§ 28. Применение алюминия и его сплавов

Определения и обозначения

Алюминиевые сплавы — материалы, в которых основой служит алюминий, а к нему добавлены другие элементы. Состав изменяют, чтобы получить требуемые свойства: например, повысить прочность или улучшить пригодность к литью. Поэтому сплавы применяют для изделий, которым чистый алюминий не подходит по механическим свойствам. Их свойства зависят от того, какие элементы и в каком количестве добавлены.

Дюралюминий — прочный и лёгкий сплав на основе алюминия, который используют преимущественно в конструкциях и транспортной технике. Его выбирают там, где материал должен выдерживать нагрузку, но не утяжелять изделие. Это важно, например, для деталей самолётов, машин и механизмов. Дюралюминий — не другое название чистого алюминия, а отдельный материал со своими свойствами.

Силумин — литейный сплав алюминия с кремнием. Он хорошо подходит для изготовления отливок — деталей, которые получают, заливая расплав в форму. Расплав силуминового сплава способен заполнять сложные участки формы, поэтому из него делают корпуса и фасонные детали. Такой выбор помогает получать изделие нужной формы без изготовления его из цельного куска металла.

Коррозионная стойкость алюминия — способность сопротивляться разрушению при взаимодействии с окружающей средой. На поверхности металла возникает тонкая плёнка оксида алюминия, которая затрудняет доступ кислорода и влаги к нему. Из-за этого металл окисляется значительно медленнее, чем можно было бы ожидать. Плёнка не делает алюминий неуязвимым: при её повреждении защита может ослабнуть.

Как это устроено

Малая плотность означает, что при одинаковом объёме алюминий легче многих других металлов. Поэтому конструкции из него могут иметь меньшую массу, а транспорту требуется меньше энергии на перемещение. Это особенно полезно в авиации и автомобилестроении, где масса влияет на работу всей машины. В строительстве лёгкие элементы проще перевозить и устанавливать, а в упаковке из алюминия можно получать удобные тонкие материалы.

Когда алюминий соприкасается с кислородом, на его поверхности образуется оксидная плёнка. Она плотно закрывает металл и затрудняет дальнейшее взаимодействие кислорода с алюминием, поэтому окисление не распространяется быстро вглубь. Эта особенность помогает использовать металл в быту и строительстве, где изделия соприкасаются с воздухом и влагой. Однако царапины или другие повреждения плёнки означают, что считать алюминий полностью защищённым нельзя.

Чистый алюминий сравнительно мягкий и уступает многим сплавам по прочности. Поэтому деталь из него может деформироваться, если на неё приходится значительная нагрузка. При добавлении других элементов меняется строение материала и, следовательно, его свойства: сплав можно сделать прочнее или лучше приспособить к изготовлению отливок. Благодаря этому алюминий применяют не только там, где важна лёгкость, но и для более нагруженных деталей.

Алюминий проводит электрический ток, поэтому из него делают провода и кабельные жилы. Хотя медь проводит ток лучше, алюминий легче, и масса протяжённых линий электропередачи уменьшается. Это преимущество приходится оценивать вместе с требуемой проводимостью, стоимостью и условиями эксплуатации, а не отдельно от них. Поэтому утверждать, что алюминий всегда лучше меди, нельзя.

Разные изделия требуют разных свойств, поэтому одного материала для всех задач не существует. Пластичность алюминия позволяет получать тонкую фольгу, а защитная плёнка помогает ей сопротивляться воздействию окружающей среды. Для конструкций и транспорта важны малая масса и стойкость к коррозии, для прочных деталей — свойства сплавов вроде дюралюминия. Если нужно изготовить сложную деталь заливкой расплава в форму, выбирают силумин благодаря его литейным свойствам.

Применение алюминия и его сплавов в зависимости от свойств

Сопоставляй материал с его свойством и с задачей, которую должно выполнять изделие. В таблице указаны не все возможные применения, а основные примеры и причины выбора. Для одного изделия могут быть важны сразу несколько свойств.

Разбор задач

Почему алюминий применяют для проводов, самолётов и фольги?

Нужно для каждого изделия назвать главное подходящее свойство. Сначала определим, какую задачу решает материал: провод должен передавать ток, самолёт — оставаться лёгким и прочным, а фольга — легко принимать тонкую форму. Затем свяжем каждую задачу с характеристикой алюминия. Так мы получим объяснение, а не просто перечень изделий.

1. Для проводов укажем электропроводность алюминия и малую плотность. Материал проводит ток, а провода из него легче медных при сопоставимом объёме.
2. Для самолётов отметим малую плотность алюминиевой основы и прочность подходящих алюминиевых сплавов. Дюралюминий помогает сочетать небольшую массу с устойчивостью к механическим нагрузкам.
3. Для фольги назовём пластичность алюминия. Благодаря ей металл можно раскатать в очень тонкие листы, а оксидная плёнка помогает ему сопротивляться воздействию окружающей среды.

Ответ: провода делают из алюминия благодаря электропроводности и малой плотности, самолётные детали — из лёгких прочных сплавов, а фольгу получают благодаря пластичности металла. Для каждого изделия важен свой набор свойств. При выборе материала учитывают его назначение.

Какова масса алюминиевого провода объёмом 2,0 дм³?

Дано: объём провода V = 2,0 дм³, плотность алюминия ρ = 2,7 кг/дм³. Требуется найти массу m и объяснить, почему малая плотность полезна по сравнению с более плотным металлом. Используем зависимость между массой, плотностью и объёмом. Единицы уже согласованы: плотность дана в килограммах на кубический дециметр, а объём — в кубических дециметрах.

1. Запишем формулу: m = ρV. Она показывает, что массу находим умножением плотности на объём.
2. Подставим значения: m = 2,7 кг/дм³ · 2,0 дм³.
3. Вычислим: m = 5,4 кг. Единица дм³ сокращается, поэтому результат выражен в килограммах.
4. Сравним с более плотным металлом: при том же объёме его масса была бы больше. Значит, алюминий помогает уменьшить массу провода или линии.

Ответ: масса провода равна 5,4 кг. Преимущество алюминия перед более плотным металлом — меньшая масса при одинаковом объёме. При этом для проводов нужно учитывать и то, что медь проводит электрический ток лучше.

Сколько меди содержится в сплаве массой 5 кг, если её массовая доля равна 4%?

Дано: масса сплава m_сплава = 5 кг, массовая доля меди w = 4%. Требуется найти массу меди и объяснить, зачем в алюминиевый сплав добавляют другой металл. Массовая доля показывает, какую часть общей массы составляет компонент. Перед вычислением переведём проценты в десятичную дробь: 4% = 0,04.

1. Запишем формулу: m_меди = w · m_сплава. Нужно умножить массу всего сплава на долю меди.
2. Подставим значения: m_меди = 0,04 · 5 кг.
3. Выполним вычисление: m_меди = 0,20 кг, то есть 200 г.
4. Объясним назначение добавки: состав сплава меняют, чтобы получить свойства, которых не хватает чистому алюминию. В частности, добавление металлов может повысить прочность материала.

Ответ: в сплаве содержится 0,20 кг (200 г) меди. Добавки используют, чтобы изменять свойства алюминия и получать материал, лучше подходящий для прочных деталей. Конкретный результат зависит от состава сплава.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что алюминий вообще не подвергается коррозии. Так думают из-за защитной плёнки, но она лишь замедляет разрушение и может быть повреждена. Проверь себя: объясняя стойкость алюминия, упомяни и действие плёнки, и возможность её нарушения. Тогда вывод не будет преувеличенным.

Ошибка — считать чистый алюминий и любой его сплав одним и тем же материалом. Название «алюминиевый» указывает на основу, но состав и свойства сплавов различаются. Иногда это упускают, потому что в обоих случаях главным элементом остаётся алюминий. Проверь себя: уточни, какой именно материал нужен и какое его свойство описывается.

Ошибка — объяснять применение алюминия только его лёгкостью. Тогда остаются без объяснения провода, фольга и изделия, для которых важны другие характеристики. Причина такой ошибки — внимание только к самому заметному преимуществу металла. Проверь ответ: назови подходящее свойство для конкретного изделия, например электропроводность для провода или пластичность для фольги.

Ошибка — утверждать, что алюминий всегда лучше меди для проводов. Алюминий легче, но медь проводит ток лучше, поэтому выбор зависит от задачи. Такое упрощение возникает, если сравнивать металлы только по одному параметру. Проверь себя: учти электропроводность, массу, стоимость и условия эксплуатации, а не объявляй безусловного победителя.

Связь с другими темами

Чтобы понять свойства алюминия, полезно знать строение его атома, положение в Периодической системе и общие свойства металлов. Плотность помогает сравнивать массу изделий одинакового объёма, а электропроводность — объяснять применение в кабелях. С темой химических свойств связаны взаимодействие алюминия с кислородом и появление оксидной плёнки. Позже эти знания пригодятся при выборе материалов в металлургии, электротехнике, машиностроении и авиации, а также при изучении вторичного использования металлов.

Что запомнить

• Алюминий сочетает малую плотность, пластичность, электропроводность и коррозионную стойкость.
• Защитная оксидная плёнка замедляет коррозию алюминия.
• Чистый алюминий мягче и менее прочен, чем многие его сплавы.
• Алюминиевые сплавы получают для улучшения прочности, твёрдости или литейных свойств.
• Дюралюминий используют там, где важны малая масса и высокая прочность.
• Силумин применяют для получения фасонных отливок.
• Выбор алюминия или его сплава определяется свойствами материала и назначением изделия.