Utwardzanie wydzieleniowe stopów aluminium.
1.Wiadomości wstępne
Obróbką cieplną stosowaną dla stopów aluminium jest utwardzanie wydzieleniowe składające się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Podstawę tej obróbki stanowi zmniejszający się zakres rozpuszczalności składników stopowych (miedzi) wraz z obniżeniem temperatury.
Przesycanie, pierwszy etap utwardzania wydzieleniowego, to zabieg cieplny, składający się z nagrzania stopu do właściwej temperatury, wygrzania w niej przez okres wystarczający do przejścia do roztworu stałego nierozpuszczonych w aluminium składników stopu i następnie szybkie oziębienie w celu doprowadzenia przesyconego roztworu stałego do temperatury otoczenia.
W takim przesyconym roztworze stałym zachodzą przemiany dążące do ustalenia się stanu równowagi, które w efekcie prowadzą do wydzielenia się związku Al2Cu i zatrzymania w roztworze jedynie 0,5% miedzi (rozpuszczalność miedzi w aluminium w temperaturze pokojowej). Zespół zjawisk zachodzących w związku z przygotowaniem do wydzielenia fazy przesyconej oraz sam proces nazywa się starzeniem.
W temperaturze otoczenia w sieci przesyconego roztworu o przypadkowym rozmieszczeniu atomów Al. i Cu, atomy drugiego składnika skupiają się w określonych miejscach sieci krystalicznej, tworząc lokalne segregacje zwane strefami Guiniera-Prestona (GPI).
Różnice promieni atomowych Al. i Cu powodują sprężyste odkształcenie i naprężenie sieci, co w efekcie prowadzi do umocnienia stopu.
W temperaturze powyżej 100ºC tworzą się wydzielenia GPII będące fazą θ”. Ze wzrostem temperatury 100-200ºC ulegają one rozrostowi, powodując również umocnienie stopu, nieco mniejsze niż GPI.
W temperaturze powyżej 200ºC tworzą się wydzielenia fazy θ'. Długotrwałe wygrzewanie w temperaturze powyżej 200ºC powoduje przemianę wydzieleń θ' w wydzielenie θ o strukturze niesprzężonej niesprzężonej z fazą α.
2.Przebieg ćwiczenia.
Przed przystąpieniem do wykonania pomiarów twardości metodą Brinella próbek użytych w ćwiczeniu ustala się średnicę kulki i obciążenie, po czym mierzy się twardość próbek PA6 po wyżarzaniu zmiękczającym.
Przeprowadza się przesycanie wszystkich pięciu próbek PA6 w tym celu umieszcza się je w piecu w temperaturze 500-510ºC, wygrzewa przez 30 minut, po czym zanurza w zbiorniku z zimna wodą, aż do całkowitego ochłodzenia. Po oczyszczeniu powierzchni płytki mierzy się jej twardość metoda Brinella.
Przeprowadza się starzenie próbek w następujący sposób: trzy z nich umieszcza się w temperaturze 175ºC i wygrzewa odpowiednio 5,15 i 30 minut, czwartą w temperaturze 50ºC i wygrzewa przez 30 minut, piątą wygrzewa się również przez 30 minut w temperaturze 250ºC. Następnie mierzy się twardość wszystkich starzonych próbek metoda Brinella.
Wyniki pomiarów umieszcza się w tabeli pomiarowej.
3.Wnioski.
W ćwiczeniu przeprowadzono wyżarzanie zmiękczające, przesycanie oraz starzenie pięciu próbek PA6. Po każdym etapie obróbki materiału przeprowadzono pomiary twardości próbek przy wykorzystaniu metody Brinella.
Wykreślono wykresy zależności twardości średniej HBśr od czasu starzenia przy stałej temperaturze wygrzewania T=175ºC (Wykres nr1),oraz zależności HBśr od temperatury starzenia przy stałym czasie wygrzewania t=30 minut (Wykres nr2).
Z otrzymanych pomiarów twardości można odczytać, że twardość próbki po wyżarzaniu zmiękczającym wynosząca 69,5HB rośnie podczas przesycania do wartości 93HB.
Wykres nr1 pokazuje, że wraz ze wzrostem czasu wygrzewania podczas starzenia stopu PA6 rośnie twardość próbek, co jest zgodne z oczekiwaniami w tym zakresie czasu (po przekroczeniu pewnego czasu twardość zmniejsza się).
Na Wykresie nr2 twardość próbek rośnie wraz ze wzrostem temperatury tylko do pewnej jej wartości potem wyraźnie zaczyna maleć. Mamy tutaj do czynienia ze zjawiskiem nawrotu, czyli zmniejszenia twardości próbki wraz ze zmiana struktur wewnętrznych stopu.