Jakub Koziołek Data: 02 grudnia 2013

Akademia Techniczno-Humanistyczna

W Bielsku-Białej

Wydział Budowy Maszyn i Informatyki

Automatyka i Robotyka

Grupa 3a, semestr 1

Obserwacje mikroskopowe stopów aluminium.

1. Cel ćwiczenia:

Przeprowadzenie obserwacji mikroskopowych wybranych stopów aluminium oraz określenie zależności pomiędzy ich strukturą i przewidywanymi właściwościami mechanicznymi.

2. Wstęp teoretyczny:

Podział stopów aluminium:

• do obróbki plastycznej:

- zawierają na ogół mniejsze ilości dodatków stopowych, głównie miedź, magnez i mangan, rzadziej krzem, cynk, nikiel, chrom, tytan;

- niektóre stopy aluminium można poddawać utwardzaniu wydzieleniowemu;

- najnowszy stop, dzięki któremu można spawać aluminium, to alumilut

• odlewnicze:

- zaliczamy do nich stopy przeważnie wieloskładnikowe o większej zawartości pierwiastków stopowych, np. z krzemem (silumin); z krzemem i magnezem, z krzemem, miedzią, magnezem i manganem, z krzemem, miedzią, niklem, magnezem i manganem i inne;

- cechują się one dobrą lejnością i małym skurczem

(Niektóre stopy mają właściwości i takie i takie.)

Podział stopów aluminium:

• ze względu na podatność do utwardzenia wydzieleniowego:

- nie utwardzane wydzieleniowo;

- utwardzane wydzieleniowo;

• ze względu na ilość pierwiastków stopowych:

- wieloskładnikowe;

- dwuskładnikowe;

• ze względu na rodzaj głównego dodatku stopowego:

Al-Si, Al-Cu, Al-Mg, Al-Zn, Al-Mn(Fe), Al-Li

Właściwości aluminium:

• duża plastyczność;

• parametr sieci a = 0,40408 nm;

• temperatura topnienia ok. 660 °C;

• temperatura wrzenia 2060 °C;

• mała gęstość 2,7 g/cm3 (3 razy mniejsza niż żelaza) kwalifikuje ten metal do grupy metali lekkich;

• dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne;

• wysoka energia błędu ułożenia 200 - 250 mJ/m2;

• odporność na działanie wody, H2CO3, H2S, wielu kwasów organicznych, związków azotowych;

• brak odporności na działanie wodorotlenków (np. NaOH, KOH), kwasów beztlenowych (HF, HCl), wody morskiej i jonów rtęci;

• niska wytrzymałość Rm = 70 – 120 MPa, Re = 20 - 40 MPa, wydłużenie A10 = 30 - 45, przewężenie Z = 80 - 95 %;

• twardość 15 - 30 HB

Najczęściej spotyka się stopy aluminium z krzemem, zwane siluminami, ponieważ właściwości wytrzymałościowe czystego aluminium są stosunkowo niskie.

Właściwości mechaniczne siluminów:

• odporność na korozję;

• dobra lejność;

• mały skurcz;

• mała skłonność do pękania;

Struktura i modyfikacja siluminów:

• siluminy podeutektyczne i eutektyczne modyfikuje się sodem, dodawanym w postaci mieszaniny NaF, NaCl i KCl. Dodatek Na obniża temp. przemiany eutektycznej oraz powoduje przesunięcie punktu eutektycznego do większego stężenia (w prawo) - do ok. 13% Si. Strukturę takiego stopu stanowi drobnoziarnista eutektyka (α + β) z wydzieleniami drobnymi fazy − α.

• siluminy nadeutektyczne, (duże wydzielenia β {Si}), modyfikuje się fosforem, który tworzy dyspersyjne cząstki AlP - stające się heterogenicznymi zarodkami krystalizacji cząstek fazy β {Si} - w wyniku czego otrzymuje się w temp. otocznia drobnokrystaliczną eutektykę (α +β) oraz drobne wydzielenia cząstek fazy − β {Si} o dużej dyspersji.

EFEKTEM MODYFIKACJI SILUMINÓW JEST WZROST ICH WŁASNOŚCI MECHANICZNYCH

Durale:

• zawierają głównie aluminium oraz dodatki stopowe: miedź, mangan, magnez, krzem, żelazo i inne w łącznej ilości ok. 6% ;

• przeznaczone do przeróbki plastycznej;

• gęstość ok. 3 g/cm³;

• wysoka wytrzymałość mechaniczna - ponad 400 MPa;

• najlepsze własności wytrzymałościowe uzyskuje po starzeniu naturalnym;

• niewielka odporność korozyjna;

Zastosowanie durali:

• w lotnictwie do części konstrukcyjnych;

• niegdyś także do ram naziemnych pojazdów sportowych, itp.;

3. Przyrządy wykorzystywane w ćwiczeniu:

• Mikroskop metalograficzny;

• Cztery próbki przygotowane do badania;

4. Opis przebiegu ćwiczenia:

Do zbadania miały posłużyć cztery próbki które były już wcześniej przygotowane do badania. Były to trzy próbki oznakowane: 6.0, 6.1, 6.2 i jedna próbka nieoznakowana. Na początku ćwiczenia należało się zapoznać z działaniem mikroskopu. W tym celu podłączono go do zasilania i ustawiono stosowne zasilanie. Metodą prób i błędów należało jakąś próbkę obserwować w celu regulacji mikroskopu. Jako próbka posłużyła moneta.

Następnie zapoznano się z czterema próbkami podlegającymi obserwacji oraz podjęto próbę zrozumienia układu równowagi Aluminium-Krzem w celu analizy próbek. Zapoznano się również ze specyfikacją trzech próbek oznaczonych a następnie analizowano wszystkie cztery próbki.

5. Wyniki i analiza:

Próbka 6.0:

mikrofotografia

Materiał: Silumin nie modyfikowany, cecha AK9

Stan: odlew

Skład chemiczny: Si 9,2%, Mg 0,22%, Mn 0,42%, Fe 0,52%, Al-reszta.

Opis struktury: Duże jasne kryształy roztworu stałego granicznego krzemu w aluminium na tle gruboziarnistej eutektyki złożonej z kryształów roztworu stałego i kryształów krzemu.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 7,5ml kwasu fluorowodorowego, 25ml kwasu solnego, 8ml kwasu azotowego HNO3 oraz 1000ml wody destylowanej.

Próbka 6.1:

mikrofotografia

Materiał: Silumin modyfikowany, cecha AK9,

Stan: odlew.

Skład chemiczny: Si 9,2%, Mg 0,22%, Mn 0,42%, Fe 0,52%, Al-reszta.

Opis struktury: kryształy roztwory stałego granicznego krzemu w aluminium na tle drobnej szarej eutektyki składającej się z kryształów roztworu stałego i kryształów krzemu. Zwiększona wytrzymałość do ok. 250 MPa. Bez zmiany struktury otrzymano próbkę o większej plastyczności i wytrzymałości.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 7,5ml kwasu fluorowodorowego, 25ml kwasu solnego, 8ml kwasu azotowego, 1000 ml wody destylowanej.

Próbka 6.2:

mikrofotografia

Materiał: Wieloskładnikowy stop aluminium (dural)

Stan: Po przeróbce plastycznej i wyżarzaniu.

Skład chemiczny: Cu 1,1%, Mg 1,7%, Si 1%, Ni 1,3%, Fe 1,3%, Al-reszta.

Opis struktury: Ciemne wydzielenia związków Al2Cu, Al3Mg2, Al2CnMg, Al5Cu, Mg5Cu na jasnym tle roztworu stałego bogatego w aluminium. Całkiem inna struktura od reszty siluminów. Drobno dyspersyjna faza.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 0,5 g fluorku sodu, 2 ml kwasu solnego HCL (1,19), 1 ml kwasu azotowego HNO3 (1,42), 93 ml wody destylowanej.

Próbka nieoznakowana:

mikrofotografia

Materiał: Silumin modyfikowany, cecha AK9

Stan: odlew

Opis struktury: Dwie lub trzy fazy β_p(α+β)e. Gruboziarnista eutektyka złożona z kryształów roztworu stałego i kryształów krzemu na tle roztworu stałego granicznego krzemu w aluminium. Obniżone właściwości mechaniczne, lepsza odporność na temperaturę.

Trawiono odczynnikiem o składzie: 7,5ml kwasu fluorowodorowego, 25ml kwasu solnego, 8ml kwasu azotowego, 1000 ml wody destylowanej.

6. Wnioski:

• Na podstawie badań mikroskopowych można określić strukturę i skład badanej próbki;

• Najlepszy skład stopów aluminium to skład około eutektyczny;

• Na podstawie próbek określiliśmy efekt modyfikowania;

• Struktury nie zmodyfikowanych siluminów (pomimo różnej zawartości krzemu w stopie) można zaliczyć do drobnoziarnistych;

• Po poddaniu siluminu modyfikacji, struktura jest jeszcze bardziej rozdrobniona, czyli nastąpiła poprawa własności mechanicznych stopu;

• Duraluminium ma całkowicie inną strukturę od siluminów (pomimo duże zawartości aluminium);

• Grube ziarna roztworu stałego i kryształów krzemu obniżają własności mechaniczne stopu;