Rok akademicki 96/97

Sprawozdanie z ćwiczeń

w

Laboratorium Materiałoznawstwa

Temat nr 10

Temat : Badanie mikroskopowe struktur stopów aluminium .

Obróbka cieplna stopów aluminium .

Wykonał :

MiBM Grupa II

Wstęp teoretyczny :

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze strukturami stopów aluminium oraz zapoznanie się z technologią obróbki cieplnej i jej wpływem na niektóre własności mechaniczne stopów.

Aluminium jest metalem barwy srebrnobiałej o ciężarze właściwym 2,647*104 N/m3 i temperaturze topnienia 660 stopni C. Ma ono bardzo dużą przewodność elektryczną. Aluminium jest jednym z najbardziej odpornych na korozje metali. Wytrzymałość na rozciąganie aluminium w stanie lanym :Rm=90-120; twardość Hb=240-320, granica plastyczności Re=30- 40 MPa.

Głównymi zanieczyszczeniami aluminium są: Fe, Si, Cu, Zn, i Ti. Aluminium rafinowane (o zawartości 99,995- 99,95% Al.), stosuje się je głównie do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz do elektronicznych. Aluminium hutnicze (o zawartości Al. 99,80 - 99,00%) , do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, do produkcji folii, do platerowania, do budowy aparatury chemicznej i produkcji stopów aluminiowych.

Stopy aluminium mają bardzo szerokie zastosowania (zaraz po stopach żelaza są najbardziej popularnymi stopami). Głównymi składnikami stopów aluminum są: miedź, krzem, magnes, cynk i mangan. Miedź znacznie zmniejsza skurcz odlewów. Magnez i mangan podwyższają własności wytrzymałościowe i zwiększają odporność na korozję, szczególnie na działanie wody morskiej. Nikiel i kobalt zwiększają własności polernicze. Tytan i chrom rozdrabniają ziarna. Wymienione składniki tworzą z aluminium twarde i kruche fazy międzymetaliczne

1. Odlewnicze stopy aluminium:

Nazwy tych stopów składają się z dwóch liter, przy czym pierwsza z nich jest to litera A(co oznacza stop aluminiowy), druga litera jest pierwszą nazwy głównego dodatku stopowego gdzie K- to krzem, G- magnez, M.- miedź...

1. stopy (Al. - Si)

Stopy aluminium z krzemem noszą nazwę siluminów. Pod względem zawartości aluminium siluminy dzielą się na : podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Podstawą tego podziału jest struktura stopów wynikająca z układu równowagi Al. - Si . utworzona eutektyka jest stosunkowo gruboziarnista, co ujemnie wpływa na własności mechaniczne stopów. Posiadają one małe własności wytrzymałościowe dlatego swego czasu były nie wykorzystywane w takim stopniu jak teraz. Dopiero 1921 A. Pacz odkrył, że przez wprowadzenie niewielkiej ilości sodu można uzyskać strukturę drobnoziarnistą. Dzięki temu uzyskujemy strukturę o znacznie lepszych własnościach mechanicznych. Strukturę ulepszoną możemy uzyskać dodając inne pierwiastki takie jak potas, wapń lub lit.

W procesie modyfikacji siluminów nadeutektycznych rolę modyfikatora spełnia fosfor. Siluminy odznaczają się małą plastycznością lecz doskonałą lejnością, małym skurczem odlewniczym i małą skłonnością do pękania na gorąco. Poza tym mają po modyfikacji stosunkowo dobre własności odlewnicze oraz dostateczną odporność na korozję. Stosowane są tylko w stanie lanym. Siluminy znalazły szerokie zastosowanie do produkcji części maszyn, części armatury okrętowej i silników okrętowych .

2. Stopy (Al.- Cu)

Stopy aluminium z miedzią są zawsze stopami podeutektycznymi to znaczy że zawierają poniżej 33% Cu. W praktyce stopy odlewnicze Al.-Cu zawierają do 16% Cu, a walcowane tylko do 5,5 % Cu.

3. Stopy (Al.-Mg)

Stopy te charakteryzują się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi przy dobrych własnościach plastycznych, wysoka odpornością na korozje, zwłaszcza na działanie wody morskiej. Stosowane są przy budowie okrętów, samolotów, aparaturę przemysłu chemicznego.

Stopy aluminium do przeróbki plastycznej

Wyrabia się z nich pręty , kształtowniki, rury, druty, blachy, taśmy, i odkuwki. Większość przeróbczych stopów aluminium jest wieloskładnikowa. Jednym z szerzej stosowanych stopów aluminium do przeróbki plastycznej są durale. Głównymi składnikami stopowymi durali są: Cu- w ilości 1,4%- 5%, Mg- w ilości (0,15-2,8%), Mn-(0,2-1,1%)

Produkowany jest także dural cynkowy, PA9. Dodatek chromu ma na celu podniesienia odporności na korozję. Stopy te mają największą wytrzymałość ze wszystkich stopów aluminium. Poddaje się je obróbce cieplnej polegającej na przesycaniu i starzeniu sztucznemu lub samorzutnemu.

Obróbka cieplna stopów aluminium.

Stopy aluminium zarówno w odlewach jak i po obróbce plastycznej wykazują stosunkowo niskie właściwości mechaniczne, chodzi tu o wytrzymałość przy jednoczesnych bardzo dobrych właściwościach plastycznych. Wysokie właściwości wytrzymałościowe stopy te uzyskują dopiero po odpowiedniej obróbce cieplnej. Podstawą obróbki cieplnej jest zmniejszający się zakres rozpuszczalności składników stopowych wraz z obniżenie temperatury.

Proces obróbki cieplnej prześledzimy na podstawie Al.- Cu. Miedź rozpuszcza się w aluminium w ilości mniejszej niż 0,5%, a max. Rozpuszczalność w temp. eutektycznej wynosi 5.7%. Przez odpowiednie nagrzanie dowolnego stopu zawierającego do 5,7% Cu, można otrzymać w nim strukturą jednofazową. Stosując szybkie chłodzenie można strukturę jednofazową zatrzymać aż do temperatury otoczenia. W ten sposób otrzymany roztwór stały zawierający miedź w ilości przekraczającej 0,5%, nazywamy przesyconym. Opisany zabieg cieplny, składający się z nagrzewania stopu do właściwej temperatury wygrzewania w niej przez okres wystarczający do przejścia do roztworu stałego nie rozpuszczonych w aluminium składników stopu i następnie oziębienie w celu doprowadzenia przesyconego roztworu stałego do temperatury otoczenia nazywamy przesycaniem.

Zespół zjawisk zachodzących w stopie w związku z przygotowywaniem do wydzielenia fazy przesycającej oraz sam proces wydzielenia fazy nazywamy starzeniem.

Wzrost wytrzymałości i twardości stopów podczas starzenia jest rezultatem małych rozmiarów tworzonych struktur oraz znacznych naprężeń w wyniku sprzężenia sieci fazy macierzystej i sieci wydzielenia. Odkształcenia sprężyste sieci hamują ruch dyslokacji , w związku z tym im większe są rozmiary wydzieleń i słabsze sprzężenie ich granic (im wyższa temp. starzenia), tym efekt umocnienia jest słabszy. W pewnych przypadkach stopy aluminium poddaje się także wyżarzaniu zmiękczającemu i rekrystalizującemu. Temperatura wyżarzania zmiękczającego wynosi 320-400 stopni C. Czas wyżarzania zależy od składu chemicznego i struktury stopu, wielkości przedmiotu, grubości ścianek oraz od procesów technologicznych poprzedzających wyżarzanie. Celem wyżarzania rekrystalizującego jest usunięcie skutków zgniotu obrabianego stopu. Po takim wyżarzaniu stopy odzyskują swe dobre własności plastyczne i mogą być poddane dalszej obróbce plastycznej.

Temperatura wyżarzania rekrystalizującego stopów aluminium wynosi 270-350 stopni C, i zależy głównie od składu chemicznego stopu i stopnia zgniotu.

Opisy rysunków:

Ad1) AK51 (AlSi5Cu1)

- właściwości mechaniczne Rm= 16, 20, 18; As=1%; HB=65, 70,zależy od sposobu odlewania

-kolor szary -eutektyka;

-stop niemodyfikowany , gruboziarnista struktura , gruba ziarna Si, na tle roztworu −α

-zastosowania: odlewy głowic cylindrów silników samochodowych, dla przemysłu maszynowego, części różnych aparatów

Ad2) AK9(AlSi9Mg) α+ eutektyka (Si+α)

-dobre własności odlewnicze, i spawalność, dobra obrabialność, dobra odporność -na korozję,

-po obróbce cieplnej dobre właściwości mechaniczne

-Hb=(50, 70, 70 ,70), Rm=(15, 20, 23, 24)

-zastosowania: odlewy o skomplikowanych kształtach, dużej wytrzymałości ...średnio obciążone

- silumin odlewniczy

-eutektyka szara, nie można odróżnić wydaleń Si

-

Ad3) AM10(AlCu10) α+eutektyka (α+θ)

-dobre własności odlewnicze

-szczelność, odporność na korozję, stop zdolny do pęknięć na gorąco,

-zdolność do porowatości

-dobre właściwości wytrzymałościowe, po obróbce plastycznej dobre właściwości obrabialne

Zastosowania: do odlewów o dużej lejności i plastyczności

Ad4) PA6(AlCu4MgSi)α+faza międzymetaliczna (CuAl2, Al3Mg2, MG2Si, Al2CuMg-Si)

-widoczne pasma są wynikiem stosowanej obróbki

-odporność na korozję

- rysy na powierzchni są wynikiem tego że dany materiał jest miękki

-Zastosowania: obciążone elementy konstrukcji lotniczych, elementy budowlane .

Wnioski:

Należy podkreślić że rozpuszczalność aluminium w krzemie jest bardzo mała można przyjąć że w uk, Al.-Si składnikiem strukturalnym jest czysty krzem . Krzem nie tworzy związków z glinem. Powyższe struktury uwidoczniają wytrącenia i odpowiednie eutektyki dla danych stopów.

Właśnie wtrącenia mają często duży wpływ na właściwości danego materiału. Często bywa że wtrącenia są trudne do wykrycia, nawet analiza rentgenowska nie daje jednoznacznych wyników.

Miedź znajdująca się w roztworze stałym na osnowie aluminium zmniejsza parametry sieci , ponieważ wielkość promienia jej atomów wynosi 1,78 natomiast glinu -1,43.

Wydzielenie się Cu z roztworu powinno spowodować zwiększenie parametrów, tymczasem proces starzenia i utwardzanie będące następstwem tego procesu nie zmieniają parametrów sieci . Dopiero po nagrzaniu powyżej 200C można zauważyć zwiększenie parametrów, co związane jest z wydzieleniem się drugiej fazy z roztworu stałego

Powyższe charakterystyki pokazują nam że Am10 z podwyższona zawartością miedzi niż podaje norma ma małą odporność na korozje , ale stop jest za to bardzo plastyczny co umożliwia zastosowanie jego do produkcji przedmiotów o skomplikowanych kształtach.

Natomiast PA6 ma dodatkowo większą ilość krzemu co zwiększa znacznie jego odporność na korozję.

---