Materiały metalowe
Utwardzanie wydzieleniowe stopów aluminium
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Aluminium
Metal ten krystalizuje w sieci A1, a więc
cechuje się dużą plastycznością.
Charakteryzuje siÄ™ parametrem sieci a=0,40408
nm, temperaturÄ™ topnienia 660,4°C,
Mg / m3
temperaturÄ™ wrzenia 2060°C. MaÅ‚Ä… gÄ™stość 2,7
kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich.
Dzięki tej własności i stosunkowo bogatemu
występowaniu w przyrodzie jest szeroko
stosowany w przemyśle lotniczym i
transportowym.
Czyste aluminium cechuje siÄ™ wysokÄ…
przewodnością elektryczną 37,74 MSm,
stanowiącą 66% przewodności elektrycznej
miedzi, oraz dobrą przewodność cieplną.
Przewodność elektryczna tego metalu maleje
wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeń
i domieszek, do których należą Fe Si, a także
Cu, Zn i Ti..
Wymienione pierwiastki powodują zmniejszenie plastyczności, lecz zwiększenie
wytrzymaÅ‚oÅ›ci. WytrzymaÅ‚ość czystego wyżarzonego aluminium jest niska Rm =70÷120 MPa,
R02=20÷40 MPa, wydÅ‚użenie A10 =30÷40%, przewężenie Z=80÷95% i twardość od 15 do 30
HB.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
mJ / m2
Ma wysokÄ… energiÄ™ bÅ‚Ä™du uÅ‚ożenia 200÷250 . Na powietrzu
pokrywa się cienką warstwą , która chroni je przed dalszym
utlenianiem. Jest odporne na działanie wody, ,, wielu kwasów
organicznych, związków atomowych. Natomiast nie jest
odporne na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH),
kwasów beztlenowych (HF, HCI), wody morskiej.
Mała gęstość, duża odporność na korozję oraz podatność na
umocnienie odkształceniowe i inne przez wprowadzone do Al
składniki stopowe decydują, że stopy aluminium mają bardzo
duże znaczenie w budowie urządzeń o małej masie, zwłaszcza
dla przemysłu lotniczego, samochodowego i innych. Znaczenie
techniczne mają zarówno stopy przerabiane plastycznie, jak i
odlewnicze. Jednak pierwsze z nich cechuje wyraz
nie większa
podatność na kształtowanie pożądanych własności użytkowych
wyrobów w procesach wytwórczych oraz technologiami obróbki
cieplnej.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Wytwarzanie aluminium o różnej czystości, zgodnej z
rok produkcja rok produkcja
normami PN-EN 573-3:2005 i PN-EN 576:2005 jest
(tony) (tony)
wytwarzane w kilkunastu gatunkach o zróżnicowanej
czystości metalurgicznej, od 99,99% Al po rafinacji
elektrolitycznej do 99,0% Al po rafinacji ogniowej.
Najczystszy gatunek EN AW-A199,99 jest używany przy
wytwarzaniu aparatury chemicznej, urządzeń
elektronicznych, elektrycznych oraz na folie
kondensatorowe. Gatunek AW-A199,8 stosuje siÄ™ na
folie, powłoki kablowe i do platerowania, gatunek AW-
A199,5 na przewody elektryczne i gatunek AW-A199 na
wyroby codziennego użytku.
Aluminium obrabia siÄ™ plastycznie  walcuje (blachy,
folie) lub wyciska (pręty, druty, rury, kształtowniki).
Obróbkę plastyczną można przeprowadzić na zimno lub
na gorÄ…co (ok. 450°C). Aluminium ma duże
powinowactwo do tlenu, stÄ…d jego zastosowanie w
aluminotermii oraz do odtleniania stali. Oprócz tego jest
Historia produkcji aluminium na świecie (tony)
szeroko stosowane w przemyśle spożywczym oraz do
aluminowania dyfuzyjnego stali.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium
Własności wytrzymałościowe czystego
aluminium sÄ… stosunkowo niskie, dla tego
stosuje się stopy, po odpowiedniej obróbce
cieplnej mają wytrzymałość nawet
kilkakrotnie większą.
Stopy aluminium cechujÄ… siÄ™ korzystnymi
cechami konstrukcyjnymi tzn. stosunkiem
wytrzymałości do ciężaru właściwego, który
jest większy niż dla stali, a oprócz tego ich
udarność nie maleje w miarę obniżenia
temperatury, dzięki czemu w niskich
temperaturach mają większą udarność niż
stal. Mają jednak niską wytrzymałość
zmęczeniową.
Stopy dzieli się na odlewnicze i do obróbki
plastycznej. Niektóre nadają się zarówno do
odlewania jak i do obróbki plastycznej.
Wpływ pierwiastków na wytrzymałość stopów aluminium.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy odlewnicze
SÄ… odlewane w formach piaskowych,
kokilowych lub jako odlewy ciśnieniowe.
Odlewa się zwykle elementy o złożonych
kształtach. Mają one jednak własności
mechaniczne gorsze niż po obróbce
plastycznej. Największe znaczenie spośród
stopów odlewniczych aluminium
odgrywają, siluminy będące stopami
aluminium zawierajÄ…cymi 4÷30% krzemu.
Siluminy sÄ… najbardziej
rozpowszechnionymi stopami
odlewniczymi aluminium.
Siluminy cechujÄ… siÄ™ bardzo dobrymi
własnościami odlewniczymi. Bardzo dobrą
lejność oraz mały skurcz i mała skłonność
do pękania sprawiają, że można z nich
uzyskiwać na drodze odlewania elementy o
skomplikowanych kształtach i cienkich układ równowagi Al-Si
ściankach.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Modyfikacja siluminów jest procesem
prowadzonym dla poprawy własności. Stopy te
poddaje siÄ™ modyfikacji polegajÄ…cej na
oddziaływaniu na proces krystalizacji
odpowiednimi dodatkami wprowadzanymi do
ciekłego stopu. Siluminy mają grubo-ziarnistą
strukturą eutektyki. na tle której, w przypadku
stopów nadeutektycznych, dodatkowo występują
iglaste kryształy krzemu.
Mikrostruktura siluminu niemodyfikowanego
Siluminy są stosowane na odlewy części maszyn,
w tym również w przemyśle okrętowym, do
budowy aparatury chemicznej oraz wyrobów
galanteryjnych. Największe zastosowanie stopy
te mają jednak w przemyśle motoryzacyjnym,
gdyż są podstawowym materiałem na elementy
silników spalinowych (tłoki, głowice).
Przykładowymi stopami odlewniczymi
aluminium są według [3] stopy z grup:
AlSilOMg, AISi, AlS i SCu.
Mikrostruktura siluminu modyfikowanego
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy do obróbki plastycznej:
Stopy aluminium z miedziÄ…
Stopy aluminium z Magnezem
Stopy Al-Mg-Si
Stopy aluminium z cynkiem
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium z miedziÄ…
Stopy aluminium z miedziÄ… (ok. 5% Cu) sÄ…
typowymi stopami nadajÄ…cymi siÄ™ do
obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem
wydzieleniowym.
Od strony aluminium występuje roztwór
staÅ‚y É o ograniczonej rozpuszczalnoÅ›ci,
która w temperaturze eutektycznej 548°C
wynosi 5,7% Cu. Eutektyka zawierajÄ…ca
33% Cu skÅ‚ada siÄ™ z roztworu É i fazy
międzymetalicznej (Ś).
Podstawą obróbki cieplnej tych stopów jest
charakter linii solivus. W miarę obniżenia
tempery rozpuszczalność miedzi maleje i
w temperaturze 200°C wynosi 0,1 %. JeÅ›li
więc stop, zawierający np. 4% Cu, jest
nagrzany do temperatury wyższej ok. linii
solivus (poniżej 548°C), to powstanie
Fragment układu Al-Cu L.A. Wille.
jednorodny roztwór staÅ‚y É
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stop dążąc do osiągnięcia stanu równowagi, usiłuje
wydzielić nadmiar rozpuszczonej miedzi w postaci
dyspersyjnych czÄ…stek bogatych w miedz. Proces ten,
który przebiega samorzutnie w określonym czasie,
nazywamy starzeniem. T
e
Podgrzewanie przesyconego stopu przyspiesza m
wydzielanie drugiej fazy i jest nazywane starzeniem
p
przyspieszonym. Połączenie obydwu operacji
e
(przesycenia i starzenia) stanowi utwardzenie
r
wydzieleniowe. Obróbka taka zastosowana dla stopu
AlCu4,który w stanie wyżarzonym ma R=200 MPa, a
może dawać po starzeniu naturalnym dwukrotnie
t
większą wartość.
u
r
Największe zmiany twardości następują w ciągu
a
pierwszej doby, póz
niej przyrosty są już coraz
mniejsze, aż po czterech dobach ustala się stała
twardość, Å›wiadczÄ…ca o wydzieleniu z przesyconego ° C
°
roztworu ciekłego nadmiaru miedzi. Stopień
umocnienia zależy od składu stopu.
Czas (dni)
Inny charakter majÄ… krzywe umocnienia
otrzymywane przy przyśpieszonym starzeniu. Mają
Wpływ temperatury i czasu starzenia na
one wyraz
ne maksimum, które obniża się i
wytrzymałość Rm stopu Al-Cu.
jednocześnie przesuwa w lewo (ku krótszym czasom)
w miarÄ™ wzrostu temperatury starzenia.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Skład chemiczny wybranych stopów do obróbki plastycznej z serii 2000 wg. PN
EN 573-3:2003
Oznaczenie stopy
Ti
Symbolami
Numerem chemicznymi Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ga V
3,3- 0,50- 0,40-
EN AW-Al
EN AW- 2007A Cu4PbMgMn 0,8 0,8 4,6 1,0 1,8 0,10 0,20 0,8 0,20 -
2,2- 0,20-
EN AW-2117 EN AW-Al Cu2,5Mg 0,8 0,7 3,0 0,2 0,5 0,10 - 0,25 - -
5,8- 0,20- 0,02- 0,05-
EN AW-2219 EN AW-Al Cu6Mn 0,20 0,30 6,8 0,40 0,02 - - 0,10 0,10 0,15
3,8- 0,30- 1,2-
EN AW-2024 EN AW-Al Cu4Mg1 0,50 0,50 4,9 0,9 1,8 0,10 - 0,25 0,15 -
EN AW-Al 1,5- 1,1-
EN AW-2091 Cu2Li2Mg1,5 0,20 0,30 2,5 0,10 1,9 0,10 - 0,25 0,10 -
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stop aluminium symbol chemiczny EN
AW-AlCu2Mg1,5Ni wg. PN EN 573-
3:1998 (1,9-2,7% Cu, 1,2-1,8% Mg, 0,8-
1,4% Ni, 0,8-1,4% Fe) i AlCu2Mg2NiSi
(1,9-2,5% Cu, 1,4-1,8% Mg, 0,8-1,3% Ni,
0,8-1,3% Fe, 0,5-1,2% Si) podatne do
obróbki plastycznej. Utwardzane
wydzieleniowo przez przez przesycanie i
naturalne starzenie. Znalazły
Mikrostruktura duralu AlCu2Mg1,5Ni w stanie
zastosowanie na konstrukcje lotnicze, do
wyżarzonym. Widoczne duże kryształy roztworu
kuca swobodnego i w matrycach. Stopy te
stałego bogatego w aluminium oraz ciemne
wydzielenia międzymetalicznych faz umacniających
wykazują dużą odporność w
(Al2Cu, AlCuMg, Al2CuMg, Mg5Cu,
podwyższonych temperaturach (200-
in. ). Traw. odczynnikiem o składzie: l ml HF (30%)
300°C). Dostarczane w postaci prÄ™tów i
H2O
+ 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl + 95 ml Powiększ.
odkuwek.
200x
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy aluminium z Magnezem
Aluminium tworzy z Mg roztwór stały
graniczny o zmniejszajÄ…cej siÄ™ wraz z
obniżeniem temperatury, krystalizujący
w sieci ściennie centrowanej typu A1
układu regularnego. W zakresie stężeń
do ok. 35,5% Mg występuje mieszanina
eutektyczna roztworu Ä… z roztworem
staÅ‚ym wtórnym ² na osnowie fazy
elektronowej Al8Mg5
krystalizującej w sieci złożonej. W
stopach przemysłowych Al z Mg
stężenie Mg jest zawarte przedziale 0,5÷
13%. Stopy o małym stężeniu Mg
wykazują dużą podatność na obróbkę
plastyczną, natomiast o dużym stężeniu
bardzo dobre własności odlewnicze.
Fragment wykresu równowagi Al.-Mg
(według L.A. Willeya)
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy zwane hydronaliami zawierajÄ…ce 04÷5,6% Mg, a także
niewielki dodatki pierwiastków takich jak Mn, a także Si, Fe, Pb
Posiadają podwyższone własności mechaniczne, odporność na
korozje w środowisku wody i atmosfery morskiej oraz dobrą
spawalność i podatność na głębokie tłoczenie.
Hydronalia mają strukturę dwufazową roztworu stałego ą i
wydzieleÅ„ fazy ². WÅ‚asnoÅ›ci wytrzymaÅ‚oÅ›ciowe tych stopów Ä…
zwiększane w wyniku umocnienia zgniotowego. Poddaje się je
Chłodzony w odpowiedniej temperaturze
także wyżarzaniu ujednoradniającemu, rekrystalizującemu, oraz
Stop EN AW-6060
odprężaniu a także utwardzaniu wydzieleniowemu. Stosowana
jest również do nich nisko i wysokotemperaturowa obróbka
cieplno mechaniczna.
Maksymalna rozpuszczalność magnezu w aluminium w
temperaturze eutektycznej (451°C) wynosi 14,9% i spada do
1,9% w temperaturze pokojowej. Stopy Al-Mg o stosunkowo
wysokiej zawartości magnezu są jednofazowe, złożone z
roztworu stałego ą, a więc plastyczne. Stopy o zawartości
magnezu poniżej ok. 2% nie mogą być utwardzane
wydzieleniowo.
Stop EN AW-6060 chłodzony zbyt wolno
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy Al-Mg-Si
Stop, który oprócz 0,5% Mg zawiera
jeszcze około 0,5 Si. Cechuje się dobrą
przewodnością elektryczną (tylko 15%
niższą niż czyste aluminium) i dobrą
wytrzymałością, co zadecydowało o jego
zastosowaniu na elektroenergetyczne
linie napowietrzne. Jest on poddawany
kombinowanej obróbce cieplno-
plastycznej, najpierw przesycany od
temperatury 550÷560°C, nastÄ™pnie
odkształcany (90% zgniotu) i wreszcie
starzony samorzutnie lub sztucznie
(105°C, ok. 10 h). TÄ… drogÄ… osiÄ…ga siÄ™
dwukrotnie większą wytrzymałość stopu
od aluminium, która pozwala na
stosowanie tych przewodów bez
wzmacniających przewodów drutów
Fragment układu równowagi fazowej Al-Mg2Si
stalowych.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Mikrostruktura tych stopów jest złożona z
roztworu stałego ą, fazy umacniającej Mg2Si,
fazy (Al3Mg2), fazy Al6Mn oraz fazy Al2Cu.
Do tych stopów stosuje się obróbkę cieplną:
" wyżarzanie odprężające w temperaturze 100-
150°C przez kilkanaÅ›cie godzin (rzadko
stosowane),
" wyżarzanie rekrystalizujące w temperaturze
350-400°C w czasie 6-8 h,
" utwardzanie wydzieleniowe:
" przesycanie z temperatury 515-525°C w
wodzie o temperaturze 20°C,
" starzenie w temperaturze 150-170°C
przez 8-12 h.
Rama przedniej szyby w BMW Z8
wykonana ze stopów Al-Mg-Si
Stopy po umacnianiu wydzieleniowym majÄ… bardzo dobre
właściwości mechaniczne RM= 400 MPa, R02 =300 MPa, Aw=18%)
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Porównawczy wykres
własności stopu
EN AW-Al
Si1MgMn
starzonego:
" a). sztucznie
" b). naturalnie
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Stopy Al-Mg-Si nalezą do stopów utwardzanych wydzieleniowo w temperaturze pokojowej i pod
względem znaczenia technicznego zajmują wysoką pozycję, tuż za stopami Al-Cu i AI-Cu-Mg. Sekwencję
tworzenia się faz wtórnych w przesyconym roztworze stałym tych stopów można przedstawić w postaci:







Ä…
²"" ²"
Strefy GP związane z lokalną segregacją atomów Mg i Si tworzą się zwykle podczas starzenia stopów w
temperaturze podwyższonej.
Koherentna faza ²""o sieci jednoskoÅ›nej ma morfologiÄ™ iglastÄ… w kierunku <100> i zachowuje z osnowa,
orientację przestrzenną zgodną z zależnością:
(010) ²""//(001Ä…):[001] ²""//[310] Ä…
Faza B' występuje w postaci półkoherentnych pręcików orientowanych w kierunku <100>, ma siec
heksagonalną oraz skład Mg2Si i spełnia z osnową zależności krystalograficzne:
²"" Ä… ²" Ä…
Obecność tej fazy nie jest jednak jednoznacznie ustalona.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Faza B' tworzy się w postaci pókoherentnych listewek rozmieszczonych w kierunku <100>a,
ma siec heksagonalną oraz skład Mg2Si i względem osnowy stopu wykazuje orientację
krystalograficzną zgodną z następującymi zależnościami:
_
_
Ä… Ä…
Ä… Ä…
Faza B' w stopach o dużej wartoÅ›ci stosunku Si/Mg wystÄ™puje zwykle Å‚Ä…cznie z fazÄ… ²"
²"
Faza równowagowa ²-Mg2Si jest niekoherentna i wystÄ™puje w postaci pÅ‚ytek w pÅ‚aszczyznach
²
{100}, ma sieć regularną ściennie centrowaną i wykazuje względem osnowy stopu zależności
krystalograficzne zbliżone do speÅ‚nianych przez fazÄ™ ²", a w szczególnoÅ›ci:
²"
² Ä… ² Ä…
² Ä… ² Ä…
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Skład chemiczny wybranych stopów z serii 6000 wg. PN EN 573-3:2003
Oznaczenie stopy
Symbolami
Numerem chemicznymi Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti V
0,30- 0,40-
EN AW- EN AW-Al
6101A MgSi(A) 0,7 0,40 0,05 - 0,9 - - - -
0,6- 0,40-
EN AW-
6005 EN AW-Al SiMg 0,9 0,35 0,10 0,10 0,6 0,10 - 0,10 0,10 -
EN AW- EN AW-Al 0,40- 0,15- 0,8- 0,04-
6061 Mg1SiCu 0,8 0,7 0,40 0,15 1,2 0,35 - 0,25 0,15 -
EN AW- EN AW-Al 0,7- 0,40- 0,6-
6082 Si1MgMn 1,3 0,50 0,10 1,0 1,2 0,25 - 0,20 0,10 -
EN AW- EN AW-Al O,7- 0,40- 0,6-
6082A Si1MgMn(a) 1,3 0,50 0,10 1,0 1,2 0,25 - 0,20 0,10 -
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
beams
Typowe zastosowanie Stopów tej grupy jest wszędzie tam gdzie
wymagane są bardzo duże wytrzymałości np. zderzak
samochodowy.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Skład chemiczny wybranych stopów do obróbki plastycznej z serii 7000 wg. PN
EN 573-3:2003
Oznaczenie stopy
Symbolami
Numerem chemicznymi Si Fe Cu Mn Mg Cr Ni Zn Ti V
1,5- 2,1- 5,7-
EN AW-Al
EN AW-7010 Zn6MgCu 0,12 0,15 2,0 0,10 2,6 0,05 0,05 6,7 0,6 -
0,05- 1,0- 0,10- 4,0-
EN AW-Al
EN AW-7020 Zn4,5Mg1 0,35 0,40 0,20 0,50 1,4 0,35 - 5,0 - -
EN AW- EN AW-Al 0,50- 0,10- 2,6- 0,10- 4,3-
7022 Zn5Mg3Cu 0,50 0,50 1,0 0,40 3,7 0,30 - 5,2 - -
EN AW- EN AW-Al 0,20- 1,0- 4,8-
7030 Zn5,5Mg1Cu 0,20 0,30 0,40 0,05 1,5 0,04 - 5,9 0,03 -
EN AW- EN AW-Al 1,8- 1,3- 0,15- 6,1-
7060 Zn7CuMg 0,1,5 0,20 2,6 0,20 2,1 0,25 - 7,5 0,05 -
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Utwardzanie wydzieleniowe
Utwardzanie wydzieleniowe polega na
utwardzeniu stopu dyspersyjnymi
czÄ…stkami fazy wydzielonej z
przesyconego roztworu stałego.
Proces utwardzania wydzieleniowego
jest obróbką cieplną składającą się z
dwóch operacji  przesycania a
następnie starzenia. Podstawowym
warunkiem dla realizowania
utwardzania wydzieleniowego jest
wykazanie przez stop zmniejszajÄ…cej
się wraz z obniżeniem temperatury
rozpuszczalności składnika stopowego
w osnowie.
Schemat sposobu określenia
temperatury przesycenia i starzenia
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Warunkiem dodatkowym zrealizowania utwardzania wydzieleniowego jest
uzyskanie w temperaturze podwyższonej jednorodnego roztworu stałego, możliwość
zrealizowania szybkiego oziębienia do temperatury otoczenia oraz możliwość
przebiegu procesu starzenia w temperaturze otocznia lub podwyższonej.
a) Struktura wyjściowa stopu.
b) Struktura stopu po przesyceniu.
c) Struktura stopu po starzeniu (etap wydzielenia faz
koherentnych.
d) Struktura stopu po starzeniu (etap wydzielenia faz
niekoherentnych.
e) Struktura stopu przesyconego (etap koagulacji faz
niekoherentnych).
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Przesycani
Przesycanie stosowane jest w celu
uzyskania skrajnej nierównowagowej
(metastabilnej) budowy. Rozważanie
przesycania ze względu na kinetykę
rozpadu roztworu stałego prowadzi do
pojęcia stopnia przesycenia. Dla celów
praktycznych proces przesycenia można
określić jako operacje obróbki cieplnej,
polegajÄ…cej na nagrzaniu stopu do
temperatury jednorodnego roztworu
stałego ą, wytrzymaniu w tej
temperaturze w celu rozpuszczeniu
wydzielonych czÄ…stek fazy ², oraz
oziębieniu do temperatury otoczenia lub
wyższej, ale zawsze niższej od
temperatury granicznej rozpuszczalności.
Schemat operacji przesycania: 1-2 nagrzewanie stopu do temperatury
T , powyżej linii granicznej rozpuszczalności w stanie stałym, 2-3
wygrzewanie w temperaturze T w czasie zapewniajÄ…cym uzyskanie
jednorodnego roztworu stałego ą, 3-4 oziębienie do temperatury
otoczenia z szybkością większą od krytycznej szybkości rozpadu.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Określenie temperatury przesycenia jako temperatury wyższej od temperatury linii
granicznej rozpuszczalności (zakres jednofazowego jednorodnego stopu) jest mało
precyzyjne, ponieważ nie determinuje ograniczenia temperatury do góry.
Temperatura przesycenia nie może być zbyt wysoka, aby nie spowodowała
nadmiernego rozrostu ziarna lub nawet nadtopień. Orientacyjnie ograniczenie
temperatury nadtopu od góry określa nierówność:
Tp < 0,6Tt
Gdzie: Tt - temperatura przesycenia.
Tp - temperatura topnienia.
Szybkość chłodzenia podczas przesycania powinna być większa od szybkości
krytycznej  szybkości rozpadu roztworu stałego, a ta wiąże się z trwałością
Przykopnego roztworu stałego.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Zakres przesycania durali jest stosunkowo wÄ…ski. Wykonanie tej operacji w zbyt
wysokich temperaturach prowadzi do nadtapiania materiału, a w zbyt niskich do
całkowitego rozpuszczenia pierwiastków przesycających i uzyskania struktury
roztworu stałego z wydzieleniami.
Przesycenie prowadzone w temperaturze dobranej dla danego stopu pozwala na
utrzymanie struktury roztworu stałego przesyconego, wymuszającej optymalne
własności materiału po końcowej operacji utwardzania wydzieleniowego- starzeniu.
Struktura duralu po przesyceniu ze zbyt niskiej Struktura Duralu AlZn6Mg3 po przesyceniu w
temperatury 400°C. Roztwór Ä… z wÅ‚aÅ›ciwej temperaturze 520°C . Roztwór Ä…
wydzieleniami i układami dyslokacji. Pow. z piętami dyslokacji. Pow. 50000x
44000x [6]
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Starzenie
Starzenie jest kolejnÄ… po przesycaniu
operacjÄ… utwardzania
wydzieleniowego i może występować
jako samorzutne w temperaturze
20÷100°C lub przyÅ›pieszone w
temperaturach podwyższonych.
Starzenie przyśpieszone obejmuje
następujące zbiegi:
nagrzewanie stopu do temperatury
t>100°C, ale niższej od temperatury
granicznej rozpuszczalności.
długotrwałe wygrzewanie w tej
temperaturze (od kilku godzin do kilu
dni);
chłodzenie stopu;
Schemat pięciostadiowego procesu starzenia
Stopy przesycone poddane operacji starzenia wykazują wzrost własności
wytrzymałościowych i twardości. Wzrost własności determinowany szybkością rozpadu
przesyconego roztworu stałego zależy od temperatury starzenia i stopnia przesycenia
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Ze względu na złożoność starzenie dzieli się na stadia, podczas których przeważa jeden z
procesów składowych. Podział ten jest nieco sztuczny, ponieważ procesy te często
nakładają się na siebie.
Stadia rozpadu przesyconego roztworu stałego zachodzące podczas starzenia można
ogólnie podzielić następująco:
ą1 (częściowo przesycony) + strefy GP
->
Ä…
ą2 (częściowo przesycony) + fazy pośrednie
p ->
p
-> ą (równowagowy) + faza stabilna
Schemat zmian własności i struktury w
trakcie starzenia w zależności od czasu
i struktury starzenia
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007
Materiały metalowe
Procesom wydzieleniowym podczas
starzenia towarzyszÄ… istotne zmiany
własności stopów metali. Powstające
wydzielenia powodujÄ… znaczne
zwiększenie własności
wytrzymałościowych i twardości
stopów.
Zjawisko powrotu stopu do stanu
wyjściowego po krótkotrwałym
wygrzaniu w temperaturach niższych
niż temperatura przesycenia jest
nazywane nawrotem.
Schemat zmian w sieci elementarnej podczas procesu starzenia: a). stop przesycony, b). skupienia atomów, strefy Guinera-Prestona (GP).
c). powstawanie wydzieleń o sieci koherentnej z siecią osnowy, d). powstawanie fazy niekoherentnej z siecią osnowy.
Utwardzanie wydzieleniowe
stopów aluminium
© Copyright by L.A. DobrzaÅ„ski, IMIiB, Gliwice 2007