materialoznawstwo - stopy aluminium.doc

Stopy aluminium

Ø      Cel:

Zapoznanie się ze strukturami aluminium

Ø   Aluminium

tworzywa metaliczne otrzymane przez stopienie aluminium z jednym lub większą liczbą metali (bądź z niemetalami), celowo wytworzone dla uzyskania żądanych własności.

Stopy aluminium przerabiane plastycznie- walcuje( blachy, folie), obróbkę plastyczna można przeprowadzić na zimno lub gorąco(ok. 450oC). Ze względu na małą wytrzymałość zastosowanie czystego aluminium w praktyce najczęściej stosuje się stopy tego metalu.

Ø   Siluminy

Stopy odlewnicze siluminy, (układ Al.-Si) aluminium tworzy z krzemem układ eutektyczny z ograniczoną rozpuszczalnością krzemu.

W stopach o zawartości 12,6% SI występuje eutektyka o temperaturze topnienia.

Silumin o składzie zbliżonym do eutektycznego ma bardzo dobre własności odlewnicze, cechuję się dobrą lejnością, małym skurczem i nie wykazuje skłonności do pękania na gorąco. Jego wadą jest powstawanie,, zwłaszcza po niezbyt szybkim chłodzeniu, gruboziarnistej struktury z pierwotnymi kryształami krzemu, co prowadzi do znacznego obniżenia własności mechanicznych stopu.

Siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem. Ogólna ilość modyfikatora nie przekracza 0,1%.

Siluminy nadeutektyczne modyfikuje się za pomocą fosforu.

Stopy aluminium z miedza są typowymi stopami nadającymi się do obróbki cieplnej, zwanej utwardzenie wydzieleniowym.

Stopy do obróbki plastycznej są to przeważnie stopy wieloskładnikowe zawierające najczęściej magnez i mangan lub miedz magnez i mangan.

Ø   Guinier-Preston

pierwsze stadium starzenia polega na tworzeniu się w płaszczyznach skupisk atomów miedzi zwanych strefami Guinier-Prestona. Są to cienkie płytki o grubości kilku i średnicy kilkunastu nm.  Utrata koherencji prowadzi do spadku twardości co nazywamy efektem przestrzenia.

Szybkie chłodzenie roztworu, zwane przesyceniem, nie zmienia jego struktury, lecz powoduje, ze staje się on nie trwały, gdyż zawiera więcej rozpuszczonej miedzi niż wynosi granica rozpuszczalności w temperaturze otoczenia.

Schemat różnych stadiów starzenia stopu Al-Cu

a)faza a (co), b)strefa GP, c) faza przejściowa 0", d) faza równowagowa 9 (AICu2).

Ø   Starzenie stopu

proces który przebiega samorzutnie, polegający na tym ze stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi, usiłuje wydzielić nadmiar rozpuszczonej miedzi w postaci dyspersyjnych cząstek bogatych w miedz.

Terminem starzenie określa się całokształt zmian własności fizycznych zachodzące w materiale w miarę upływu czasu. Wyróżniamy zasadniczo dwa rodzaje starzenia:

·         starzenie po przesycaniu,

·         starzenie po zgniocie.

              Starzenie po przesycaniu jest częścią utwardzania dyspersyjnego i przeprowadza się je po zabiegu przesycania. Przykładem jest tu utwardzanie dyspersyjne duraluminium.

Starzenia po zgniocie występuje w stalach niskowęglowych odkształconych na zimno i prowadzi do obniżenia plastyczności i ciągliwości stali.

·      Starzenie po przesycaniu

Starzenie po przesycaniu jest częścią obróbki cieplnej nazwanej utwardzaniem dyspersyjnym (wydzieleniowym). Utwardzanie dyspersyjne składa się zatem z dwu etapów: przesycania i starzenia.

Utwardzanie dyspersyjne czyli umocnienie stopów za pomocą wydzielonych
cząstek należy do jednych z szerzej stosowanych metod podwyższania
wytrzymałości materiałów metalicznych - w szczególności metali nieżelaznych.
Procesowi takiemu poddaje się stopy, których składniki tworzą ze sobą układ
równowagi z malejącą w miarę obniżania temperatury rozpuszczalnością w stanie
stałym

Zakresy składu stopów podlegających utwardzaniu dyspersyjnemu

·      Etapy procesu starzenia

Zmiany zachodzące w stopie  poddanym  starzeniu,  które  prowadzą do wydzielania się z przesyconego roztworu związku CuAI2, mogą przebiegać poprzez szereg procesów pośrednich. W ich wyniku powstają kolejne tzw. fazy pośrednie. W przypadku   stopów   Al-Cu proces wydzielania w skrajnym przypadku może przebiegać w 4 kolejnych etapach:

- powstawanie stref G P,

- zarodkowanie i wzrost fazy przejściowej 0",

- zarodkowanie i wzrost fazy przejściowej 0',

- faza równowagowa 0 (CuAb).

·      Starzenie stopów Al-Cu

Układ Al-Cu jest typowym układem z malejącą, wraz z obniżaniem temperatury, rozpuszczalnością w stanie stałym. Tak więc stopy o zawartości do ok. 5% Cu stały się modelowymi stopami do badania procesów utwardzania wydzieleniowego. Po stronie bogatej w aluminium maksymalna rozpuszczalność miedzi wynosi 5,7%, przy temperaturze eutektycznej 548°C i maleje do ok. 0,1%, przy temperaturze pokojowej. Do tej linii granicznej rozpuszczalności miedzi na układzie równowagi istnieje roztwór stały w

(oznaczany też jako a). Przy większych zawartościach miedzi pojawia się faza międzymetaliczna CuAI2 (faza 0), która z roztworem a, przy zawartości 33% Cu, tworzy mieszaninę eutektyczną.

Fragment układu równowagi Al-Cu.

·      Starzenie po zgniocie.

W stalach niskowęglowych dużą rolę odgrywa starzenie po zgniocie. Wystąpienie starzenia po zgniocie jest zjawiskiem negatywnym, ponieważ prowadzi do obniżenia plastyczności i ciągliwości stali, oraz powoduje występowanie niestabilności własności w czasie. Chociaż starzenie po zgniocie prowadzi do umocnienia, nie stosuje się go do podwyższenia własności wytrzymałościowych, ponieważ równocześnie zwiększa kruchość stali.

Zmiany własności materiału charakterystyczne dla starzenia po zgniocie zachodzą, jeżeli:

-        w strukturze stali w wyniku odkształcenia występuje duża  ilość „świeżych"
dyslokacji,

-        koncentracja     atomów     międzywęzłowych     (węgla     i     azotu)     aktywnie
oddziaływujących z dyslokacjami przekracza 1O"40/).

Źródłem atomów międzywęzłowych jest roztwór stały oraz metastabilne azotki i węgliki, których energia wiązań jest mniejsza od energii wiązań atomów węgla i azotu z dyslokacjami.

Czynnikami wpływającymi na proces starzenia są:

-         stopień przesycenia Fe-a atomami międzywęzłowymi węgla i azotu, który określa
odchylenie od warunków równowagi,

-         temperatura, która określa kinetykę powrotu do warunków równowagi.

·      Mechanizm starzenia po zgniocie

Proces starzenia można usystematyzować dzieląc go na etapy:

1.     Uporządkowanie atomów międzywęzłowych w polu naprężeń dyslokacji zgodnie z
mechanizmem Snoeka. Wymaga to dyfuzji na małe odległości (równe połowie
parametru sieci), zachodzi więc szybko - przy temperaturze pokojowej kilka
minut. Ze względu na krótki czas trwania etap ten jest najmniej zbadany.

2.     Tworzenie atmosfer Cottrella. Atomy międzywęzłowe dyfundują do dyslokacji i
zajmują    miejsca    wokół    dyslokacji,    nie    zawsze    najbardziej    korzystne
energetycznie. Przy temperaturze pokojowej proces ten trwa 40-60 minut.

3.     Atomy  międzywęzłowe  rozmieszczają się  wokół  dyslokacji  w  miejscach  o
minimalnej   energii   wiązań.   Występuje   segregacja.    Podgrzanie   stali   do
temperatury 250-300°C likwiduje ten efekt.  Proces ten nieznacznie zmienia
własności mechaniczne.

4.     Przy wyższej temperaturze i długich czasach może wystąpić proces przejścia
metastabilnej segregacji w bardziej stabilne wydzielenia węglików lub azotków.
Etap ten charakteryzuje się dużym umocnieniem i wzrostem kruchości.

W procesie starzenia naturalnego stali niskowęglowych maksymalną twardość uzyskuje się po ok. 2 miesiącach, przy starzeniu przy temperaturze 100° po 1-4 godzin, a przy starzeniu przy temperaturze 250°C po 0.5-1 godzinie.

Chcąc zmniejszyć skłonność stali do starzenia po zgniocie należy wyeliminować wolne atomy międzywęzłowe z ferrytu poprzez obniżenie zawartości węgla do bardzo niskiego poziomu lub dodać do stali pierwiastek silnie węglikotwóczy, który zwiąże całkowicie węgiel (np. Ti, V, Nb).

Ø   Efekt umocnienia

jest wynikiem mechanicznego blokowania płaszczyzn poślizgu przez dyspersyjne cząstki. Według Orowana mechanizm umocnienia jest następujący: poruszająca się dyslokacja hamowana jest przez cząstki. Jeśli jednak odległości pomiędzy wydzieleniami są dostatecznie duże to dyslokacja, w wyniku poślizgu, może wyginać się pomiędzy nimi aż do utworzenia pętli wokół cząstki. Wtedy dyslokacja odrywa się, efektywna odległość pomiędzy cząstkami ulega zmniejszeniu i przejście następnej dyslokacji jest utrudnione. Tak więc największą efektywność umocnienia uzyskuje się, gdy cząstki wydzielonej fazy rozmieszczone są gęsto i równomiernie. Jest to spełnione podczas tzw. wydzielania ciągłego. Podstawową cechą charakterystyczną dla tego typu wydzielania jest to, że przemiana zachodzi jednocześnie w całej objętości materiału - przebiega ona w sposób ciągły w miarę upływu czasu. Należy więc dążyć do tego, aby powstawanie wydzieleń nie odbywało się w miejscach uprzywilejowanych (jak granice ziaren, defekty sieci).

Ø   Przesycanie

polega na nagrzaniu stopu powyżej linii granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze, tak aby uzyskać jednorodny roztwór stały, i następnym gwałtownym ochłodzeniu. Szybkość chłodzenia musi być dostatecznie duża, aby uniemożliwić rozpad roztworu na mieszaniną. Technologicznie przesycanie jest wiąc procesem podobnym do hartowania. Zasadnicza różnica pomiędzy nimi polega na tym, że w czasie tego pierwszego nie zachodzi przemiana alotropowa, która ma miejsce podczas hartowania i przesycanie nie prowadzi do wzrostu twardości. Przesycony roztwór stały charakteryzuje się nadmiarem energii swobodnej, jest wiąc termodynamiczne niestabilny.