Дюралюминий

Бинарная фазовая диаграмма состояния сплавов алюминий-медь. Узкий диапазон сплавов типа дюралюмин представлен окрашенной полосой.

Дюралюми́н, дюралюминий, дюраль — собирательное обозначение группы высокопрочных сплавов на основе алюминия (алюминиевый сплав) с добавками меди, магния и марганца. Название сплава происходит от торговой марки Dural (фр. dur — твёрдый) — коммерческого обозначения одного из первых упрочняемых термообработкой и последующим старением алюминиевых сплавов. Основными легирующими элементами в нём являлись медь (4,5 % массы), магний (1,5 %) и марганец (0,5 %); остальное — алюминий (93,5 %). При испытаниях на растяжение типовое значение предела текучести дюралюминов составляет порядка 250 МПа, предела кратковременной прочности 400…500 МПа, однако прочностные характеристики конкретного сплава зависят от его состава и, в особенности, от термообработки.

Названия

Название сплава пришло в Россию из Германии в первое десятилетие XX века (нем. Duraluminium) и в русском языке стало общим обозначением для целой группы сплавов на основе алюминия, легированного добавками меди, магния и марганца. Иногда встречаются также старая (основная до 1940‑х годов) форма «дуралюми́ний» и англизированный вариант «дюралюми́н». Название происходит от немецкого города Дюрен (нем. Düren), где в 1909 году было начато промышленное производство сплава.

Дюралюминий разработан немецким инженером-металлургом Альфредом Вильмом (Alfred Wilm), сотрудником металлургического завода «Dürener Metallwerke AG». В 1903 году Вильм установил, что сплав алюминия с добавкой 4 % меди после резкого охлаждения (температура закалки 500 °C), находясь при комнатной температуре в течение 4-5 суток, постепенно становится более твёрдым и прочным, не теряя при этом пластичности. В 1909 году Альфред Вильм подал заявку на патент «Способ улучшения сплавов алюминия, содержащих магний». Вскоре лицензии на способ были приобретены компанией «Dürener Metallwerken», которая вышла на рынок с продуктом под маркой «дуралюминий» (нем. duraluminium). Состав патентованного дюралюминия, выпускаемого на заводе «Dürener Metallwerken»: 3,5-5,5 % Cu; 0,5-0,8  % Mg; 0,6  % Mn.

На международной выставке дирижаблей, проходившей во Франкфурте в 1909 году, новый сплав получил третью премию. В 1910 году на выставке дирижаблей в Петербурге Вильм получил Большую серебряную медаль за лучший материал для дирижаблей, а также Большую золотую медаль за «достижения в области военной техники».

Обнаруженное Вильмом явление старения алюминиевых сплавов позволило повысить прочность дюралюминия до 350-370 МПа по сравнению с 70-80 МПа у чистого алюминия.

Распространённые в Европе сплавы марок «Hiduminium» и «Avional» являются близкими по составу к дюралюминию сплавами других фирм-производителей — High Duty Alloys Ltd. (Великобритания) и Aluminium-Industrie A-G. (Швейцария).

В СССР/России дюралюминами называют деформируемые сплавы системы Al-Cu-Mg, в которые дополнительно вводят марганец. Типичным дюралюмином является сплав Д1 (состав: 4,3 % Cu, 0,6 % Mg, 0,6 % Mn, остальное — Al), однако вследствие сравнительно низких механических свойств производство его заметно сокращается; сплав Д1 для листов и профилей заменяется сплавом Д16.

В США и Евросоюзе дюралюмины представлены, в первую очередь, сплавами 2024, 2017 (во Франции ранее обозначался AU4G или duralumin) и 2117. По международной универсальной классификации группе деформируемых алюминиевых сплавов Al-Cu-Mg присваиваются обозначения от 2000 до 2999.

Состав сплавов, % массы

Сплав	-	Si	Fe	Cu	Mn	Mg	Cr	Ni	Zn	Ti	Zr+Ti	Прочие каждого	Прочие сумма	Al
2017A	мин.	0,20	/	3,50	0,40	0,40	/	/	/	/	/	/	/	основа
	макс.	0,80	0,70	4,50	1,00	1,00	0,10	/	0,25	/	0,25	0,05	0,15
2024	мин.	/	/	3,80	0,30	1,20	/	/	/	/	/	/	/	основа
	макс.	0,50	0,50	4,90	0,90	1,80	0,10	/	0,25	0,15	0,20	0,05	0,15

Физико-механические свойства

/	2017	2024
Массовая плотность (г/см³)	2,79	2,77
Интервал температур плавления	510-640	500-638
Линейный коэффициент термического расширения (10−6/K)	23,0	22,9
Модуль упругости МПа (1)	74 000	73 000
Коэффициент Пуассона	0,33	0,33
Теплопроводность (W/M°C)	состояние T4: 134	состояние T3: 120
Удельная теплоёмкость (Дж/кг°C)	920	920
Предел упругости RP0.2 (МПа)	260 (2)	300 (3)
Предел прочности Rm (MPa)	390 (2)	440 (3)
Относительное удлинение (%)	9 (2)	9 (3)

(1) Среднее значение модулей при растяжении и сжатии
(2) Пруток, состояние Т4 (закалка и естественное старение) диаметром от 6 до 75 мм
(3) Пруток, состояние Т3 (закалка, деформация в холодном состоянии, старение) диаметром от 50 до 100 мм

Свойства и применение

Несущая конструкция германского дирижабля жёсткой схемы «Цеппелин», выполненная из соединенных заклёпками дюралюминиевых профилей

Сборка цельнометаллического самолёта Dewoitine D.333 (Франция, 1934 год), фюзеляж которого изготовлен из дюралюминия марки AU4G

Дюралюминий — основной конструкционный материал в авиации, космонавтике и других областях машиностроения, для которых принципиальную роль играет минимальная масса конструкции.

Первое применение дюралюминия — изготовление каркаса дирижаблей жёсткой конструкции. Начиная с 1911 года, дюралюминий стал широко применяться в других отраслях машиностроения. В годы Первой мировой войны состав сплава и термообработка были засекречены. Начиная с 1920‑х годов, благодаря высокой удельной прочности, дюралюминий становится важнейшим конструкционным материалом в самолётостроении.

Плотность сплава: 2500-2800 кг/м³. Температура плавления сплава: около 650 °C.

Сплав широко применяется в авиастроении, при производстве скоростных поездов (например, поездов Синкансэн) и во многих других отраслях машиностроения (так как отличается существенно большей прочностью, чем чистый алюминий).

После отжига (нагрева до температуры около 500°C и охлаждения) сплав становится мягким и гибким (как алюминий). После старения (естественного, проходящего при комнатной температуре в течение нескольких суток, или искусственного, проходящего при повышенной температуре в течение нескольких часов) становится твёрдым и жёстким.

В настоящее время сплавы алюминий — медь — магний с добавками марганца — известны под общим названием дюралюмины. К дюралюминам относят советские сплавы следующих марок: Д1, Д16, Д18, В65, Д19, В17, ВАД1. Дюралюмины упрочняются термообработкой; подвергаются, как правило, закалке и естественному или искусственному старению. Характеризуются сочетанием высокой статической прочности (до 450-500 МПа) при комнатной и повышенной (до 150…175 °C) температурах, высоких усталостной прочности и вязкости разрушения.

Недостаток дюралюминов — низкая коррозионная стойкость. Изделия требуют тщательной защиты от коррозии. Дюралюминиевый прокат, как правило, плакируют чистым алюминием, создавая из него лист с двухсторонней плакировкой, — так называемый альклед. Также, как правило, все детали из алюминиевых сплавов, применяемые в конструкции самолёта, анодируют, покрывают грунтовками, специально разработанными для авиации (обычно жёлтого или зелёного цветов) и при необходимости окрашивают.

Факты

• В конце 1930-х годов руководство фирмы «Dürener Metallwerke AG» и исследовательские лаборатории располагались в районе Борзигвальде Берлина. Там в начале 1940-х годов были разработаны высокопрочные деформируемые сплавы системы Al-Zn-Mg с пределом прочности не ниже 50 кгс/мм², применявшиеся серийно на самолётах Хейнкель и Юнкерс в виде прессованных профилей и штамповок. В частности, для сплава «Hydronalium Hy43», разработанного в Институте DVL в 1940 году (состав: 4,5 % Zn, 3,5 % Mg, 0,3 % Mn, 0,4 % Cu, остальное — Al), к 1944 году Министерством авиации RLM была выпущена спецификация Flw3.425.5.
• Марка сплава Д16 появилась к 1946 году как результат безлицензионного воспроизводства и освоения металлургической промышленностью СССР технологии изготовления плит, листов и профилей американского сплава 2024 (состав: 4 % Cu, 1,5 % Mg, 0,3 % Сг, остальное — Al), составлявшего основу конструкции планера тяжёлого бомбардировщика Boeing B-29 Superfortress. Приказ о подетальном копировании («…Не допускается никаких отклонений от американского прототипа, ни в одной детали, ни в одном агрегате…» подпись — Иосиф Сталин.) самолёта Boeing B-29 был отдан лично Сталиным в 1944 году в планах и перспективах создания Ту-4 — первого отечественного самолёта-бомбардировщика, носителя атомного оружия. «ВИАМ исследовал вес деталей, их химический состав, структуру и свойства. Как оказалось, отечественные дуралюмины уступали по свойствам сплаву 2024». Как оказалось, американский сплав 2024 отличался от отечественного дюралюмина Д1 повышенным (до 1,5 %) содержанием магния и небольшой добавкой (0,3 %) хрома.

См. также

• Кольчугалюминий — советский аналог дюралюминия, разработанный в 1922 году.
• Альклед — алюминиевый сплав, по заказу NACA. С 1922 года использования в авиастроении США.