POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ OCEANOTECHNIKI I OKRĘTOWNICTWA Katedra Materiałoznawstwa Okrętowego i Oceanotechnicznego
Laboratorium z metaloznawstwa okrętowego
Ćwiczenie nr 12		Imię i Nazwisko Kamila - Weronika CHOJNACKA
Studia	inżynierskie		Grupa lab. Zarządzanie IA	Data 22. 12. 99 r.
Temat ćwiczenia Badania stopów aluminium stosowanych w budownictwie okrętowym
Ocena ....................

Cel ćwiczenia. Metodyka. Własne wnioski.

1. Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia było zapoznanie się ze składem chemicznym, właściwościami mechanicznymi, obróbką cieplną i strukturami stopów aluminium stosowanych w budownictwie okrętowym. Poznanie układów Al.-Mg, Al.-Si.

1. Metodyka.

Opis mikroskopu:

Ćwiczenie zostało wykonane na mikroskopie świetlnym. Był to mikroskop metalograficzny

z pionową osią optyczną, pracujący w świetle odbitym od powierzchni zgładu.

Opis próbek:

Próbki wycięte z badanej części. Jedna część próbki została wyszlifowana na papierach ściernych a następnie wypolerowana. Po uzyskaniu zgładu wolnego od rys próbka została zmyta wodą i alkoholem a następnie trawiona kwasem fluorowodorowym (HF), co spowodowało ujawnienie się granicy ziaren.

Obserwacja próbek pod mikroskopem odbyła się w powiększeniu:

• 500x - dla narysowania mikrostruktur

• 100x - dla określenia struktur

Pow. : 500 x Trawienie: HF

Nr 1.

Opis zgładu:

silumin niemodyfikowany

odlewany w piasku

widoczne są kryształy Si -ciemne wieloboki

na tle gruboziarnistej eutektyki ( α + Si )

Pow. : 500 x Trawienie: HF

Nr 2.

Opis zgładu:

Stop AlMg5

wyżarzony w temp. 200°C w czasie 20 h

na granicach ziaren widoczne skupiska fazy β

nie odporny na korozję

Pow. : 500 x Trawienie: HF

Nr 3.

Opis zgładu:

Silumin modyfikowany

odlewany w kokili

widoczne są pierwotne (dendrytyczne)

kryształy α - jasne na tle drobnoziarnistej eutek-

tyki (α+Si) -ciemne pola

Pow. : 500 x Trawienie: HF

Nr 4.

Opis zgładu:

Stop AlMg5

wyżarzony w temp. 320°C w czasie 3 h

widoczne są granice ziaren

faza β równomiernie rozłożona bez wyraźnych

skupisk na granicach ziaren

odporny na korozję

4. Podział stopów aluminium

a) plastycznie przerabialne stopy aluminium

Plastycznie przerabialne stopy aluminium, stosowane w budownictwie okrętowym, to stopy układów:

• Al.-Mg, zwane hydronaliami,

• Al.-Si-Mg, zwane anticorodalami,

• Al.-Zn-Mg, zwane konstruktalami.

Stopy układu Al.-Mg należą do grupy najczęściej stosowanych stopów w budownictwie okrętowym. Wszystkie stosowane w technice stopy Al.-Mg mają strukturę podeutektyczną (\<35,5 % Mg). W temperaturze eutektycznej (451,5°C) w aluminium rozpuszcza się 17,4% Mg, podczas gdy przy obniżaniu temperatury do 20°C rozpuszczalność Mg wynosi około 1,9 %, w związku z czym nadmiar magnezu wydziela się w postaci fazy β (Al₃Mg₂), obok krystalizacji pierwotnej, krystalizuje się również wtórnie wzdłuż krzywej granicznej rozpuszczalności, w postaci wydzieleń z przesyconego roztworu stałego α.

t [°C]

650 Al₃ Mg₂

L

550

α+L

450

17,4 35,5

α α + β β

350

250

150

10 20 30 40 [%]

Mg (ciężarowo)

Układ aluminium - magnez dla stopów o strukturze podeutektycznej

b) odlewnicze stopy aluminium

Stopy aluminium - krzem (siluminy) o zawartości 11,7 % Si krzepną jako stopy eutektyczne, przy czym uzyskana eutektyka składa się z grubych o ostrych konturach kryształków krzemu (faza β) na tle kryształków roztworu stałego α. Roztwór krzemu w aluminium w temperaturze eutektycznej (577°C) zawiera 1,65 % Si. Z obniżeniem temperatury zawartość krzemu w aluminium zmniejsza się i w temperaturze 300°C wynosi 0,05 % a w temperaturze 20°C jego zawartość (jest bardzo mała) - wynosi ok. 0%.

Przez dodanie do stopu Al. - Si małej ilości metalicznego sodu w ilości 0,1 - 0,2 % masy stopu lub fluorku w stosunku 0,6 - 2,0 %, skład eutektyki ulega przesunięciu do 13 % Si, a jej temperatura topnienia obniża się do 564°C (linia przerywana na rysunku opisującym wpływ modyfikacji stopów na układ aluminium-krzem). W ten sposób uzyskuje się budowę drobnoziarnistą, przy czym kontury kształtów ulegają zaokrągleniu, przez co zwiększa się wytrzymałość i plastyczność stopu. Proces ten nosi nazwę modyfikacji.

T[°C]

700

A S

650

S'

600 B E C

579 °C

550 B' C' 564 °C

500 D 11,7 13

0 5 10 15 20 [%]

Wpływ modyfikacji stopów na układ aluminium - krzem

E - eutektyka: jednorodna mieszanina fazy α i kryształów krzemu

E' - eutektyka „modyfikowana”

5. Skład chemiczny.

1. plastycznie przerabialne stopy aluminium

Kate- Gatunek Przedział Skład chemiczny poza aluminium [%]

goria wg PN zawartości

stopu składników Mg Mn Ti Zr Cr Si Fe Cu Zn

1 AlMg2 min 1,7 0 0,02 - 0 0 0 0 0

max 2,6 0,6 0,2 - 0,2 0,4 0,4 0,1 0,2

2 AlMg3 min 2,7 0 0,02 - 0 0 0 0 0

max 3,6 0,6 0,2 - 0,25 0,4 0,4 0,1 0,2

3 AlMg4,5Mn min 4,0 0,4 0,02 - 0,05 0 0 0 0

max 4,9 1,0 0,2 - 0,25 0,4 0,4 0,1 0,2

4 AlMg5 min 4,3 0,2 0,02 - - 0 0 0 0

max 5,8 0,6 0,2 - - 0,4 0,4 0,1 0,2

5 AlMg6 min 5,5 0,5 Ti+Zr/<0,2 0 0 0 0 0

max 6,6 1,0 0,4 0,4 0,4 0,1 0,2

6 AlSi1Mg1Mn min 0,4 0,2 Ti+Zr/<0,2 0 0,6 0 0 0

max 1,4 1,0 0,35 1,6 0,5 0,1 0,2

7 AlZn5Mg1 min 1,15 0 0,01 0,1 0 0 0 0 4,3

max 1,4 0,1 0,13 0,2 0,35 0,35 0,4 0,1 5,0

2. odlewnicze stopy aluminium

Skład chemiczny

Kategoria Gatunek składniki zanieczyszczenia

stopu wg PN stopowe (max zawartość)

[%] [%]

Mg 4-6 Cu 0,05

1 AG51 Si 0,8-1,3 Fe 0,5

Mn 0,1-0,4 Zn 0,2

Al. reszta

Mg 9-11 Cu 0,05

2 AG10 Ti \< 0,07 Fe 0,3

Al. reszta Zn 0,1

Si 8,5-10,5

Mg 0,2-0,4 Cu 0,05

3 AK9 Mn 0,25-0,5 Fe 0,6

Ti \< 0,15 Zn 0,3

Al. reszta

Si 10-13 Cu 0,05

4 AK11 Al. reszta Fe 0,8

Zn 0,3

Magnez dodawany do stopu w ilości 1- 9 % wyraźnie wpływa na polepszenie właściwości wytrzymałościowych i twardości. Zwiększa odporność na korozję, zwłaszcza na działanie wody morskiej, lecz tylko przy zawartości tworzącej roztwór stały z aluminium. Przy większej zawartości magnezu właściwości antykorozyjne pogarszają się. Nadmiar magnezu sprzyja wydzielaniu się na granicach ziaren fazy międzymetalicznej β, co powoduje powstanie bardzo niebezpiecznej korozji międzymetalicznej.

Mangan polepsza właściwości mechaniczne. Powoduje wzrost odporności na korozję i w znacznym stopniu zmniejsza rozrost ziaren przy rekrystalizacji. Zwiększenie odporności na korozję następuje na skutek powstawania na powierzchni stopu odpornego na korozję tlenku aluminium, połączonego z tlenkiem manganu, powodującego pasywację stopu.

W stopach Al.-Zn-Mg stwierdzono niekorzystny wpływ Mn, który tworzy fazę międzymetaliczną o różniącym się potencjale elektrodowym w stosunku do roztworu aluminium, sprzyjając tworzeniu się korozji warstwowej w wodzie słonej.

Krzem w stopach nie obrobionych cieplnie nieznacznie wpływa na zwiększenie właściwości wytrzymałościowych i powoduje duży wzrost właściwości plastycznych. Krzem w połączeniu z magnezem powoduje możliwość poddawania stopu obróbce cieplnej, polegającej na przesycaniu i starzeniu, wskutek czego uzyskuje się wzrost właściwości wytrzymałościowych i twardości.

Cynk w stopie w obecności magnezu polepsza wyraźnie właściwości wytrzymałościowe, co

można stwierdzić w stopach Al.-Zn-Mg obrobionych cieplnie.

Chrom tworzy z aluminium fazę międzymetaliczną Al₇Cr­­. Dodawany w ilości do 0,5 % powoduje powstawanie struktury drobnoziarnistej i wstrzymanie wzrostu ziaren w czasie obróbki cieplnej, wskutek czego wzrasta wytrzymałość i twardość stopu. Pogarsza nieznacznie własności plastyczne. Zwiększa odporność na korozję naprężeniową i zmęczeniową.

Tytan jest silnym modyfikatorem (zmniejsz skłonność do rozrostu ziaren). Stosuje się go w ilościach do 0,2 %. Jego zawartość powyżej 0,2 % jest niepożądana ze względu na powstawanie kruchej fazy Al₃Ti. Tytan zwiększa zarówno wytrzymałość statyczną jak i zmęczeniową oraz wytrzymałość połączeń spawanych. Oprócz tego powoduje odporność na korozję naprężeniową.

Cyrkon również powoduje drobnoziarnistość struktury i zwiększa właściwości wytrzymałościowe i odporność na korozję naprężeniową, zmniejszając skłonność do pęknięć spawalniczych.

Wanad tworzy z aluminium fazę Al₇V. Dodawany jest w ilościach do 0,2 %. Powoduje wzrost wytrzymałości przy nieznacznym zmniejszeniu plastyczności. Zwiększa odporność na korozję naprężeniową.

Żelazo ze względu na łączenie się z aluminium w kruche fazy (np. Al₃Fe) traktuje się przeważnie jako zanieczyszczenie. Żelazo bardzo zmniejsza odporność na korozję, zwłaszcza jeśli w stopie występuje również krzem.

Miedź bardzo zmniejsza odporność na korozję stopu aluminium, głównie z tego powodu, że powstająca faza międzymetaliczna, odpowiadająca wzorowi Al₂Cu, ułatwia powstawanie lokalnych ogniw elektrochemicznych. Dlatego miedź w stopach aluminium stosowanych na konstrukcje okrętowe narażone na działanie wody morskiej traktowana jest jako zanieczyszczenie i zawartość jej nie powinna przekraczać 0,1 %.

6. Własności mechaniczne.

1. plastycznie przerabialne stopy aluminium

Kate- Gatunek Rodzaj Stan Właściwości mechaniczne

goria wg PN wyrobu Rm R_0,2­ A₅

[MPa] [MPa] [%] min

pg 170-210 - 10

1 AlMg2 blachy r 150-190 60 20

z4 190-240 150 5

pg 190-240 - 14

2 AlMg3 blachy r 190-230 80 17

z4 240-280 190 5

z4r 240-280 160 10

pg min.270 min.120 16

3 AlMg4,5Mn pgs min.270 min.160 12

blachy r 270-350 min.120 17

z2s 300-370 min.220 10

z4s 340-410 min.270 5

blachy pp min.250 min.120 13

4 AlMg5 kształ. r min.240 min.120 15

pręty z4 min.260 min.150 12

5 AlMg6 blachy bez min.320 min.160 15

kształ. O.c.

6 AlSi1Mg1Mn blachy tb min.310 min.250 10

7 AlZn5Mg1 blachy tb min.350 min.270 10

kształ. td

Oznaczenia: pg walcowany na gorąco

r rekrystalizowany

pgs walcowany na gorąco, stabilizowany

z2s ćwierć twardy, stabilizowany

z4s półtwardy, stabilizowany

z4 półtwardy

td sztucznie starzony

tb sztucznie umocniony (utwardzony wydzieleniowo)

[ MPa

x 10 ]

40

Rm Rm

36

R_0,2

31 A₁₀ 0,6

A₁₀

[%] 28 R_0,2

Rm

24 R_0,2/Rm

20 0,4

R_0,2

16

12

0,2

8

4

0

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 [%]

Właściwości mechaniczne stopów układu Al.-Mg w zależności od zawartości magnezu.

b) odlewnicze stopy aluminium

Właściwości mechaniczne

Kategoria Gatunek Stan R_0,2 R_m A₅ HB

stopu wg PN dostawy [Mpa] [MPa] [%] wartości

min min min orient.

1 AG51 surowy 90 150 2 55

2 AG10 obrobiony 170 280 8 70

cieplnie

3 AK9 surowy 90 170 2 55

obrobiony 180 230 1,5 70

cieplnie

4 AK11 surowy 80 160 2 50

obrobiony - 180 6 50

cieplnie

7. Odporność na korozję.

1. plastycznie przerabialne stopy aluminium

W stopach układu Al.-Mg zasadniczy wpływ na odporność na korozję mają składniki stopu:

aluminium i magnez, które tworzą fazy α i β oraz sposoby wytwarzania, przetwarzania a zwłaszcza wyżarzania.

W stopach układu Al.-Si-Mg zasadniczy wpływ na odporność na korozję mają składniki stopu: aluminium, krzem i magnez tworzące fazy α, Si i Mg₂Si, oraz zastosowana obróbka cieplna.

W stopach układu Al.-Zn-Mg zasadniczy wpływ na odporność na korozję mają następujące składniki stopu: aluminium, cynk i magnez tworzące fazy: α, η(MgZn₂) i T(Al₂Mg₃Zn₃), oraz zastosowana obróbka cieplna.

Faza α (roztwór graniczny magnezu w aluminium) posiada potencjał elektrodowy wynoszący w stosunku do elektrody kalomelowej ok. -860 mV, a faza β posiada potencjał elektrodowy wynoszący ok. -1360 mV.

Różnica potencjałów elektrodowych między fazami α i β wynosi ok. 500 mV.

Korozja fazy β następuje przy kontakcie z czynnikiem korodującym (np. wodą morską lub odczynnikiem trawiącym).

Technologia wytwarzania plastycznie przerabialnych stopów Al.-Mg powinna zapewniać równomierny rozkład fazy β w ziarnach α bez skupisk na granicach ziaren. Wówczas stop będzie charakteryzował się dobrą odpornością na korozję., zwłaszcza międzykrystaliczną.

2. odlewnicze stopy aluminium

• odlewnicze stopy aluminium-magnez są stopami podeutektycznymi o strukturze roztworu stałegoα oraz wydzieleń fazy β (Al₃Mg₂). Stopy te są odporne na działanie wody morskiej, zwłaszcza stopy lMg5Si1 odznaczają się bardzo dobrą odpornością na korozję.

• stopy aluminium -krzem mogą być podeutektyczne, eutektyczne i nadeutektyczne. Eutektyka tych stopów składa się z roztworu stałego krzemu w aluminium - faza α oraz kryształków Si. Stopy z zakresu zbliżonego do eutektycznego ma ją dość dobrą odporność na korozję.

8. Spawalność.

Próby spawalności przeprowadza się, aby określić skłonność do pęknięć na gorąco w procesie spawania. Skłonność do pęknięć spawalniczych zależy m.in. od kombinacji materiał rodzimy -materiał dodatkowy.

1. plastycznie przerabiane stopy aluminium

• Stopy Alg skłonność do gorących pęknięć spawalniczych zmniejsza się ze zwiększeniem zawartości Mg > 2 %. Oprócz tego korzystnie wpływa cyrkon, tytan, chrom i beryl.

• Stopy Al.-Zn-Mg skłonność do pęknięć spawalniczych zmniejsza się przy wzroście zawartości cyrkonu, tytanu i berylu. Wzrost zawartości cynku w spoinie zwiększa skłonność do pęknięć spawalniczych.

• Stopy Al.-Si-Mg skłonność do gorących pęknięć spawalniczych można zmniejszyć przez zastosowanie spoiwa AlSi5 (SPA26). Skłonność do pęknięć spawalniczych stopu AllMg1SiMn należy do najmniejszych dla stopów Al.-Si-Mg. Generalnie stopy Al.-Si-Mg mają dużą skłonność do pęknięć spawalniczych

w porównaniu ze stopami Al.-Mg

• Stopy Al.-Zn-Mg należą do stopów o największej skłonności do pęknięć spawalniczych.

9. Zastosowanie.

Stopy aluminium znajdują zastosowanie w okrętownictwie przy produkcji blach, kształtowników oraz prętów. Stosuje się je też do produkcji statków i okrętów szybkich.

10. Zalety i wady.

1. zalety

• niski ciężar

• dobre właściwości wytrzymałościowe

• odporny na korozję

• odporny na stężony kwas azotowy

• pod wpływem warunków atmosferycznych pokrywa się cienką warstewką tlenku, chroniąc przed dalszym utlenianiem

• daje się dobrze kuć, walcować

2. wady

• gorsze własności odlewnicze

• duży skurcz

• zdolność rozpuszczania gazów

8. Wnioski

• rozkład fazy β w ziarnach α dla plastycznie przerabialnych stopów Al.-Mg zależy od technologii wytwarzania

• równomierny rozkład fazy β w ziarnach α bez skupisk na granicach ziaren charakteryzuje stop o dobrej odporności na korozję i dobrych właściwościach mechanicznych

• ze wzrostem zawartości magnezu wzrasta ilościowa zawartość fazy β i tym samym wzrastają właściwości wytrzymałościowe stopów Al.-Mg ( intensywnie wzrasta granica plastyczności do zawartości węgla ok.5 %, a wytrzymałość na rozciąganie do 9 %.)

• odlewnicze stopy aluminium - magnez odznaczają się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi przy zadowalających właściwościach plastycznych.

• właściwości tych stopów można kształtować przez o.c.

Stopy aluminium ze względu na niski ciężar, dobre właściwości wytrzymałościowe oraz odporność na korozję i starzenie pod wpływem warunków atmosferycznych bardzo dobrze nadają się do produkcji kadłubów statków i okrętów szybkich.

11

4

---