеціальною формулою обчислюється число твердості за Брюнеллем (HB).

Формула для розрахунку твердості за Брюнеллем має вигляд:

HB = 2P / (π × D × (D - √(D² - d²)))

Де:

•  HB – число твердості за Брюнеллем;

•  P – навантаження на кульку (в кілограмах-силах або ньютонах);

•  D – діаметр кульки (в міліметрах);

•  d – діаметр відбитка (в міліметрах).

Чим більший діаметр відбитка при заданому навантаженні, тим м'якший матеріал і менше число твердості за Брюнеллем. І навпаки, чим менший відбиток, тим твердіший матеріал і більше число HB. Важливо зазначити, що при проведенні вимірювань за методом Брюнелля необхідно враховувати товщину зразка, щоб уникнути впливу деформації на протилежній стороні зразка на результати вимірювань.

Порівняння твердості різних марок алюмінію за Брюнеллем

Твердість алюмінію за Брюнеллем може суттєво варіюватися в залежності від марки сплаву та термічної обробки. Розглянемо порівняльну твердість за Брюнеллем для декількох популярних марок алюмінію:

Алюміній чистотою 99.5% (А5, АД1) - це практично чистий алюміній з невеликою кількістю домішок. Він характеризується високою пластичністю, корозійною стійкістю, але низькою міцністю та твердістю. Твердість за Брюнеллем становить приблизно 20-30 HB.

Алюмінієво-марганцеві сплави (АМц) - додавання марганцю до алюмінію підвищує його міцність та твердість без значного погіршення пластичності та корозійної стійкості. Твердість за Брюнеллем для сплавів АМц становить приблизно 40-60 HB.

Алюмінієво-магнієві сплави (АМг) - додавання магнію до алюмінію також підвищує міцність та твердість, а також покращує зварюваність. Сплави АМг мають хорошу корозійну стійкість в морській воді. Твердість за Брюнеллем для сплавів АМг становить приблизно 60-80 HB.

Алюмінієво-кремнієві сплави (АК) додавання кремнію до алюмінію покращує його ливарні властивості та підвищує зносостійкість. Твердість за Брюнеллем для сплавів АК становить приблизно 70-90 HB.

Алюмінієво-мідні сплави (Д16, 2024) -  додавання міді до алюмінію значно підвищує його міцність та твердість, особливо після термічної обробки (загартування та старіння). Однак, сплави Д16 мають відносно низьку корозійну стійкість, тому потребують захисного покриття. Твердість за Брюнеллем для сплавів Д16 після термічної обробки може досягати 120-140 HB.

Важливо зазначити, що наведені значення твердості є приблизними і можуть змінюватися в залежності від конкретного хімічного складу сплаву, термічної обробки та інших факторів.

Вплив термічної обробки на твердість алюмінію

Термічна обробка – це важливий процес, який дозволяє змінювати структуру та властивості алюмінієвих сплавів, зокрема твердість. Існує декілька основних видів термічної обробки, які використовуються для алюмінію:

Відпал - це процес нагрівання алюмінію до певної температури з подальшим повільним охолодженням. Відпал використовується для зняття внутрішніх напружень, покращення оброблюваності та зменшення твердості.

Загартування - це процес нагрівання алюмінію до певної температури з подальшим швидким охолодженням (зазвичай у воді або повітрі). Загартування використовується для підвищення міцності та твердості.

Старіння - це процес витримування алюмінію після загартування при кімнатній або підвищеній температурі. Старіння призводить до подальшого збільшення міцності та твердості за рахунок утворення дрібнодисперсних виділень фаз, що містять легуючі елементи.

Загартування та старіння є особливо ефективними для сплавів, що містять мідь (наприклад, Д16), оскільки дозволяють значно підвищити їх твердість та міцність. Таким чином, вибір марки алюмінію та режиму термічної обробки залежить від конкретних вимог до виробу та умов його експлуатації. Розуміння зв'язку між складом, структурою, термічною обробкою та твердістю алюмінієвих сплавів є важливим для інженерів та технологів, які займаються проектуванням та виробництвом виробів з алюмінію.