261
Ćwiczenie 31
BADANIA MIKROSKOPOWE
STOPÓW ALUMINIUM I MAGNEZU
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie struktur typowych stopów aluminium i magnezu.
2. WIADOMOR
CI PODSTAWOWE
Rozwój techniki, szczególnie w dziedzinie budowy samolotów, rakiet i samocho-
dów, spowodował wzrost zapotrzebowania na stopy konstrukcyjne o małym ciężarze
właS
ciwym. Stopami, które mogły sprostać temu wymaganiu, są stopy aluminium (c. wł.
2,7 G/cm3) i magnezu (c. wł. 1,7 G/cm3) popularnie zwane stopami metali lekkich.
WłasnoS
ci mechaniczne stopów metali lekkich ocenia się stosunkiem wytrzymało-
S
ci na rozciąganie do ciężaru właS
ciwego, zwanym wytrzymałoS
cią ciężarową, umoż-
liwiającym porównanie różnych materiałów konstrukcyjnych. Wybór stopu zależy rów-
nież od jego ciągliwoS
ci, udarnoS
ci, podatnoS
ci na działanie karbu, wytrzymałoS
ci
zmęczeniowej, odpornoS
ci na korozję oraz od jego ceny. Poza tym w konstrukcjach
duże znaczenie ma sztywnoS
ć zależna od modułu sprężystoS
ci np. jeS
li sztywnoS
ć
stalowej belki przyjmiemy jako 100% to sztywnoS
ć utwardzonego wydzieleniowo du-
raluminium będzie wynosić 33%, a stopu magnezu również w stanie obrobionym cieplnie
zaledwie 22%.
2.1. Stopy aluminium
Stopy aluminium są dwu- lub wieloskładnikowe; w zależnoS
ci od ich własnoS
ci tech-
nologicznych dzieli się je na na stopy odlewnicze i stopy przerabialne plastycznie.
2.1.1. Odlewnicze stopy aluminium
Stopami odlewniczymi są stopy aluminium z krzemem, miedzią lub magnezem.
Przeważnie są to stopy o składzie eutektycznym, gdyż mają wówczas niską tempera-
turę topnienia, dobrą lejnoS
ć i mały skurcz odlewu.
Najpopularniejsze są stopy aluminium z krzemem (dwuskładnikowe), zwane
siluminami. Pod względem zawartoS
ci krzemu siluminy dzielimy na:
 podeutektyczne, zawierające od 4 do 10% Si,
Opracował: Marek Mazur
262
 eutektyczne, zawierające od 10 do 13% Si, np. AlSi11,
 nadeutektyczne, zawierające od 17 do 30% Si.
Siluminy pod- i nad- eutektyczne są zwykle wieloskładnikowe, oprócz krzemu za-
wierają dodatki Cu, Mg, Mn i Ni (np. AlSi21CuNi, AlSi5Cu1), co pozwala obrabiać je
cieplnie (przesycanie i stażenie) zwiększając ich wytrzymałoS
ć.
Na podstawie wykresu równowagi
t i
fazowej Al-Si (rys. 31.1) można stwier-
dzić, że stopy aluminium z krzemem przy 4
4
zawartoS
ci 11,6% Si krzepną jako stopy
eutektyczne. Charakteryzują się one do-
L
brymi własnoS
ciami odlewniczymi, nie
wykazują skłonnoS
ci do pękania na go-
rąco. Eutektyka składa się z gruboigla-
L + i
stych kryształów roztworu (prawie czy-
sty Si) na tle kryształów roztworu stałego
i
7 L + ą
ą. W stopach nadeutektycznych wystę-
77
pują na tle eutektyki doS
ć duże, wydzie-
ą
ą + i
lone pierwotnie, ostrokątne kryształy .
4
W stopach podeutektycznych spotykamy
rozetkowate wydzielenia eutektyki ( )
,
,
na tle roztworu stałego . Występowa-
4
nie dużych i ostrokątnych kryształów
l g i i
(prawie czysty Si) w stopach eutektycz-
nych i nadeutektycznych wpływa nega- Rys. 31.1. Wykres równowagi Al-Si
tywnie na ich własnoS
ci mechaniczne.
W wyniku dodatku do stopu eutektycznego bezpoS
rednio przed jego odlaniem małej
iloS
ci sodu lub soli sodu (tzw. zabieg modyfikowania), skład eutektyki ulega przesu-
nięciu do większego stężenia Si, tj. ok. 13%, a temperatura przemiany eutektycznej
obniża się do 564�C (rys. 31.2), przez co stopy takie mają budowę charaktrystyczną
dla stopów podeutektycznych (drobnoziarnista eutektyka na tle roztworu stałe-
go ). Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są fosforem przez co w ich strukturze
występuje eutektyka i drobne cząstki dyspersyjnie wydzielonego roztworu .
Siluminy wyróżniają się dobrymi własnoS
ciami odlewniczymi, mają mały skurcz
i dużą rzadkopłynnoS
ć, co umożliwia wykonywanie cienkoS
ciennych wyrobów. Poza
tym jako stopy eutektyczne krzepną przy stałej temperaturze, nie wykazując przy tym
skłonnoS
ci do segregacji. Siluminy dznaczają się dobrą odpornoS
cią na korozję atmos-
feryczną pod warunkiem, że nie mają nadmiernej iloS
ci zanieczyszczeń, a zwłaszcza
żelaza. Są one odporne również na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a na-
wet sody, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i rozcieńczonego. Siluminy pod-
i eutektyczne stosowane są głównie na skomplikowane i wysoko obciążone odlewy
częS
ci maszyn, silników, statków itp. Siluminy nadeutektyczne są stopami stosowany-
263
mi do wyrobu głowic i tłoków do silników
spalinowych, gdyż mają mały współczyn-
nik rozszerzalnoS
ci cieplnej i dobrą odpor-
noS
ć na S
cieranie.
Oprócz siluminów na odlewy stosuje
się stopy aluminium - miedx
i aluminium -
magnez, o składzie zapewniającym im
strukturę podeutektyczną, która składa się
z kryształów roztworu stałego i eutek-
tyki. Stopy Al-Cu zawierają do 5% Cu
i niekiedy dodatek Ti wpływający na roz-
Rys. 31.2.
drobnienie ziarna. Ustępują one siluminom
Wpływ modyfikowania na układ równowagi
pod względem własnoS
ci, są jednak mniej
Al-Si
skłonne do tworzenia warstewek tlenków
przy topieniu, dzięki czemu odlewanie ich jest łatwiejsze. Charakteryzują się dobrą
lejnoS
cią, odpornoS
cią na uderzenia oraz niezmienną wytrzymałoS
cią przy podgrzaniu
do temperatury 200�C. Nie wykazują jednak dobrej odpornoS
ci na korozję, gdyż wy-
dzielenia CuAl2 stwarzają ogniwa lokalne. Stopy te obrabia się cieplnie podobnie jak
siluminy (przesycanie i stażenie). Są stosowane na wszelkiego rodzaju odlewy o doS
ć
dobrych własnoS
ciach mechanicznych i dobrej obrabialnoS
ci.
Stopy aluminium z magnezem zawierają zwykle od 4 do 11% Mg i Si (np. AlMg10,
AlMg5Si1) oraz w niewielkich stężeniach: Mn, Cr, Cu, Ti, Li. Są one, po siluminach,
najczęS
ciej stosowanymi stopami odlewniczymi aluminium. Charakteryzują się gor-
szymi własnoS
ciami odlewniczymi niż stopy Al-Si i Al-Cu przy dobrych własnoS
ciach
mechanicznych. Ważną ich cechą jest dobra odpornoS
ć na korozję, szczególnie w sta-
nie przesyconym. Stosowane są na odlewy armatury morskiej, aparaturę chemiczną,
częS
ci silnie obciążone i narażone na uderzenia, elementy dekoracyjne.
2.1.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej
Ze względu na podatnoS
ć do obróbki cieplnej stopy te można podzielić na:
a) nie obrabiane cieplnie,
b) obrabiane cieplnie.
Teoretyczną granicę podziału stanowi największa zawartoS
ć rozpuszczonego skład-
nika w roztworze stałym przy temperaraturze pokojowej (rys. 31.3). Stopy aluminium
nie obrabiane cieplnie mają strukturę roztworu stałego a przez co charakteryzują się
bardzo dobrą plastycznoS
cią w temperaturze otoczenia i dobrą, zależnie od zawartoS
ci
zanieczyszczeń, odpornoS
cią na korozję. Wadą ich jest stosunkowo niska wytrzyma-
łoS
ć. Można ją zwiększyć przez umocnienie zgniotem, równoczeS
nie jednak ulegają
obniżeniu własnoS
ci plastyczne. Stosowane są na elementy głębokotłoczne i kute o zło-
żonych kształtach. Należą do nich odporne na korozję stopy Al-Mg (do 5% Mg, Si,
264
Mn, Cr) zwane hydronalium, np. AlMg1,
AlMg1SiMn, oraz stopy z manganem (do
2% Mn) tzw.alumany, np. AlMn1.
Stopy do przeróbki plastycznej obrabia-
ne cieplnie są oparte na układach równo-
wagi podwójnej: Al-Zn i Al-Cu (durale),
Al-Si (stop AVIA) oraz Al-Mg (Antico-
rodal i Aldrey). Dzięki obróbce cieplnej
uzyskują one wysoką wytrzymałoS
ć; mają
jednak gorszą plastycznoS
ć od stopów nie
obrabianych cieplnie (przeróbka plast. na
l B,
gorąco).
Durale to stopy Al-Cu-Mg-Mn, tzw.
Rys. 31.3.
durale miedziowe, (np. AlCu4Mg1, Al-
Podział stopów: a) przerabiane plastycznie:
Cu2Mg) i durale cynkowe  Al-Zn-Mg- a1  nie obrabiane cieplnie, a2  obrabiane ciepl-
nie, b) odlewnicze. B  drugi składnik stopu
Cu (np. AlZn6Mg2Cu). Ze względu na
wysokie, po obróbce cieplnej, własnoS
ci
wytrzymałoS
ciowe przeznaczone są do wyrobu szczególnie odpowiedzialnych ele-
mentów. Rozróżnia się durale o podwyższonej wytrzymałoS
ci z 4 do 5% Cu i o pod-
wyższonej plastycznoS
ci o zawartoS
ci poniżej 3% Cu. Po utwardzeniu wydzielenio-
wym wytrzymałoS
ć durali cynkowych sięga Rm = 650 MPa, czyli jest zbliżona do
wytrzymałoS
ci stali typu SSPW. Wadą durali miedziowych jest ich mała odpornoS
ć na
korozję, zwłaszcza w wodzie morskiej, dla uniknięcia której trzeba częS
ci konstrukcji
pokryć farbą, metalizować lub platerować. Durale cynkowe mają dobrą spawalnoS
ć i
większą odpornoS
ć korozyjną.
Wieloskładnikowe stopy Al z Cu zawierające oprócz Mg, Si i Mn także Fe, Ni, Ti
lub Zn (np. AlCu2Mg2NiSi, AlCu4SiMn) charakteryzują się w temperaturze pokojo-
wej nieco gorszymi własnoS
ciami mechanicznymi niż durale miedziowe jednakże nie-
zmiennoS
ć własnoS
ci pozwala na stosowanie ich w temperaturach podwyższonych tj.
do 350�C. Mają przy tym dobrą odpornoS
ć na korozję gazową i erozję.
Obróbka cieplna durali polega na wyżarzaniu rekrystalizującym po zgniocie na
zimno oraz utwardzaniu wydzieleniowym.
Stopy aluminium z krzemem (AVIA) cechuje dobra skrawalnoS
ć, odpornoS
ć na
korozję i S
cieranie. Podobne własnoS
ci ma stop  Anticorodal (Al-Mg-Si-Mn) przy
czym jego odpornoS
ć na korozję jest dużo większa. Inny stop z rodziny stopów Al-Mg
 Aldrey , z uwagi na nieco tylko gorszą niż aluminium przewodnoS
ć elektryczną, przy
dwukrotnie większej wytrzymałoS
ci, jest stosowany jako materiał na druty i przewody
elektryczne. Stopy aluminium z manganem (do 1,5% Mn) i niewielkimi dodatkami Ta,
Ti, Zr lub B mają dobrą odpornoS
ć na korozję przez co znajdują zastosowanie na
elementy pracujące w agresywnych oS
rodkach korozyjnych, np. w przemyS
le che-
micznym i spożywczym oraz na spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne.
�
t r
te er
265
Wszystkie stopy aluminium z miedzią, magnezem lub cynkiem mają dużą skłon-
noS
ć do korozji międzykrystalicznej (zwłaszcza przy działaniu naprężeń).
Obecnie prowadzone są prace nad optymalizacją składu chemicznego przerabia-
nych plastycznie stopów aluminium - lit (do 2,7% Li) z niewielkimi dodatkami Mg, Cu
i Zr. Lit ma pięciokrotnie niższą gęstoS
ć od aluminium a wysoka wartoS
ć modułu
sprężystoS
ci jego stopu z Al pozwala na zmniejszenie masy konstrukcji np. samolotu o
ok. 7,5% w stosunku do konstrukcji z duralu.
2.2. Stopy magnezu
Stopy magnezu mają ciężar właS
ciwy nieco większy od ciężaru właS
ciwego czy-
stego magnezu. Dzięki wyjątkowej lekkoS
ci stopy te często noszą nazwę ultralekkich.
Według własnoS
ci technologicznych dzieli się je na stopy odlewnicze i stopy przera-
bialne plastycznie.
2.2.1. Odlewnicze stopy magnezu
Odlewnicze stopy magnezu można podzielić na dwie grupy, a to:
" dwuskładnikowe z dodatkiem 1,2% Si lub 2% Mn,
" czteroskładnikowe na bazie Mg-Al-Zn-Mn.
Stopy grupy pierwszej mają niskie własnoS
ci mechaniczne przy dużej odpornoS
ci
na korozję. Odlewy z nich są bardzo S
cisłe i dlatego bywają stosowane na zbiorniki na
benzynę, oleje oraz armaturę chemiczną o podwyższonej odpornoS
ci na korozję.
Stopy grupy drugiej zwane elektronami zawierają oprócz magnezu: 2,5 do 11% Al,
0,5 do 3% Zn, 0,10 do 0,5% Mn. Stopy z małą zawartoS
cią aluminium nie są obrabiane
cieplnie i używa się ich na proste odlewy o dobrej szczelnoS
ci. Elektrony o zawartoS
ci
powyżej 6% Al poddaje się utwardzaniu wydzieleniowemu. WłasnoS
ci wytrzymało-
S
ciowe elektronów pozwalają na stosowanie ich na S
rednio lub silnie obciążone częS
ci
samolotów, samochodów, obudowy przyrządów, korpusy wiertarek, przy czym ich
odpornoS
ć na działanie atmosfery jest prawie taka sama jak aluminium. Stosunkowo
wysoką odpornoS
ć wykazuje elektron na działanie silnych zasad oraz związków orga-
nicznych, natomiast mniejszą na działanie kwasów.
2.2.2. Stopy magnezu do przeróbki plastycznej
Są to przeważnie stopy czteroskładnikowe Mg-Al-Zn-Mn, tj. elektrony o mniej-
szych zawartoS
ciach aluminium niż w stopach odlewniczych (poniżej 3% Al) oraz
stopy trójskładnikowe: Mg-Zn-Zr, Mg-Mn-Cu. Ze względu na strukturę krystaliczną
magnezu (typu A3) własnoS
ci plastyczne stopów magnezu są znacznie gorsze od
stopów żelaza, miedzi czy aluminium. Dlatego też przeróbka plastyczna na zimno jest
w ich przypadku ograniczona, zwłaszcza, że zjawisko zgniotu jeszcze bardziej utrudnia
266
ten proces. W wyższych temperaturach, pmiędzy 230 a 450�C, plastycznoS
ć stopów
magnezu wzrasta (przeróbka plast. na gorąco). Obróbka cieplna stopów przerabia-
nych plastycznie daje małe efekty i jest rzadko stosowana.
Czteroskładnikowe stopy Mg są odporne na korozję, dobrze spawalne i skrawalne.
Nie wykazują one skłonnoS
ci do korozji naprężeniowej, jednakże wraz ze wzrostem
temperatury ich własnoS
ci mechaniczne obniżają się. Wady tej nie mają stopy trój-
składnikowe z Zr lub Ce. Podczas spawania stopów Mg należy stosować specjalne
topniki i atmosfery ochronne gdyż stopy ulegają silnemu utlenieniu.
Stopy magnezu do przeróbki plastycznej stosowane są na blachy, pręty, odkuwki,
kształtowniki do budowy samolotów, S
migła, zawieszenia silników lotniczych itp.
Podobnie jak w przypadku stopów aluminium prowadzi się badania nad stopami
Mg-Li.
2.2.3. Uwagi ogólne
Stopy magnezu nie dorównują własnoS
ciami wytrzymałoS
ciowymi stopom alumi-
nium. Jeżeli jednak porównać wytrzymałoS
ci ciężarowe, to otrzymuje się wartoS
ci
bardzo zbliżone, na przykład:
Rm/ł: dla stopów Al 40/2,8 = 14
dla stopów Mg 24/1,8 = 13,5
Dlatego też nie jest celowe zastępowanie częS
ci ze stopów aluminium przez ele-
menty większe wykonane ze stopów magnezu. Natomiast celowe jest stosowanie
stopów magnezu tam, gdzie nie są zbyt wysokie wymagania wytrzymałoS
ciowe, a ob-
niżenie ciężaru konstrukcji pozwala na znaczną oszczędnoS
ć pracy związanej z prze-
noszeniem elementów o małej masie (np. pojazdy, samoloty).
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
1. Mikroskop metalograficzny.
2. Komplet zgładów metalograficznych.
3. Komplet przex
roczy mikrostruktur stopów Al, Mg.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1. Omówienie celu ćwiczenia z równoczesnym prezentowaniem na przeżroczach
charakterystycznych mikrostruktur i odpowiadającym im fragmentów układów rów-
nowagi fazowej.
2. Obserwacje mikroskopowe zgładów.
3. Narysowanie wskazanych przaz prowadzącego mikrostruktur z zaznaczeniem skład-
ników strukturalnych.
267
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Rysunki mikrostruktur.
2. Krótkie informacje dotyczące związku pomiędzy charakterem mikrostruktury a wła-
snoS
ciami stopów.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1994.
[2] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1976.
[3] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd.
Politechniki R
ląskiej, Gliwice 1993.