Wydział
Mechaniczny
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych
Temat ćwiczenia: Badanie struktur stopów aluminium
Numer ćwiczenia: 6
Laboratorium z przedmiotu:
MATERIAA
OZNAWSTWO
2000
Wydział (Instytut): Mechaniczny
Katedra (Zakład): Materiałoznawstwa
Zawartość instrukcji:
1) Wprowadzeniu
2) Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
3) Metodyka badań
a) opis stanowiska
b) przebieg realizacji eksperymentu
c) prezentacja i analiza wyników badań
4) Wymagania BHP
5) Sprawozdania studenckie (cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego, opis
stanowiska badawczego, przebieg realizacji eksperymentu, zestawienie i
analiza wyników badań, wnioski, inne)
6) Literatura
1. Wprowadzenie
1.1. Aluminium, jego właściwości i zastosowanie
Aluminium jest metalem o ciÄ™\
arze właściwym wynoszącym 26,5 kN/m3. Jego własności
wytrzymałościowe są niskie i z tego powodu zakres zastosowania aluminium w stanie
czystym jest ograniczony. Wytrzymałość na rozciąganie Rm wy\
arzonego po obróbce
plastycznej metalu wynosi 70 -110 MPa oraz wydłu\
enie A10=3O-35%. Wpływ zgniotu na
aluminium objawia się znacznym zwiększeniem wytrzymałości Rm do około 130 MPa oraz
zmniejszeniem wydłu\
enia A10 do około 5%. Wpływ zgniotu mo\
e być usunięty przez
wy\
arzenie rekrystalizujące w temperaturze około 350"C.
Zale\
nie od stopnia czystości rozró\
nia się wiele rodzajów aluminium. Aluminium
hutnicze, otrzymywane zwykle metodÄ… elektrometalurgicznÄ…, zawiera zazwyczaj
zanieczyszczenia przekraczające w sumie 0,5%. Po rafinacji elektrolitycznej ilość
zanieczyszczeń w aluminium mo\
na zmniejszyć do 0.1%. a niekiedy nawet do 0.02%. Jako
główne zanieczyszczenia występują zwykle w aluminium: \
elazo, krzem i miedz
.
Aluminium odznacza się małym cię\
arem właściwym, dobrą przewodnością elektryczną,
dobrym przewodnictwem cieplnym, a ponadto tworzy z niektórymi metalami stopy o
dobrych, własnościach odlewniczych oraz stopy o dobrych własnościach
plastycznych. Dzięki wymienionym tu cechom aluminium i jego stopy znalazły
zastosowanie w przemyśle lotniczym, w przemyśle samochodowym oraz w przemyśle
elektrycznym.
Du\
a zdolność do łączenia się z tlenem powoduje, \
e aluminium pokrywa siÄ™ szybko
warstwÄ… tlenku. Warstwa ta dobrze przylega do powierzeni metalu, poniewa\
jest
ponadto bardzo szczelna, zabezpiecza metal.
W stanie czystym aluminium wykazuje cenną, dla przemysłu elektrycznego własność. Jest
niÄ… du\
a przewodność elektryczna; umo\
liwiajÄ…ca szerokie wykorzystanie aluminium na
przewody elektryczne zamiast drogiej i deficytowej miedzi.
Na liczbową wartość przewodności elektrycznej wpływają zanieczyszczenia występujące
w aluminium. Bardzo intensywnie zmniejszają przewodność elektryczną aluminium
zanieczyszczenia manganem, wanadem i tytanem. Dość energicznie zmniejszają
przewodność: magnez, srebro i miedz
. Zawartość \
elaza, cynku, krzemu i niklu w aluminium
wpływa tylko nieznacznie na zmniejszenie jego przewodności.
Własności wytrzymałościowe czystego aluminium nie są zbyt dobre nawet w
temperaturze otoczenia. Ponadto nieznaczny wzrost temperatury powoduje szybkie ich
pogorszenie. Poprawę własności wytrzymałościowych aluminium mo\
na uzyskać przez
zastosowanie zgniotu na zimno lub przez wprowadzenie do aluminium odpowiednich
składników stopowych. Najintensywniej na wytrzymałość na rozciąganie wpływa miedz
, a
następnie \
elazo Dodany do aluminium krzem lub cynk wpływają mniej na jego wytrzymałość.
Miedz
wprawdzie poprawia macanie, wytrzymałość aluminium na rozciąganie, lecz
równocześnie zmniejsza jego zdolność do wydłu\
ania się. Podobnie na własności stopów
aluminium wpływa krzem.
Jako główne składniki stopów aluminiowych wymienić nale\
y miedz
i krzem, a ponadto
magnez, mangan i cynk. W stopach aluminium spotyka się równie\
i inne domieszki. Do
rzadziej stosowanych w stopach aluminium domieszek zalicza siÄ™ nikiel, \
elazo oraz chrom,
kobalt i tytan.
Dodatki stopowe wpływają nie tylko w określony sposób na własności mechaniczne
stopów aluminium, lecz równie\
zmniejszają odporność tych stopów na. korozję.
Specjalnie szkodliwie wpływają na odporność przeciw korozji te składniki stopowe, które
występują w stopach w postaci faz międzymetalicznych, które sprzyjają powstawaniu
lokalnych ogniw elektrochemicznych powodujÄ…cych korozjÄ™.
Miedz
i magnez szczególnie wydatnie zmniejszają odporność stopów aluminium na korozję.
Miedz
tworzy z aluminium fazÄ™ CuAl2. a magnez Al3Mg2. Fazy te, tworzÄ…c z aluminium ogniwa
elektrochemiczne, przyspieszają znacznie korozję stopu. W celu zwiększenia odporności na
korozję stopów aluminium stosuje się pokrywanie przedmiotów warstwą tlenków
wytworzonych na ich powierzchni metodÄ… elektrolitycznego utleniania anodowego. W tym
samym celu stosuje się często paterowanie stopów aluminium czystym aluminium, które jest
bardziej odporne na korozjÄ™ ni\
jego stopy.
1.2. Stopy aluminium odlewnicze
Ogólnie stopy aluminium dzielą się na odlewnicze i do przeróbki plastycznej. Do
pierwszej grupy nale\
ą dwuskładnikowe stopy z krzemem, miedzią lub magnezem oraz
wieloskładnikowe stopy typu Al-Si-Cu, Al-Si-Mg, Al-Si-Cu-Mg-Ni, Al-Cu-Ni i Al-Cu-Ni-Mg.
Najwa\
niejszą podgrupę stopów odlewniczych stanowią stopy aluminium-krzem,
zawierajÄ…ce niekiedy dodatkowo miedz
, magnez, rzadziej nikiel lub tytan, a nazywane
zwykle siluminami. Rozpuszczalność wzajemna aluminium i krzemu jest minimalna, tak \
e
praktycznie wszystkie stopy składają się z dwóch faz: kryształów roztworu stałego krzemu w
aluminium Ä… i kryształów roztworu staÅ‚ego aluminium w krzemie ² (rozpuszczalność
aluminium w krzemie jest tak mała. \
e czÄ™sto fazÄ™ ² traktuje siÄ™ jako czysty krzem). Zgodnie z
układem równowagi (rys. 10) stopy aluminium-krzem dzielą się na podeutektyczne, zło\
one
z fazy Ä… i eutektyki Ä… + ² (rys. 11). eutektyczne (rys. 12) i nadeutektyczne, zÅ‚o\
one z
eutektyki Ä… + ² i fazy ² (rys. 13)
Rys. 10. Układ równowagi aluminium-krzem
Rys. 11. Struktura siluminu podeulektycznego (8% Si) niemodyfikowanego. Widoczne jasne dendrytyczne kryształy
roztworu staÅ‚ego Ä… i eutektyka Ä… + ². Pow. 100 x
Rys. 12. Struktura siluminu euleklycznego (11.6% Si) niemodyfikowanego. Widoczna eutektyki zło\
ona z jasnych
kryształów roztworu staÅ‚ego Ä… i ciemnych kryształów roztworu staÅ‚ego ² . POW.100X
Rys. 13. Struktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) niemodyfikowanego. Na tle eutektyki Ä… + ² widoczne
du\
e KrysztaÅ‚y roztworu staÅ‚ego ². Pow. 100 x
Rys. 14. Wpływ modyfikacji sodem na układ równowagi aluminium-krzem
Siluminy mają bardzo dobre własności odlewnicze, ale ich własności mechaniczne, a
zwłaszcza plastyczność są niedostateczne. W przypadku stopów podeu-tektycznych i
eutektycznych przyczyną tego zjawiska jest gruboziamistość eutektyki, która składa się z
grubych, iglastych lub pierzastych kryształów ² i kryształów Ä… . W przypadku stopów
nadeutektycznych plastyczność jest obni\
ona na skutek obecności w strukturze du\
ych,
twardych i kruchych kryształów ².
Obróbka cieplna, mimo zmiennej z temperaturą rozpuszczalności krzemu w
aluminium, niewiele poprawia własności mechaniczne. Znacznie skuteczniejsze jest
przeprowadzenie modyfikacji tych stopów w stanie ciekłym, mającej na celu zwiększenie
liczby aktywnych zarodków krystalizacji, a tym samym umo\
liwiajÄ…cej uzyskanie struktury
drobnoziarnistej oraz zmianę kształtu ziarn.
W przypadku stopów podeutektycznych i eutektycznych modyfikatorem jest sód
wprowadzany bÄ…dz
bezpośrednio, bądz
w postaci soli. Obecność sodu powoduje
przesunięcie punktu eutektycznego w kierunku wy\
szych zawartości krzemu, z
jednoczesnym obni\
eniem temperatury eutektycznej o 13oC (rys. 14). W efekcie nawet
silumin o składzie ściśle eutektycznym krzepnie jak stop podeutektyczny i jego struktura
składa się z dendrytycznych kryształów roztworu stałego ą krzemu w aluminium oraz
drobnoziarnistej eutektyki Ä… + ², w której krysztaÅ‚y ² majÄ… ksztaÅ‚t zaokrÄ…glony (rys. 15).
W stopach nadeutektycznych modyfikatorem jest fosfor-wprowadzony do ciekłego
metalu bÄ…dz
bezpośrednio, bądz
jako pięciochlorek fosforu, bądz
w postaci stopu mied\
-
fosfor. Fosfor tworzy z aluminium zwiÄ…zek A1P, o du\
ym pokrewieństwie sieciowym do
krzemu, dziÄ™ki czemu powstajÄ… aktywne zarodki krystalizacji fazy ². W rezultacie struktura
modyfikowanych siluminów nadeutektycznych jest podobna do struktury stopów
niemodyfikowanych, ale krysztaÅ‚y ² sÄ… znacznie drobniejsze i bardziej równomiernie
rozmieszczone w eutektyce (rys. 16).
Rys. 15. Struktura siluminu o składzie eutektycznym (11,6% Si) modyfikowanego sodem. Na tle ciemnej,
drobnoziarnistej eutektyki Ä… + ² widoczne jasne, dendrytyczne krysztaÅ‚y roztworu staÅ‚ego Ä…. Pow. 100 x
Rys. 16. Struktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) modyfikowanego fosforem. Na tle eutektyki Ä… + ²
widoczne drobne krysztaÅ‚y roztworu staÅ‚ego ² Pow. 100 x
Rys. 17. Fragment układu równowagi aluminium-miedz
od strony aluminium
Drugą podgrupę odlewniczych stopów aluminium stanowią stopy aluminium-mied\
. Zgodnie
z układem równowagi Al-Cu (rys. 17), struktura tych stopów w postaci lanej składa się z:
1) dendrytycznych kryształów roztworu staÅ‚ego É miedzi w aluminium i wtórnych
kryształów roztworu staÅ‚ego ¸ aluminium w fazie miÄ™dzymetalicznej Al2Cu, jeÅ›li
zawartość miedzi w stopie jest mniejsza od 5,7%;
2) dendrytycznych kryształów roztworu staÅ‚ego É i wtórnych kryształów roztworu ¸
oraz eutektyki É+ ¸, jeÅ›li zawartość miedzi w stopie przekracza 5,7%.
Dzięki obecności w strukturze wtórnych kryształów fazy 0, stopy odlewnicze Al-Cu mo\
na
obrabiać cieplnie przez przesycanie i starzenie. W stanie przesyconym struktura ich składa
siÄ™ odpowiednio bÄ…dz
z kryształów przesyconego roztworu staÅ‚ego É miedzi w aluminium,
bÄ…dz
z kryształów É' i pierwotnych kryształów fazy 0. wchodzÄ…cych w skÅ‚ad eutektyki, a nie
uczestniczÄ…cych w procesie dyspersyjnego utwardzania. Po starzeniu uzyskuje siÄ™ w
pierwszym przypadku strukturę zło\
onÄ… fazy É i dyspersyjnych wydzieleÅ„ wtórnych
kryształów fazy 0, w drugim - obok wymienionych składników występują jeszcze pierwotne
kryształy fazy 0.
1.3. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej
Ta grupa stopów aluminium dzieli się na dwie podgrupy:
1) Stopy stosowane bez obróbki cieplnej (Al-Mg, Al-Mn i Al-Mg-Mn),
2) stopy obrabialne cieplnie (Al-Cu-Mg, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si,
Al-Mg-Si. Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu i inne).
Podwójne stopy aluminium-mangan przy zawartości 1,95% Mn tworzą eutektykę
zło\
oną z kryształów roztworu stałego granicznego a manganu w aluminium i fazy
międzymetalicznej AI2Mn. Rozpuszczalność manganu w aluminium w temperaturze
eutektycznej (658,5OC) wynosi 1,8% i szybko maleje w miarÄ™ obni\
ania temperatury,
teoretycznie więc w stopach tego typu występuje zmienna ilość wtórnych kryształów fazy
AI6Mn. Praktycznie jednak w obecności \
elaza, które jest nieuniknionym zanieczyszczeniem
tych stopów, tworzy się trójskładnikowa faza Al6(Mn, Fe) nierozpuszczalna w aluminium.
Równie\
rozpuszczalność magnezu w aluminium jest ograniczona i zale\
na od
temperatury. W temperaturze eutektycznej (450°C) wy nosi ona 17.4%, w
temperaturze otoczenia - 1,4%. Wynika z tego, \
e stopy Al-Mg zawierajÄ…ce poni\
ej 1,4%
Mg są stopami jednofazowymi, zło\
onymi z kryształów roztworu stałego a magnezu w
aluminium, stopy zawierajÄ…ce powy\
ej 1,4% Mg składają się z dwóch faz: kryształów ą i
wtórnych kryształów fazy międzymetalicznej Al8 Mg5.Pierwszych w ogóle nie mo\
na
obrabiać cieplnie, obróbka drugich jest mało skuteczna.
Struktura stopów aluminium do przeróbki plastycznej obrabialnych cieplnie, w stanie
zbli\
onym do równowagi (niezale\
nie od składu chemicznego) składa się ze stosunkowo
miękkich kryształów roztworu stałego pierwiastków stopowych (ew. domieszek pochodzenia
hutniczego) w aluminium i określonych faz międzymetalicznych, utworzonych bądz
przez
aluminium i pierwiastki stopowe lub domieszki (np. Al2Cu , Al2CuMg, Al2Mg3Zn3, AI3Mg2,
AI4Si2Fe, AI3Fe) bÄ…dz
przez pierwiastki stopowe między sobą (Mg2Si, MgZn2 i inne).
Przykładową strukturę stopu Al-Cu-Mg w stanie wy\
arzonym pokazano na rys. 18.
Rys. 18. Struktura stopu Al.-Cu-Mg (PA29). Pow. 200x
Obróbka cieplna omawianych stopów polega na ich przesycaniu, czyli wprowadzeniu
do roztworu stałego wydzielonych faz międzymetalicznych i uzyskaniu jednorodnego
roztworu stałego składników stopowych w aluminium (w temperaturze otoczenia będzie to
roztwór przesycony - stąd nazwa procesu) i starzeniu,- czyli dyspersyjnym wydzieleniu z
przesyconego roztworu stałego faz międzymetalicznych. Warunkiem więc tej obróbki
cieplnej jest zmienna rozpuszczalność składników stopowych w aluminium, wzrastająca
w miarÄ™ podwy\
szania temperatury, a\
do temperatury przemiany eutektycznej lub
eutektoidalnej.
Z powy\
szego wynika, \
e w stanie przesyconym struktura omawianych stopów
aluminium składa się z kryształów przesyconego roztworu stałego pierwiastków stopowych i
domieszek w aluminium oraz z kryształów nie rozpuszczających się faz w aluminium faz
międzymetalicznych, a w stanie starzonym - z kryształów roztworu stałego, z kryształów nie
rozpuszczających się faz międzymetalicznych i wtórnych kryształów faz
międzymetalicznych, wydzielonych podczas starzenia. Te ostatnie ze względu na bardzo
małe rozmiary (co jest warunkiem skuteczności obróbki cieplnej) nie są na ogól widoczne w
obrazie mikroskopowym struktury (pod mikroskopem optycznym), a ich obecność stwierdza
siÄ™ bÄ…dz
pośrednio wzrostem twardości stopu, bądz
bezpośrednio na mikroskopie
elektronowym.
2. Cel i zakres ćwiczenia laboratoryjnego
Celem ćwiczenia jest identyfikacja struktur zestawu próbek stopów aluminium. W zakres
ćwiczenia wchodzi:
" przygotowanie mikroskopu metalograficznego do badań
" obserwacja wytrawionych zgładów próbek pod ró\
nymi powiększeniami
" narysowanie i opisanie obserwowanych mikrostruktur z zaznaczeniem występujących
składników strukturalnych z podaniem sposobu trawienia próbki i stosowanego
powiększenia
3. Metodyka badań
a) opis stanowiska badawczego
mikroskop metalograficzny
próbki metalograficzne stopów aluminium
b) przebieg realizacji eksperymentu
Sprawdzić prawidłowość połączeń oraz działania mikroskopu metalograficznego
Wykonać obserwację mikroskopową wytypowanych próbek
Wykonać rysunki badanych struktur wraz z opisem struktury oglądanych próbek
c) prezentacja i analiza wyników badań
rysunki struktur wraz z opisem występujących składników strukturalnych
opisać właściwości oraz zastosowanie obserwowanych próbek
przedstawić układy równowagi Al-Si, Al-Cu
opisać wpływ pierwiastków stopowych na właściwości stopów Al
wnioski
4. Wymagania BHP
Ogólne wytyczne z zasad BHP przedstawiane są na pierwszy zajęciach z
materiałoznawstwa. Przed przystąpieniem do wykonywania ćwiczenia student winien
zapoznać się z instrukcją obsługi znajdującą się przy stanowisku badawczym. Wszelkie
urządzenia elektryczne zasilane napięciem powy\
ej jednego kilowolta (piece oporowe) sÄ…
obsługiwane przez pracownika technicznego z odpowiednimi uprawnieniami.
5. Literatura
[1] Ciszewski A., Radomski T., Szummer A.: Ćwiczenia laboratoryjne z
materiałoznawstwa. Warszawa 1995
[2] Ogrodnik J. i in.: Laboratorium materiałoznawstwa. Białystok, 1990.
[3] Prowans S.: Materiałoznawstwo. PWN, Warszawa 1980.
[4] Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo, WNT W-Wa, 1998
[5] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1996.