UNIWERSYTET

TECHNOLOGICZNO - PRZYRODNICZY

W BYDGOSZCZY

Ćwiczenia laboratoryjne z przedmiotu: materiałoznawstwo
TEMAT: Utwardzanie dyspersyjne stopów aluminium Ćwiczenie nr 1
Transport	Semestr III	Rok akademicki: 2011/2012	Grupa A
Wojciech Stachowski		7.10.2011	Ocena:

1. Cel utwardzenia dyspersyjnego:

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem utwardzania dyspersyjnego (wydzieleniowego) stopów aluminium.

Utwardzanie dyspersyjne - utwardzanie wydzieleniowe także umocnienie dyspersyjne lub umocnienie wydzieleniowe - metoda obróbki cieplnej metali prowadząca w efekcie do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Utwardzenie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z roztworu przesyconego a w temperaturze niższej prowadzące w efekcie do zmiany właściwości stopu.

Utwardzanie wydzieleniowe jest bardzo efektywne, niestety w praktyce można go stosować w stosunku do nielicznych stopów: Cu - Be, Al - Cu, Ni - Cr, Fe - Ni.

Proces utwardzania składa się z dwu etapów: przesycania oraz starzenia.

2. Metodyka badań:

Twardość jest miarą odporności materiałów przeciw odkształceniom trwałym, powstającym w skutek wciskania wgłębnika.

Pomiar twardości sposobem Rockwell'a polega na dwustopniowym wciskaniu w badany przedmiot tj. stop aluminium PA6 - wgłębnika - kulki stalowej ¹/₁₆ cala. Twardość Rockwell'a wyznacza się na podstawie głębokości odcisku wykonanego w materiale przy dwustopniowym wciskaniu wgłębnika. Dwustopniowość wciskania polega na zastosowaniu dwóch wartości obciążenia: wstępnego i głównego. Przy obciążeniu wstępnym wgłębnik zagłębia się na głębokość wstępną „x₀” w materiał. W tym położeniu ustawia się czujnik na zerowe położenie, obciążenie wstępne jest realizowane przez ciężar samej dźwigni, bez obciążników. Następnie dodaje się obciążenie główne - 980N (w sumie działa więc obciążenie całkowite). Wgłębnik zagłębia się w materiał w głębokość „x₁”. Ponieważ w tym położeniu w materiale występują odkształcenia zarówno trwałe jak i sprężyste, wobec tego zdejmuje się obciążenie, wgłębnik uniesie się nieco pod wpływem odkształcenia materiału, powstały odcisk jest już więc wynikiem odkształceń głównie plastycznych.

Twardość Rockwell'a charakteryzuje się dużą ilością skal pomiarowych.

Spośród nich najczęściej stosuje się skale C i B. W naszym ćwiczeniu użyliśmy skali B. Skale B i F stosuje się dla stali niehartowanych i metali nieżelaznych.

STAN	TWARDOŚĆ			HRBśr
		1	2		3
początkowy	50	50	50	50
po utwardzeniu	9	9	12	10
starzenie 100^oC	42	42	43	42,3
starzenie 200^oC	36	36	37	36,3
starzenie 300^oC	34	37	39	36,3

Dla próbek podlegającym utwardzaniu czas oczekiwania w piecu kanałowym - 25 min.

Dla próbek podlegającym starzeniu czas oczekiwania - 20 min.

3. Starzenie i wpływ starzenia na własności mechaniczne:

Starzenie - proces polegający na pogorszeniu się własności użytkowych danego materiału.
Starzenie - polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury poniżej granicznej rozpuszczalności drugiego składnika, wygrzaniu w tej temperaturze i powolnym chłodzeniu. Podczas procesu z roztworu przesyconego wydziela się składnik znajdujący się w nadmiarze w postaci drobnodyspersyjnych faz. Jeżeli proces starzenia zachodzi w temperaturze pokojowej to nosi nazwę starzenia samorzutnego lub naturalnego. Starzenie powoduje poprawę właściwości wytrzymałościowych i twardości oraz pogorszenie plastyczności.

W metaloznawstwie terminem tym określa się jeden z rodzajów obróbki cieplnej powodującej zwiększenie wytrzymałości kosztem zmniejszenia plastyczności metalu.

W połączeniu z przesyceniem, starzenie wchodzi w skład utwardzania dyspersyjnego.

4. Własności mechaniczne stopów aluminium oraz zastosowanie w przemyśle transportowym (wady i zalety):

Własności wytrzymałościowe aluminium są stosunkowo niskie, dlatego stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej mają wytrzymałość nawet kilkakrotnie większą. Stopy aluminium cechują się korzystnym parametrem konstrukcyjnym, tzn. stosunkiem wytrzymałości do ciężaru właściwego, który jest większy niż dla stali. Mają jednak niską wytrzymałość zmęczeniową.

Aluminium, jako metal ma nikłe zastosowanie w przemyśle, jednakże dzięki dodatkom w postaci innych pierwiastków takich jak krzem, magnez, cynk czy mangan otrzymujemy stop aluminiowy, który stosowany jest szeroko ze względu na swe doskonałe właściwości.

Wady i zalety:

- w pojazdach i samolotach przyczynia się do zmniejszenia ich masy oraz zużycia energii,

- stopy aluminium stosowane w okrętownictwie mają 2,5-5 krotnie większą wytrzymałość i 4-9 krotnie większą granicę plastyczności „czystego” aluminium,

- do budowy kadłubów okrętowych stosowane są stopy przerabiane plastycznie na gorąco i na zimno w postaci: blach, taśm, kształtowników, prętów, drutów, rur i odkuwek,

- stopy aluminium - mangan - alumany, niskie własności wytrzymałościowe, stosowane na mniej obciążone elementy: np. zbiorniki oleju, paliwa, wody, kanały wentylacyjne, meble okrętowe, duża odporność na korozję,

- stopy aluminium - magnez - hydronale, odporne na korozję w środowisku morskim,

- stopy aluminium - magnez - krzem - anticorodale - dobre własności wytrzymałościowe dzięki ulepszaniu cieplnemu, odporne na korozje i nie wymagają platerowania, własności wytrzymałościowe tych stopów zmniejszają się w spoinie i strefie wpływu ciepła o 35-55% przy przemysłowych procesach spawania,

- stopy aluminium dominują w strukturze samolotu Airbus, np. w Airbus A380 około 61% podzespołów wykonano ze stopów aluminiowych, 22% z kompozytów, 10% z tytanu i stali oraz 3% z kompozytu Glare

- wysoka cena, 6-8 razy większa od ceny stali,

- trzykrotnie mniejsza wartość modułu Younga (współczynnik sprężystości wzdłużnej),

- niska temperatura topliwości,

- bardziej skomplikowana technologia wykonania konstrukcji okrętowych ze stopów aluminium niż ze stali,

- duże odkształcenia spawalnicze.

5. Wykres zależności twardości od temperatury starzenia:

6. Podsumowanie i wnioski:

Podsumowując wykonane ćwiczenie należy stwierdzić, że w miarę wzrostu temperatury starzenia twardość próbek stopu aluminium uległa zmniejszeniu. Dla większych temperatur jest to znaczna utrata twardości niż dla mniejszych np. dla temperatury 100^oC twardość średnia zmniejszyła się o ok. 15% a dla temperatury 200^oC o ok. 28%. Zgodnie z definicją starzenia w wyniku procesu nastąpiło zwiększenie wytrzymałości kosztem zmniejszenia plastyczności stopu. Również po utwardzeniu nastąpił spadek twardości, średnio o ok. 80%.

Aluminium jako metal nie ma szerszego zastosowania w przemyśle. Dlatego chcąc uzyskać z niego jakieś określone korzyści stosuje się stopy, które po odpowiedniej obróbce cieplnej zmieniają swoje własności mechaniczne a my możemy z nich korzystać w mniejszej czy większej skali.

---