Предел прочности для алюминия на растяжение

Иные свойства

Сегодня алюминия производится практически в 2 раза больше, чем меди. А в сравнении со всеми добываемыми металлами, он уступает только стали. Это подтверждает, что с каждым годом электротехническая отрасль наращивает обороты его использования. Объясняется это целым рядом причин, которые мы рассмотрим далее.

Электрические показатели алюминия

Согласно «Международному стандарту по отожженной меди» (IACS), последней присвоен показатель в 100% проводимости. В соответствии с вышеперечисленной информацией, алюминий проводит электричество лишь со значением в 61% в эквиваленте общепринятому стандарту.

Таким образом, равное процентное соотношение будет достигнуто только при больших поперечных сечениях. В виду того, что медь существенно тяжелее алюминия, такой «увеличенный» в массе проводник всё равно окажется легче медного.

Сравнительная плотность алюминия и меди Источник aluminium-guide.com

Этот факт доказан путём сложных математических расчётов, результат которых показывает, что 1 кг. алюминия обеспечивает равную скорость проводимости, что 2 кг. меди. Потому, если этого не требуют определённые технические условия к размеру проводников, медь заменяется алюминием.

Полезно! Если для использования в домашней проводке вес электрического провода особой роли не имеет, то в применении на ВЛЭ (воздушных линиях электропередач) масса токоведущих жил сказывается значительно. Поэтому берётся тот, который легче, то есть алюминиевый.

Показатель прочности

При условии одинакового сечения медные жилы прочнее алюминиевых. Хотя, этот показатель легко увеличить за счёт легирования или термомеханической обработки, либо увеличить сечение.

Таблица отображает, что алюминий в 2 раза слабее на разрыв Источник aluminium-guide.com

Значения, приведённые в таблице, показывают, что алюминий проводит ток, но уступает меди в показателе «на разрыв». Тем не менее, он способен выдерживать собственный вес и не так перегружает опоры ВЛЭ, как медный.

Помимо этого, прессование алюминия подразумевает получение поперечных сечений сложных форм, чего нельзя получить из стали. Исходя из таких объективных причин новые элементы могут быть сконструированы так, что они окажутся наиболее эффективными в сравнении с допустимыми аналогами из других материалов.

Два механизма упрочнения

Существует два механизма упрочнения алюминиевых сплавов, которые могут дополнять друг друга:

• деформационное упрочнение (нагартовка) и
• термическое упрочнение (старение).

Точкой отсчета для оценки степени роста прочности алюминиевых сплавов в результате деформационного или термического упрочнения обычно применяют величины прочностных характеристик сплава в «мягком» состоянии, которым является его состояние после полного отжига.

Даже в состоянии полного отжига прочность любого сплава возрастает с увеличением содержания атомов внедрения в твердом растворе алюминия, то есть увеличения содержания легирующих элементов. Примерами являются сплавы систем Al-Mg и Al-Mg-Mn, которые показаны кружками с плюсиками (+) в нижней части диаграммы рисунка 1.

Преимущества и недостатки алюминиевой проводки

Повальное применение алюминиевой проводки практиковалось в зданиях старой постройки. Основный критерий в те времена был — лёгкая доступность и низкая себестоимость металла. Вероятности недостатка сечения кабеля в те времена не рассматривались из-за отсутствие электрической бытовой техники в квартирах среднестатистических граждан.

Разновидности СИП-кабеля для подключения коттеджа Источник yandex.net

Положительные факторы

Небольшая масса алюминиевого провода делает его популярным при монтаже высоковольтных линий электропередач. Это условие уже озвучивалось ранее, поэтому рассмотрим ещё ряд иных аспектов:

• Сравнительно низкая цена металла и изделий из него. Этот фактор играет роль при прокладывании длинных линий. Например, для полной электрификации загородного дома может понадобиться более 1 000 м. провода.
• Стойкость к химическим окислениям. Это условие актуально с учетом того, что жилы скрыты пластмассовой изоляцией.
• Стойкость участков, не имеющих изоляции. Как упоминалось ранее, на поверхности алюминия образуется защитная плёнка, которая не допускает возникновения окислительных процессов.

Высковольтная линия с напряжением 35кВ Источник cdn.pixabay.com

Смягчающий отжиг

Рекристаллизация

Любое увеличение прочности в результате деформационного упрочнения исчезает при температуре выше 250 ºС как следствие рекристаллизации и прочность алюминиевого сплава возвращается к тому уровню, которые было у него в «мягком» состоянии. Отжиг при температуре ниже температуры рекристаллизации (которая зависит от химического состава сплава и степени холодной пластической деформации) приводит к менее драматичной потере прочности в результате процесса возврата.

Рисунок 4 — Изменение твердости и структуры при отжиге [3]

Возврат

Такое термическое смягчение (отжиг при температуре 200-250 ºС) применяют, например, для получения «полутвердого» состояния для листа, который находится в «твердом» состоянии. Для заданного уровня прочности алюминиевого сплава относительное удлинение будет значительно выше, чем для того же уровня прочности, которое получено просто холодной пластической обработкой.

Рисунок 5 — Изотермические кривые отжига сплава 5754 [3]

Медь и алюминий

Необходимость замены участка электропроводки может возникнуть при разных обстоятельствах (при повреждении, прокладке дополнительной ветви, иных причинах). В этой ситуации соединяется «медь с медью» или «медь с алюминием». Контакты из разных металлов требуют особого внимания, а причина кроется в следующем:

• Отличаются разным удельным сопротивлением. Даже прочно закрученный контакт со временем ослабнет из-за склонности алюминия к тепловому расширению.
• Медь также имеет оксидную защитную плёнку. Однако от алюминиевой она отличается разным сопротивлением, в результате чего это отражается в повышении температуры контакта.

Безопасный контакт меди и алюминия Источник мособлжилсервис.рф

Важно! Находящиеся под нагрузкой соединения способны стать источником появления искр, что негативно сказывается на пропускной способности жилы и может стать причиной возникновения пожара.

Способы соединения алюминиевого и медного провода Источник uk-parkovaya.ru

Соединение медного и алюминиевого провода допустимо. Однако для этого необходимо придерживаться следующих способов:

• Предварительно залудить медь паяльником и припоем.
• Обработать контакт специальной антиокислительной смазкой.
• Использовать специальные металлические приспособления (переходники): «Орешек»; Выполнено из 3 параллельных пластин, в которым между крайними закладывается токоносящая жила; Клеммные самозажимные или винтовые колодки; Опрессовка; Болтовое соединение; Пружинные клеммы.

Соединение СИП и алюминиевого кабеля Источник www.volt-m.ru

Удельное сопротивление

это влияет на потерю мощности

• Платы, устанавливаемые в компьютерах, оснащаются протравленными медными дорожками.
• Медь также используется для изготовления самых разных элементов, применяемых в электронных устройствах.
• В трансформаторах и электродвигателях она представлена обмоткой, которая изготавливается из этого материала.

Можно не сомневаться, что расширение сфер применения этого материала будет происходить с дальнейшим развитием технического прогресса. Хотя, кроме меди, существуют и другие материалы, но все же конструктора при создании оборудования и различных установок используют медь. Главная причина востребованности этого материала заключается в хорошей электрической и теплопроводности этого металла, которую он обеспечивает в условиях комнатной температуры.

Предел прочности стали

Прочность металлических конструкций — один из важнейших параметров, определяющих их надежность и безопасность. Издревле вопросы прочности решались опытным путем — если какое-либо изделие ломалось — то следующее делали толще и массивнее. С 17 века ученые начали планомерное исследование проблемы, прочностные параметры материалов и конструкций из них можно рассчитать заранее, на этапе проектирования. Металлурги разработали добавки, влияющие на прочность стальных сплавов.

Предел прочности стали

Предел прочности

Предел прочности — это максимальное значение напряжений, испытываемых материалом до того, как он начнет разрушаться. Его физический смысл определяет усилие растяжения, которое нужно приложить к стрежневидному образцу определенного сечения, чтобы разорвать его.

Каким образом производится испытание на прочность

Прочностные испытания на сопротивление разрыву проводятся на специальных испытательных стендах. В них неподвижно закрепляется один конец испытываемого образца, а к другому присоединяют крепление привода, электромеханического или гидравлического. Этот привод создает плавно увеличивающее усилие, действующее на разрыв образца, или же на его изгиб или скручивание.

Испытание на разрыв

Электронная система контроля фиксирует усилие растяжения и относительное удлинение, и другие виды деформации образца.

Виды пределов прочности

Предел прочности — один из главных механических параметров стали, равно как и любого другого конструкционного материала.

Эта величина используется при прочностных расчетах деталей и конструкций, судя по ней, решают, применим ли данный материал в конкретной сфере или нужно подбирать более прочный.

Различают следующие виды предела прочности при:

• сжатии — определяет способность материала сопротивляться давлению внешней силы;
• изгибе — влияет на гибкость деталей;
• кручении — показывает, насколько материал пригоден для нагруженных приводных валов, передающих крутящий момент;
• растяжении.

Виды испытаний прочности материалов

Научное название параметра, используемое в стандартах и других официальных документах — временное сопротивление разрыву.

На сегодняшний день сталь все еще является наиболее применяемым конструкционным материалом, понемногу уступая свои позиции различным пластмассам и композитным материалам. От корректного расчета пределов прочности металла зависит его долговечность, надежность и безопасность в эксплуатации.

Предел прочности стали зависит от ее марки и изменяется в пределах от 300 Мпа у обычной низкоуглеродистой конструкционной стали до 900 Мпа у специальных высоколегированных марок.

На значение параметра влияют:

• химический состав сплава;
• термические процедуры, способствующие упрочнению материалов: закалка, отпуск, отжиг и т.д.

Некоторые примеси снижают прочность, и от них стараются избавляться на этапе отливки и проката, другие, наоборот, повышают. Их специально добавляют в состав сплава.

Кроме предела прочности, в инженерных расчетах широко применяется связанное с ним понятие-предел текучести, обозначаемый σт. Он равен величине напряжения сопротивления разрыву, которое необходимо создать в материале, для того, чтобы деформация продолжала расти без наращивания нагрузки. Это состояние материала непосредственно предшествует его разрушению.

На микроуровне при таких напряжениях начинают рваться межатомные связи в кристаллической решетке, а на оставшиеся связи увеличивается удельная нагрузка.

Общие сведения и характеристики сталей

С точки зрения конструктора, наибольшую важность для сплавов, работающих в обычных условиях, имеют физико-механические параметры стали. В отдельных случаях, когда изделию предстоит работать в условиях экстремально высоких или низких температур, высокого давления, повышенной влажности, под воздействием агрессивных сред — не меньшую важность приобретают и химические свойства стали. Как физико-механические, так и химические свойства сплавов во многом определяются их химическим составом.

Влияние содержание углерода на свойства сталей

По мере увеличения процентной доли углерода происходит снижение пластичности вещества с одновременным ростом прочности и твердости. Этот эффект наблюдается до приблизительно 1% доли, далее начинается снижение прочностных характеристик.

Повышение доли углерода также повышает порог хладоемкости, это используется при создании морозоустойчивых и криогенных марок.

Влияние углерода на механические свойства стали

Рост содержания С приводит к ухудшению литейных свойств, отрицательно влияет на способность материала к механической обработке.

Добавки марганца и кремния

Mn содержится в большинстве марок стали. Его применяют для вытеснения из расплава кислорода и серы. Рост содержания Mn до определенного предела (2%) улучшает такие параметры обрабатываемости, как ковкость и свариваемость. После этого предела дальнейшее увеличение содержания ведет к образованию трещин при термообработке.

Влияние кремния на свойства сталей

Si применяется в роли раскислителя, используемого при выплавке стальных сплавов и определяет тип стали. В спокойных высокоуглеродистых марках должно содержаться не более 0,6% кремния. Для полуспокойных марок этот предел еще ниже — 0,1 %.

При производстве ферритов кремний увеличивает их прочностные параметры, не понижая пластичности. Этот эффект сохраняется до порогового содержания в 0,4%.

Влияние легирующих добавок на свойства стали

В сочетании с Mn или Mo кремний способствует росту закаливаемости, а вместе с Сг и Ni повышает коррозионную устойчивость сплавов.

Технология производства

Технология производства и термическая обработка могут оказывать существенное влияние на коррозионные свойства спла­вов. Сплавы АД, АД1, АМц, АМг2 и АМгЗ мало чувствительны к методам производства. Коррозионная стойкость сплавов АМг5, АМгб во многом зависит от методов производства. У этих сплавов при длительном нагреве на 60-70° С проявляется склонность к межкристаллитной коррозии и коррозии под напряжением.

Сплавы Д1, Д18, Д16 и типа В95 имеют пониженную корро­зионную стойкость. Подобные сплавы применяют с соответствую­щей защитой от коррозии. Сплавы типа авиаль обладают высокой коррозионной стойкостью в воде высокой чистоты с до­бавлением углекислого газа при температурах до 100° С.

При изучении влияния облучения на некоторые характеристики алюминия установлено, что после облучения интегральным пото­ком 1,1 х 1019 нейтрон/см2 при 80° С критическое напряжение сдвига увеличивается в 5 раз. При этом электросопротив­ление алюминия повышается на 30%. Влияние облучения на электрическое и критическое сопротивления сдвигу снимается при температуре около 60° С.

Из разработанных свариваемых, термически обрабатываемых, самозакаливающихся при сварке сплавов, наиболее характерны сплавы системы Аl-Zn-Mg. Однако, обладая удовлетвори­тельными прочностными свойствами, они склонны к коррозии под напряжением и замедленному разрушению. Такая склонность вызвана переходом от зонной к фазовой стадии старения даже при комнатных температурах эксплуатации сварных соединений. Поэтому сплавы системы Аl-Zn-Mg можно применять в усло­виях низких температур, исключающих переход к фазовому ста­рению при низком уровне сварочных напряжений. Содержание цинка и магния должно быть при этом минимальным.

Полезные рекомендации

В завершение приведем несколько советов, которые должны быть учтены при организации проводки:

1. В случае самостоятельного проектирования проводки в доме или квартире, лучше выбирать медные провода. При меньшем сечении они выдерживают большее токи и более стойки к частым сгибаниям. Не менее важный момент — объем. Медные провода компактны, что упрощает процесс создания штробы. Например, при подключении приемника мощностью 7-8 кВт алюминиевый провод должен иметь сечение около 8 мм. В кабеле три жилы и плюс оплетка. В итоге общий диаметр составляет около 1,5 сантиметров. Для сравнения медь может иметь сечение 4 кв.мм, а общий диаметр — не более сантиметра.
2. При установке розетки должен использоваться трехжильный кабель, с заземляющим проводом. Расстояние розетки от пола — 30 см. При организации осветительной цепи допускается применение кабелей с двумя жилами (заземление здесь не нужно).
3. Запрещено вешать всю нагрузку на одну пару проводов (тем более, если они алюминиевые). Оптимальный вариант — разделение цепи на несколько линий. Например, через один автомат питается ванная, через другой — освещение, через третий — кухня и так далее. Сечение провода для кухни и ванной должно быть 4 или 6 кв.мм, а для цепи освещения — 1,5 или 2,5 мм.

Сложнее всего обстоят дела в старых квартирах, где смонтированы алюминиевые провода, которые отжили свой ресурс и требует замены. Проводка сечением 2,5 кв.мм выдерживают нагрузку не более 20 Ампер, чего недостаточно для современных электроприемников. Кроме того, изоляция проводов со временем теряет эластичность и постепенно разрушается. В такой ситуации единственным решением является полная замена проводки на медные провода.

Подробнее, почему стоит заменить алюминиевую проводку на медную в старом доме, смотрите в этом видео:

Термическое упрочнение

Термическое упрочнение алюминиевых сплавов происходит в основном за счет механизма старения. Этот упрочняющий механизм применим только некоторым системам алюминиевых сплавов, таким как:

• Al-Cu
• Al-Cu-Mg
• Al-Mg-Si
• Al-Zn
• Al-Zn-Mg
• Al-Zn-Сu-Mg

Нагрев под закалку и закалка

Предварительной операцией для этого механизма упрочнения является операция нагрева до температуры, при которой как можно больше легирующих элементов перешло в твердый раствор алюминия. Эта операция называется термической обработкой на твердый раствор или нагревом под закалку. Затем сплав быстро охлаждают до комнатной температуры путем закалки, что приводит к переохлаждению твердого раствора алюминия и «замораживанию» в нем легирующих элементов в термодинамически неравновесном состоянии.

Рисунок 6 — Операции термического упрочнения сплавов серии 6ххх [3]