1. Cel ćwiczenia:

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

2. Wstęp:

Stopy aluminium można podzielić na:

• plastycznie przerabialne,

• odlewnicze.

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

1. Al-Mg , zwane hydronaliami,

2. Al-Si-Mg , zwane anticorodaliami,

3. 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).

Al3Mg

Rys.1 - Układ aluminium-magnez

dla stopów o strukturze

podeutektycznej.

Odlewnicze stopy aluminium to głównie stopy z krzemem, a także miedzią i magnezem (oprócz wymienionych składników może być również nikiel, tytan, mangan, żelazo, cynk i cyna.)

1. 
   Stopy z krzemem nazwano ogólnie siluminami. Stopy Al-Si o zawartości 11,7 Si krzepną jako stopy eutektyczne, przy czym uzyskana eutektyka składa się z grubych o ostrych konturach kryształów krzemu (faza β) na tle kryształków roztworu stałego α. Roztwór krzemu w aluminium w temperaturze eutektycznej (557°C) zawiera 1,65% Si. Z obniżeniem temperatury zawartość krzemu zmniejsza się i w temperaturze 300°C wynosi 0,05% a w temperaturze 20°C jego zawartość jest bardzo mała i można przyjąć ją jako 0%.

modyfikacji przeprowadza się przez dodatek metalicznego sodu (0,1÷0,2% masy stopu) lub fluorku sodu (0,6÷2,0%). Modyfikacja sodem charakteryzuje się jednak krótkim okresem (20÷40 min) oddziaływania modyfikatora podczas przetrzymywania stopu w stanie ciekłym, co w konsekwencji rzutuje na dużą rozbieżność we właściwościach mechanicznych odlewów. Ostatnio do modyfikacji używa się strontu (0,03÷0,01%), dzięki czemu stopy eutektyczne i podeutektyczne nie zmieniają swej struktury, ani nie tracą właściwości zarówno podczas przedłużającego się procesu odlewania stopu, jak i po wielokrotnych przetopach.

2. Stopy aluminium-miedź (tzw. durale) odznaczają się dobrą lejnością, ale jednocześnie stosunkowo niską wytrzymałością na rozciąganie. Stopy te można obrabiać cieplnie, przy czym własności wytrzymałościowe wzrastają przy zmniejszaniu plastyczności. Stopy aluminium z miedzią są zawsze stopami podeutyktycznymi, składającymi się z kryształów roztworu stałego granicznego ω na tle eutektyki (ω+ν) rozmieszczonej na granicach ziarn roztworu ω. do stopów Al-Cu wprowadza się również dodatki Si, Mg, Ti, Fe, których zadaniem jest podwyższenie zarówno własności wytrzymałościowych jak i plastycznych w stosunku do stopów dwuskładnikowych. Ze względu na korozję stopy te nie nadają się do stosowania w okrętownictwie.

3. Stopy aluminium-magnez odznaczają się dobrymi własnościami wytrzymałościowymi przy zadawalających własnościach plastycznych. Są to stopy również podeutektyczne o strukturze roztworu stałego granicznego αoraz wydzieleń fazy Al₃Mg₂ (β). Własności tych stopów można kształtować obróbką cieplną. Są bardzo odporne na działanie wody morskiej. dodatek do stopów Al-Mg krzemu i manganu poprawia własności odlewnicze tych stopów. Podstawowymi dodatkami stopowymi występującymi w stopach aluminium są: Cu, Mg, Mn, Si, Zn, w mniejszym stopniu stosuje się dodatki Ni, Cr, Fe, Ti.

3. Metodyka:

Opis mikroskopu: Ćwiczenie zostało wykonane przy użyciu mikroskopu świetlnego. Był to mikroskop metalograficzny z pionową osią optyczną, pracujący w świetle odbitym od powierzchni zgładu.

Opis próbek: Po wycięciu z badanej części jedna powierzchnia każdej próbki została wyszlifowana papierem ściernym i wypolerowana. Po uzyskaniu zgładu wolnego od rys powierzchnię umyto wodą i alkoholem, a następnie całość wytrawiono kwasem fluorowodorowym (HF), w celu ujawnienia granicy ziaren.

4. Zastosowanie stopów aluminium w okrętownictwie; zalety i wady:

Do budowy kadłubów okrętowych stosowane są plastycznie przerabialne stopy aluminium (głównie Al-Mg), które mogą być przerabiane plastycznie na gorąca i na zimno na: blachy, taśmy, kształtowniki, pręty, rury, druty i odkuwki.

Zastosowanie stopów aluminium do budowy kadłubów okrętowych statków i okrętów wzrasta z wielu powodów, z których podstawowym jest zmniejszenie masy konstrukcji okrętowych w porównaniu z masą konstrukcji ze stali. Można osiągnąć znaczne zmniejszenie masy o około 50÷60%, co pozwala na zmniejszenie wyporności okrętu lub statku, albo przy zachowaniu wyporności na zwiększenie nośności lub prędkości oraz polepszenie stateczności.

Jeszcze większe znaczenie mają stopy aluminium w odniesieniu do budowy jednostek niewypornościowych typu: ślizgowego, wodolotów, poduszkowców i innych. Poza znacznym zmniejszeniem masy kadłuba, przy założeniu tych samych: mas wyposażenia, nośności oraz mocy napędu głównego można uzyskać mniejszą wyporność a zatem zwiększyć prędkość. Wzrost prędkości powoduje zwiększenie siły wyporu dynamicznego a w związku z tym mniejszą siłę ciężkości. Jak z tego wynika, zrównoważenie tych sił, a więc pływanie niewypornościowe osiąga się łatwiej przy zastosowaniu stopów aluminium, zamiast stali.

Stopy aluminium charakteryzują się bardzo małym współczynnikiem przenikalności magnetycznej (μ ≈ 0,00002). Oprócz tego niektóre z nich maja większą odporność na korozję w wodzie i atmosferze morskiej w porównaniu ze stalami kadłubowymi oraz dobrą spawalność w atmosferze gazów obojętnych.

Uzyskane przez ulepszanie cieplne dobre własności wytrzymałościowe wszystkich stopów cieplnie obrabialnych zmniejszają się w spoinie i w strefie wpływu ciepła (SWC) o 35÷55% przy stosowanych w skali przemysłowej procesach spawania. Wyjątek stanowią cieplnie ulepszone stopy układu Al-Zn-Mg (zwane konstruktalami), których spoina i SWC ulepsza się w sposób naturalny (samorzutny) po pewnym czasie od momentu spawania.

Stopy Al-Mg w porównaniu z innymi stopami aluminium mają dużą skłonność do umocnienia odkształceniowego. Największy efekt umocnienia stopów uzyskuje się przy zgniocie do 20%, w zakresie 20÷35% intensywność umocnienia materiału zmniejsza się, a przy zgniocie powyżej 39% umocnienie jest już tylko nieznaczne (na przykładzie stopów AlMg3 i AlMg5).

Stopy Al-Mg wykazują dobre udarowe właściwości mechaniczne, jednak charakteryzują się mniejszym wzrostem granicy plastyczności przy zwiększaniu prędkości odkształcania niż stale kadłubowe ZW.

Stopy aluminium mają znacznie większą przewodność cieplną od stali, co sprzyja zmniejszaniu powierzchni zniszczenia podczas pożaru, wskutek dużego odprowadzania ciepła. W odróżnieniu od stali nie wytwarzają przy uderzeniu iskier (ważne ze względu na bezpieczeństwo np. na zbiornikowcach).

Do wad stopów aluminium jest ich wysoka cena w porównaniu ze stalami (6÷8 razy wyższa, jednak przy zmniejszeniu o połowę masy kadłuba cena ta jest wyższa 3÷4-krotnie), bardziej skomplikowana technologia wytwarzania konstrukcji w budownictwie okrętowym aniżeli stali, trzykrotnie mniejsza wartość współczynnika sprężystości wzdłużnej, niska temperatura topliwości oraz duże odkształcenia spawalnicze.

5. Wnioski:

• stopy aluminium cechuje się nietypową gruboziarnistą eutektyką (zwykle eutektyka jest drobnoziarnistą). Drobne ziarna charakteryzują się lepszymi właściwościami mechanicznymi. Dlatego w odlewniczych stopach aluminium stosuje się modyfikację sodem, fluorkiem sodu lub strontem.

• modyfikacja (na przykładzie siluminów) oprócz zmiany budowy eutektyki powoduje przesunięcie punktu eutektycznego w prawo (z 11,17 na !3,15% Si), obniżenie temperatury topnienia (z 577°C na 564°C, co jest ważne w przypadku stopów odlewniczych) oraz wzrost wytrzymałości na rozciąganie odlewów, ich wydłużenia i udarności.

• 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 ziarn charakteryzuje stop o dobrej odporności na korozję i o dobrych właściwościach mechanicznych,

• wydzielenia wewnątrz ziaren są wydzieleniami umacniającymi roztwór; nie jest to struktura stała,

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

• odlewnicze stopy aluminium-magnez odznaczają się dobrymi właściwościami wytrzymałościowymi przy zadawalających właściwościach plastycznych,

• własności tych stopów można kształtować przez obróbkę cieplną,

• zestawiając efekty ekonomiczne i eksploatacyjne z ujemnymi cechami stosowania stopów aluminium, można wyciągnąć pozytywne wnioski na korzyść ich stosowania w licznych konstrukcjach kadłubów okrętowych oraz do konstrukcji położonych powyżej pokładu górnego.

1

- 4 -

T [°C]

700

650

600

550

500

L

α+L

17,4 35,5

α α + β β

10 20 30 40

Mg _{(ciężarowo)} [%]

T

[°C]

650

550

450

350

250

150

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), która obok krystalizacji pierwotnej, krystalizuje również wtórnie wzdłuż krzywej granicznej rozpuszczalności, w postaci wydzieleń z przesyconego roztworu stałego α. Przy kontakcie czynnika korodującego następuje korozja fazy β. Zawartość magnezu oraz technologia wytwarzania stopów Al-Mg mają zasadniczy wpływ na rozkład fazy β w stopach, który powinien być równomierny bez skupisk na granicach ziarn, aby stop charakteryzował się dobrą odpornością na korozję (zwłaszcza międzykrystaliczną) i dobrymi właściwościami mechanicznymi.

0 5 10 15 20

Zawartość Si [%]

1,65 11,17 13,15

557°C

564°C

A S

S′

B E C

B′ E′ C′

D

Rys. 2 - Wykres równowagi aluminium krzem i wpływ modyfikacji,

E - eutektyka: jednorodna mieszanina fazy α i kryształów krzemu

E′ - eutektyka modyfikowana

Praktyczne zastosowanie mają zarówno stopy z zakresu podeutektycznego, eutektycznego i nadeutektycznego. Stopy Al-Si z zakresu zbliżonego do eutektycznego mają doskonałe właściwości odlewnicze, mały skurcz, najmniejszą skłonność do pęknięć na gorąco oraz wysoką odporność na korozję w porównaniu z innymi stopami aluminium. Nie krzepną jednak w dostatecznie drobnoziarnistej postaci, a ich właściwości mechaniczne i technologiczne zależą przede wszystkim od rodzaju utworzonej struktury eutektyki. Dlatego podczas odlewania prowadzi się modyfikację, polegającą na zmianie struktury metalu lub stopu lanego, w wyniku działania modyfikatorów. W siluminach w wyniku modyfikowania następuje zmiana budowy eutektyki gruboziarnistej w drobnoziarnistą, przesunięcie punktu eutektycznego, a także wzrost wytrzymałości na rozciąganie odlewów, ich wydłużenia i udarności. Tradycyjnie proces

---