Klasyfikacja stopów aluminium. Analiza uzyskanych wyników Diagram stanu glin-magnez

07.01.2024 -

Wszystkie przemysłowe składy stopów aluminium i magnezu pod względem zawartości magnezu mieszczą się w obszarze diagramu stanu układu Al-Mg, odpowiadającego roztworowi stałemu α. Stężenie roztworu stałego wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, co w zasadzie umożliwia znaczne wzmocnienie stopów Al-Mg poprzez poddanie ich obróbce cieplnej (hartowaniu).
W stanie odlewu stopy aluminium zawierające powyżej 9% Mg mają strukturę α+β; Faza β będąca kruchym związkiem międzymetalicznym zawiera około 35-38% Mg.
Zgodnie z równowagowym diagramem fazowym w stopach z zawartością 10% Mg, faza β jest uwalniana z roztworu stałego na skutek zmniejszania się rozpuszczalności magnezu w aluminium wraz ze spadkiem temperatury (Rys. 22). W rzeczywistych warunkach krzepnięcia, na skutek intensywnych procesów mikrolikwacji i niewystarczającej szybkości procesów dyfuzji, faza β wydziela się z ługu macierzystego w temperaturze 450°C w postaci zdegenerowanej eutektyki. Zostało to udowodnione eksperymentalnie (stop hartowany był w różnych temperaturach). Ilość fazy β powstałej w wyniku wytrącania się α z roztworu stałego zależy od zawartości magnezu w stopie. Według dostępnych danych przy odlewaniu w formie piaskowej w roztworze stałym zatrzymuje się do 7%.

Mechanizm uwalniania fazy β w zależności od czasu starzenia nie jest dobrze poznany. Dopuszczalna jest następująca kolejność procesu starzenia: „strefy” wzbogacone w magnez, nierównowaga β” - równowaga β.
Istnienie stref potwierdza się jedynie poprzez pomiar rezystancji elektrycznej stopów. Struktura faz β" i β, które wytrącają się w postaci małych płytek, jest bardzo złożona. Fazy te badano metodą analizy dyfrakcji promieni rentgenowskich.
W pracy zbadano wpływ czasu homogenizacji H ośrodka hartującego na proces starzenia. Im dłuższy czas homogenizacji, tym bardziej równomiernie rozłożony jest magnez w przekroju poprzecznym ziarna. Po homogenizacji przez 16 godzin późniejsze starzenie prowadzi do powstania wydzieleń jedynie w strefach wzbogaconych w magnez, czyli w pobliżu granic ziaren i wyraźnie ujawnia się struktura dendrytyczna stopu. Wraz ze stopniowym wydłużaniem czasu homogenizacji rozkład opadów na przekroju poprzecznym ziaren po starzeniu wyrównuje się. Jednak nawet po ogrzewaniu przez 160 godzin, przy równomiernym rozłożeniu wydzieliny, wykrywane są poszczególne obszary z zarysem dendrytów. W tym drugim przypadku, w przeciwieństwie do obrazu obserwowanego po 16 godzinach homogenizacji, obszary w pobliżu granic ziaren są zubożone w wydzielenia. We wszystkich przypadkach wydzielina ma postać igieł.

Oprócz czasu homogenizacji na powstawanie osadów wpływają warunki hartowania. Po hartowaniu w zimnej wodzie faza β jest uwalniana wzdłuż granic ziaren w postaci ciągłej podczas późniejszego starzenia. Hartowanie we wrzącej wodzie lub gorącym oleju powoduje, po starzeniu, wytrącanie się fazy β wzdłuż granic ziaren w postaci izolowanych wtrąceń.
Omawiając i analizując wyniki, uznano, że resztkowa segregacja dendrytyczna i wyczerpywanie się wolnych miejsc w strefach sąsiadujących z granicami ziaren ma istotny wpływ na warunki i charakter opadów w fazie β. Wakaty przyspieszają proces rozdzielania fazy β, ponieważ jej powstaniu towarzyszy wzrost objętości.
Na podstawie metastabilnego diagramu stopów układu Al-Mg (rys. 23) zaproponowano diagram kolejności powstawania fazy β podczas starzenia stopów z zawartością 10% Mg (rys. 24). Wzdłuż granic ziaren procesy separacji i kolejnych przemian przebiegają o jeden etap szybciej, gdyż tutaj możliwość powstania jąder jest większa.

Słabym punktem odlewów są wolne od wydzieleń obszary na granicach ziaren, dlatego też zniszczenia na granicach ziaren zachodzą, zwłaszcza w drugim etapie, podczas hartowania w zimnej wodzie, kiedy faza β tworzy ciągłe łańcuchy. Właściwości wytrzymałościowe odlewów ulegają pogorszeniu. Odporność korozyjna ulega największemu pogorszeniu podczas przemiany β" → β (rys. 25). Można przyjąć, że odporność korozyjna stopów zależy od charakteru wydzieleń fazy β, co wyraźnie widać na rys. 25. Jest to jest to zgodne z faktem, że stopy utwardzane w zimnej wodzie mają obniżoną odporność na korozję.
W tabeli 12-14 przedstawiają składy i właściwości stopów przemysłowych układu Al-Mg.
Stopy układu aluminiowo-magnezowego zawierające do 6% Mg nie są wzmacniane obróbką cieplną. Utwardzanie rozpuszczające znacząco poprawia właściwości mechaniczne stopów zawierających powyżej 9% Mg.

Spośród podwójnych stopów aluminiowo-magnezowych największą wytrzymałość przy dużej ciągliwości w stanie utwardzonym charakteryzują stopy z zawartością 10-12% Mg. Wraz ze wzrostem zawartości magnezu właściwości mechaniczne stopów maleją, ponieważ podczas obróbki cieplnej nie jest możliwe przekształcenie nadmiaru fazy β, która powoduje kruchość stopu, w roztwór stały. Dlatego wszystkie stopy przemysłowe systemu Al-Mg należą do rodzaju roztworów stałych o zawartości magnezu nie większej niż 13%.
Oprócz magnezu stop AL13 zawiera krzem i mangan. Dodatki krzemowe wpływają na poprawę właściwości odlewniczych stopu poprzez zwiększenie zawartości podwójnej eutektyki α+Mg2Si. Właściwości mechaniczne stopu AL13 po wprowadzeniu 1% Si zmieniają się nieznacznie: wytrzymałość nieznacznie wzrasta, a plastyczność nieznacznie maleje.
Mangan dodawany jest do stopu AL13 głównie w celu ograniczenia szkodliwego działania żelaza, które wytrąca się podczas krystalizacji w postaci kryształów w kształcie igieł i płytek i znacznie zmniejsza ciągliwość stopu. Po wprowadzeniu manganu do stopu powstaje związek MnAl6, w którym rozpuszcza się żelazo. Połączenie to ma zwarty kształt szkieletowy lub nawet równoosiowy.
Zanieczyszczenia żelaza, miedzi, cynku i niklu negatywnie wpływają na odporność korozyjną stopu AL13. Przy zawartości krzemu większej niż 0,8% odporność stopu na korozję również maleje, a wraz z dodatkiem manganu wzrasta.
Stop gatunku AL13 nie jest wzmacniany obróbką cieplną i ma niskie właściwości mechaniczne. Jego zaletą jest stosunkowo wysoka odporność na korozję w porównaniu np. z siluminami, dobra spawalność oraz (ze względu na obecność związku Mg2Si w strukturze) zwiększona odporność cieplna.
Stop w gatunku AL13 służy do produkcji części wytrzymujących średnie obciążenia i pracujących w środowisku wody morskiej oraz cieczy lekko zasadowych. Stop stosowany jest do produkcji części do budowy statków morskich, a także części pracujących w podwyższonych temperaturach (do 180-200°C).
Stopy (AL8, AL8M, AL27-1) o dużej zawartości magnezu (9-11%) w stanie utwardzonym charakteryzują się bardzo wysokimi właściwościami mechanicznymi. Jednakże właściwości mechaniczne stopów w próbkach wyciętych bezpośrednio z odlewów są bardzo nierówne; Główną przyczyną nierównomiernych właściwości jest niejednorodność odlewu, objawiająca się luzami skurczowymi i porowatością, a także wtrąceniami tlenkowymi w masywnych częściach odlewu.
Bardzo poważną wadą tych stopów jest ich zwiększona wrażliwość na naturalne starzenie. Stwierdzono, że zawartość Mg powyżej 10% w stopach aluminiowo-magnezowych powoduje kruchość zahartowanych odlewów po długotrwałym przechowywaniu i podczas eksploatacji.
W tabeli Na rys. 15 przedstawiono zmianę właściwości mechanicznych stopów o różnej zawartości magnezu podczas długotrwałego naturalnego starzenia. Z przedstawionych danych wynika, że wraz ze wzrostem zawartości magnezu wzrasta tendencja do naturalnego starzenia się. Prowadzi to do wzrostu granicy plastyczności, wytrzymałości końcowej i gwałtownego spadku plastyczności.
Podczas badania próbek stopów starzonych przez jedenaście lat pod kątem korozji międzykrystalicznej stwierdzono, że stopy zawierające mniej niż 8,8% Mg nie są wrażliwe na tego typu korozję, a przy wyższej zawartości magnezu wszystkie badane stopy uzyskują większy stopień korozji pod wpływem naturalnego starzenia, skłonny do korozji międzykrystalicznej.
Średnia głębokość ogniskowych zmian korozyjnych na powierzchni próbek badanych metodą standardową poprzez zanurzenie na jeden dzień w 3% roztworze NaCl z dodatkiem 1% HCl wynosiła: 0,11 mm – przy zawartości 8,8% Mg w próbce stop 0,22 mm - przy 11,5% Mg i 0,26 mm - przy 13,5% Mg.
Stopy aluminiowo-magnezowe AL27 i AL27-1 mają tę samą zawartość głównych składników stopowych (magnez, beryl, tytan, cyrkon); zawartość zanieczyszczeń żelazem i krzemem w stopie AL27-1 nie powinna przekraczać 0,05% każde.

W tabeli 16 przedstawia właściwości mechaniczne stopu aluminiowo-magnezowego zawierającego zanieczyszczenia żelaza, krzemu i magnezu.
Z powyższych danych wynika przede wszystkim, że stop zawierający mniej niż 9% magnezu (po 0,1% żelaza i krzemu) ma stosunkowo niskie właściwości mechaniczne (σв = 28,5 kgf/mm2; δ5 = 12,5%). Spośród badanych stopów najwyższe właściwości mechaniczne posiada stop zawierający 10,5% Mg (σв = 38 kgf/mm2; δ5 = 26,5%). Przy zawartości magnezu wynoszącej 12,2% wytrzymałość na rozciąganie jest również na wysokim poziomie (38,3 kgf/mm2), ale wydłużenie jest nieco mniejsze (21%).
Gdy zawartość żelaza w stopie AL8 wzrasta do 0,38% przy tej samej zawartości krzemu (0,07%), nie obserwuje się zmiany wytrzymałości na rozciąganie, a wydłużenie nieznacznie maleje. Wraz ze wzrostem zawartości krzemu w tym stopie do 0,22%, zarówno wytrzymałość na rozciąganie (do 33,7 kgf/mm2), jak i wydłużenie (17,5%) znacznie spadają. Zwiększenie zawartości krzemu do 0,34%), nawet przy niskiej zawartości żelaza (0,10%), znacznie zmniejsza właściwości mechaniczne: wytrzymałość na rozciąganie spada do 29,5 kgf/mm2, a wydłużenie do 13%. Jeśli dodatkowo zwiększymy zawartość żelaza w tym stopie do 0,37%, to właściwości mechaniczne ulegną dalszemu pogorszeniu, ale w mniejszym stopniu niż przy zwiększaniu zawartości krzemu: wytrzymałość na rozciąganie wyniesie 27,6 kgf/mm2, a wydłużenie będzie wynosić 10,5%.
Za przyczynę niekorzystnego działania nawet niewielkich ilości krzemu można oczywiście uznać powstawanie związku Mg2Si na skutek dużego powinowactwa krzemu do magnezu. Im więcej krzemu jest w stopie, tym więcej tego związku będzie obecne. Związek Mg2Si krystalizuje w postaci tzw. „chińskiej czcionki” i umiejscowiony wzdłuż granic ziaren rozrywa wiązanie ziaren roztworu stałego, a dodatkowo wiąże pewną ilość magnezu.

Na ryc. Na rysunkach 26, a, b przedstawiono porównanie mikrostruktury stopów aluminium z dodatkiem 10% Mg w stanie odlanym, przygotowanych z materiałów o różnej czystości. Strukturę stopu, odlanego z materiałów o wysokiej czystości, tworzą ziarna stałego roztworu magnezu w aluminium, w granicach których zlokalizowana jest faza Al3Mg2. W strukturze stopu przygotowanego na materiałach o niskiej czystości, oprócz fazy Al3Mg3, widać związek Mg3Si w postaci „chińskiej czcionki” oraz związek FeAl3 w postaci dwóch rodzajów płytek – płaskich i gwiaździste (są to najwyraźniej różne przekroje tego samego kształtu). Związek Mg2Si zlokalizowany jest wzdłuż granic ziaren, natomiast płytki FeAl3 znajdują się wewnątrz ziaren lub przecinają ich granice. W niektórych przypadkach płytki FeAl3 przecinają kryształy Mg2Si, co wskazuje na ich pierwotną krystalizację ze stopu. Po obróbce cieplnej faza Mg2Si przechodzi do roztworu stałego, a mikrostruktura stopu przygotowanego z materiałów o wysokiej czystości przedstawia ziarna roztworu stałego (rys. 26c).
Ostre ograniczenie szkodliwych zanieczyszczeń żelaza i krzemu oraz wprowadzenie dodatków berylu, tytanu i cyrkonu do stopów aluminiowo-magnezowych (AL27 i AL27-1) przyczynia się do znacznego wzrostu odporności korozyjnej i właściwości mechanicznych tych stopów w porównaniu do stopu CO AL8.
Efekt dodatkowego stopowania stopów Al-Mg o wysokiej czystości dodatkami różnych pierwiastków można prześledzić na przykładzie stopu AL8M. Jedną z wad stopów Al-Mg (AL8, AL27) o dużej (do 11,5%) zawartości magnezu jest ich skłonność do naturalnego starzenia, pogorszenie właściwości plastycznych i możliwość pękania odlewów. Można jednak przypuszczać, że można znaleźć sposoby na stabilizację właściwości stopu AL8. Jednym z nich jest zmniejszenie stopnia przesycenia magnezem roztworu stałego α, czyli zmniejszenie zawartości magnezu w stopie. Jednocześnie prędkość procesu starzenia gwałtownie spadnie. Należy jednak zaznaczyć, że wraz ze spadkiem zawartości magnezu w stopie pogarszają się właściwości mechaniczne stopu. Aby poprawić właściwości mechaniczne stopów w tym przypadku konieczne jest zastosowanie stopowania i modyfikacji.

W tabeli Na rys. 17 przedstawiono wyniki wpływu molibdenu i obróbki fluorocyrkonianem potasu na właściwości i wielkość ziaren stopu Al-Mg (10,5% Mg) według pracy.
Jeśli stop traktuje się fluorocyrkonianem potasu, wprowadzenie molibdenu w dziesiątych częściach procenta przyczynia się do bardzo silnego rozdrobnienia krystalicznego ziarna stopu; największy efekt szlifowania uzyskuje się wprowadzając 0,1% Mo do stopu AL8.
Silniejsze rozdrobnienie ziarna łącznym dodatkiem cyrkonu i molibdenu niż dodatkiem każdego z tych pierwiastków oddzielnie można najwyraźniej wytłumaczyć faktem, że rozpuszczalność każdego dodatku w obecności drugiego maleje. Powinno to prowadzić do powstania znacznie większej liczby cząstek międzymetalicznych, czyli centrów zarodkowania. Krystalizacja z wielu ośrodków zapewnia drobniejszą strukturę ziaren.
W pełni zgodnie z efektem rozdrobnienia ziarna następuje zmiana właściwości mechanicznych. Z przedstawionych wyników badań mechanicznych wynika, że obróbka wytopu fluorocyrkonianem potasu i wprowadzenie 0,1% Mo pozwala na zwiększenie właściwości wytrzymałościowych stopu z 29,9 do 43-44 kgf/mm2, granicy plastyczności z 18 do 22. kgf/mm2 i wydłużenie względne od 14 do 23%. Gdy zawartość molibdenu przekracza 0,1%, właściwości mechaniczne ulegają pogorszeniu.
W tabeli Na rysunku 18 przedstawiono właściwości porównawcze stopów AL8, AL8M i AL27-1.

Jak wspomniano wcześniej, zmniejszenie zawartości magnezu w stopach Al-Mg, a także dodawanie różnych dodatków może znacznie zmniejszyć szybkość rozkładu przesyconego roztworu stałego, a także zmienić szybkość korozji ogólnej i podatność stopów na korozja międzykrystaliczna.
W celu wyjaśnienia tego efektu w pracy przedstawiono wyniki badań w komorze mokrej stopów o różnej zawartości magnezu i dodatków stopowych (tabela 19).
Badania wykazały również, że zmiana względnego przyrostu masy ciała w czasie podlega prawu parabolicznemu. Sugeruje to, że na powierzchni próbek wszystkich stopów tworzy się gęsty film tlenkowy o dobrych właściwościach ochronnych. Najbardziej intensywny wzrost warstwy tlenkowej następuje w ciągu pierwszych 500 dni. Następnie szybkość utleniania stabilizuje się. Należy zauważyć, że folia stopów modyfikowanych ma najwyraźniej lepsze właściwości ochronne.

Badania mikrostruktury wykazały, że proces korozji międzykrystalicznej w stopach zawierających w całym okresie badań korozyjnych nie uległ zauważalnemu rozwojowi.
Inaczej zachowują się stopy zawierające 11,5% Mg. Charakter zmiany względnego przyrostu masy próbek stopów modyfikowanych jest również zgodny z prawem parabolicznym. Jednakże szybkość utleniania wzrasta zauważalnie w porównaniu do szybkości utleniania stopów zawierających 8,5% Mg, a warstwa tlenkowa nabiera właściwości ochronnych przy zauważalnie większej grubości.
W oryginalnym stopie charakter zmiany względnego przyrostu masy jest również zgodny z prawem parabolicznym. Jednakże w przedziale czasowym od 300 do 500 dni obserwuje się gwałtowny wzrost szybkości wzrostu warstwy tlenkowej. Zjawisko to najwyraźniej można wytłumaczyć pękaniem warstwy tlenku w tym okresie w wyniku występowania w niej znacznych naprężeń wewnętrznych.
Gdy nowo powstałe tlenki zagoją pęknięcia w warstwie tlenkowej, stopień utleniania zmniejszy się i w przyszłości pozostanie praktycznie niezmieniony.
Badania mikrostruktury stopów zawierających 11,5% Mg wykazały, że w stopie pierwotnym, po 300 dniach badań korozyjnych, na skutek wytrącania się fazy β, granice ziaren ulegają znacznemu pogrubieniu, a stop staje się podatny na korozję międzykrystaliczną. Oczywiście w tym okresie rozpoczyna się powstawanie pęknięć korozyjnych, ponieważ do 500. dnia badania pęknięcia korozyjne wnikają bardzo głęboko w metal, wychwytując sporo granic ziaren.
W przeciwieństwie do stopu niemodyfikowanego, w stopach modyfikowanych proces korozji międzykrystalicznej ogranicza się do powierzchniowej warstwy metalu i nie rozwija się silnie nawet po 1000 dniach testów korozyjnych. Należy zauważyć, że proces korozji międzykrystalicznej jest najsłabiej rozwinięty w stopie modyfikowanym cyrkonem i molibdenem.
W pełni zgodne ze zmianami strukturalnymi są zmiany właściwości mechanicznych stopów.
Jak pokazują dane w tabeli. 19, wytrzymałość na rozciąganie modyfikowanych stopów stale rośnie, co tłumaczy się naturalnym procesem starzenia. W oryginalnym stopie zachodzą równolegle dwa procesy: naturalne starzenie, które wzmacnia stop, oraz proces korozji międzykrystalicznej, który go zmiękcza. W rezultacie wytrzymałość na rozciąganie oryginalnego stopu nawet nieco spada po 1000 dniach testów korozyjnych.
Jeszcze bardziej charakterystyczna jest zmiana wydłużenia względnego stopów: w przypadku stopu pierwotnego gwałtowny spadek właściwości plastycznych rozpoczyna się po 100 dniach testów korozyjnych, natomiast w przypadku stopów modyfikowanych dopiero po 500 dniach. Należy zauważyć, że spadek ciągliwości modyfikowanych stopów po 500 dniach badań korozyjnych można raczej wytłumaczyć procesem kruchości stopu w wyniku naturalnego starzenia niż procesem korozji międzykrystalicznej.

Do wad stopów Al-Mg o dużej zawartości magnezu (AL8, AL8M, AL27-1, AL27) zalicza się także wrażliwość na korozję międzykrystaliczną i korozję naprężeniową powstającą w wyniku długotrwałego nagrzewania w temperaturach powyżej 80°C (tabela 20) . Dlatego stopy te są zalecane do produkcji części mechanicznych, które krótko pracują w temperaturach od -60 do +60 ° C, a w niektórych przypadkach można je z powodzeniem stosować zamiast rzadkich brązów i mosiądzu, stali nierdzewnych i odkształcalnego aluminium stopy podczas obsługi komponentów i części o dużych zastosowaniach (w tym obciążenia udarowe i zmienne) w różnych warunkach (w tym woda morska i mgła).
Aby zmniejszyć skłonność do pęknięć w odlewach wykonanych z tych stopów podczas długotrwałej eksploatacji, należy ograniczyć zawartość magnezu w stopach do 10%, a części hartować w oleju nagrzanym do temperatury 50-60°C.
Stopy AL23 i AL23-1 w stanie hartowanym nie są podatne na korozję międzykrystaliczną. W stanie odlewu tych stopów, podczas badań pod kątem korozji międzykrystalicznej, obserwuje się rozwój korozji wzdłuż granic ziaren, co spowodowane jest obecnością w strukturze odlewu tego stopu nadmiaru fazy β wzdłuż granic ziaren, wydzielanej podczas proces krystalizacji.
Typowe właściwości stopów AL23-1 i AL23 podano w tabeli. 21.

Stopy AL23-1 i AL23 można z powodzeniem spawać łukiem argonowym. Wytrzymałość połączeń spawanych wynosi 80-90% wytrzymałości materiału podstawowego. Dobre wyniki uzyskano podczas spawania części odlewanych ze stopu AL23-1 z częściami wykonanymi ze stopu do przeróbki plastycznej AMg6.
Stopy w gatunkach AL23-1 i AL23 mogą być stosowane zarówno w stanie odlanym, jak i hartowanym. W stanie odlewu stopy AL23 i AL23-1 przeznaczone są do wytwarzania części przenoszących średnie obciążenia statyczne i stosunkowo małe obciążenia udarowe. W stanie utwardzonym stop AL23-1 przeznaczony jest do wytwarzania części pracujących pod średnimi obciążeniami statycznymi i udarowymi. Stop w gatunku AL29 przeznaczony jest do pracy w różnych warunkach klimatycznych. Odlewy ze stopu AL29 stosowane są bez specjalnej obróbki cieplnej. Stop AL29 w stanie odlanym posiada zadowalającą odporność na korozję. W celu dalszego zwiększenia odporności na korozję części wykonane ze stopu AL29 anodowane są w kwasie chromowym. Stop AL29 przeznaczony do wtryskiwania różni się składem chemicznym od stopu AL13 wyższą zawartością magnezu i niższą dopuszczalną zawartością zanieczyszczeń. Stop stosowany jest w stanie odlewu. Pod względem właściwości mechanicznych i odlewniczych stop AL29 przewyższa stop AL13, a we wszystkich innych cechach jest do niego podobny i jest stosowany do produkcji części pracujących pod średnimi obciążeniami statycznymi i udarowymi, a także w urządzeniach pracujących w subtropikalnych warunkach klimaty. Części wykonane ze stopu AL29 mogą długo pracować w temperaturach do 150°C.
Stop AL22 został opracowany do formowania wtryskowego, co znalazło zastosowanie do wytwarzania części pracujących w instalacjach i zespołach w podwyższonych temperaturach przez kilka, a czasem i kilkadziesiąt minut. Stop AL22 zawiera dużą ilość magnezu (10,5-13%), co pozwala na stosowanie z niego odlewów w stanie utwardzonym. Dodanie stopu z niewielkimi dodatkami tytanu i berylu pomaga poprawić jego właściwości odlewnicze i wytrzymałościowe. Stop AL22 przewyższa stop AL13 zarówno pod względem właściwości technologicznych, właściwości wytrzymałościowych, jak i odporności cieplnej. Aby stop miał największą wytrzymałość, powinien zawierać w górnej granicy magnez (do 13%), a w dolnej - krzem; w przypadku części odlewniczych o skomplikowanych konfiguracjach zawartość magnezu powinna znajdować się w dolnej granicy, a krzemu w górnej granicy.
Wadą stopu jest zmniejszona ciągliwość. Stop AL22 stosowany jest do odlewania części o skomplikowanych konfiguracjach, które pracują pod średnimi obciążeniami statycznymi (części typu agregaty i przyrządy) w korozyjnych warunkach atmosfery i wody morskiej. Stop jest najczęściej stosowany do formowania wtryskowego części. W tym przypadku odlewy stosuje się w stanie odlewu. Części wykonane ze stopu AL22 mogą długo pracować w temperaturach do 200°C.
Nowy stop odlewniczy w gatunku AL28 stosowany jest w stanie odlewniczym (bez obróbki cieplnej) do produkcji armatury rurociągów słodkiej wody, instalacji naftowych i paliwowych, a także na części mechanizmów i urządzeń okrętowych, których temperatura pracy nie przekracza przekracza 100°C. W wyższych temperaturach następuje intensywny rozkład roztworu stałego i wytrącanie się fazy β na granicach ziaren, co powoduje kruchość stopu.
W tabeli 22 przedstawiono właściwości mechaniczne stopu AL28 w zależności od zawartości głównych pierwiastków stopowych w składzie gatunku.
Wprowadzenie 0,1-0,2% Zr do stopu AL28 zwiększa właściwości wytrzymałościowe o 2-3 kgf/mm2 i gęstość odlewów na skutek powstania stopu wodorku cyrkonu, który jest stabilny w temperaturze topnienia. Przy zastosowaniu jako wsadu materiałów wyjściowych o wysokiej czystości obserwuje się znaczny wzrost wytrzymałości i plastyczności stopu.

Stop LL28 charakteryzuje się wysoką odpornością na korozję w wodzie słodkiej i morskiej, a także w atmosferze morskiej. Odporność na korozję stopu w tych warunkach jest zbliżona do odporności czystego aluminium.
Na ryc. Na rys. 27 przedstawiono wyniki badań odporności korozyjnej stopu AL28 w 3% roztworze NaCl zakwaszonym 0,1% H2O2. Czas trwania badania wynosił 1000 h. Dla porównania w tych samych warunkach badano stopy AL8, AL13 i AL4.

W tabeli Na rys. 23 przedstawiono wyniki prób rozciągania próbek ze stopów AL28, AL4 i AL13 przed i po ekspozycji na wodny roztwór 3% NaCl + 0,1% H2O2, które potwierdzają, że odporność korozyjna stopu AL28 jest lepsza od tej innych badanych stopów aluminium.
Właściwości mechaniczne stopu AL28 pozostały niezmienione po wystawieniu na działanie środowiska korozyjnego przez 10 000 godzin, natomiast stop AL4 wykazał pewne pogorszenie właściwości wytrzymałościowych i znaczny (ponad 50%) spadek wydłużenia.

Zwiększoną odporność korozyjną stopu AL28 tłumaczy się obecnością dodatku manganu, który korzystnie wpływa na właściwości korozyjne czystego aluminium i niektórych stopów aluminium. Stop AL28 nie wykazuje tendencji do korozji pod wpływem naprężeń w normalnych temperaturach, a także po podgrzaniu do 100°C i długim czasie przechowywania (do 1000 godzin). Jednak nawet stosunkowo krótkotrwałe narażenie na temperatury powyżej 100°C znacznie zmniejsza właściwości użytkowe tego stopu w środowisku korozyjnym, co praktycznie uniemożliwia jego stosowanie w podwyższonych temperaturach.
Badania korozyjne odlewów eksperymentalnych w warunkach naturalnych (Morze Czarne) prowadzone przez 2-3 lata wykazały, że stop AL28 nie jest podatny na korozję wżerową. Stop AL28 okazał się jednym z najbardziej wytrzymałych stopów aluminium podczas testów w wodzie morskiej poruszającej się z prędkością 10 m/s. Wieloletnia eksploatacja skrzyń korbowych szczelnych sprężarek freonowych klimatyzatorów okrętowych potwierdziła możliwość i niezawodność ich wytwarzania ze stopu AL28 jako materiału odpornego na działanie freonu-22.
Należy powiedzieć, że ostatnio dużą wagę przywiązuje się do korozji naprężeniowej, ponieważ w nowoczesnej inżynierii mechanicznej, a zwłaszcza w przemyśle stoczniowym, w warunkach tropikalnych temperatur, wysokiej wilgotności i wody morskiej stawiane są coraz większe wymagania wytrzymałości i wydajnościom materiałów. Interesująca jest praca opisująca badania podatności odlewniczych stopów aluminium na pękanie korozyjne naprężeniowe.
Siłę rozciągającą wytworzono przy użyciu wstępnie skalibrowanej sprężyny śrubowej. Obciążenie przeniesiono na próbkę o średnicy 5 mm. Kształt próbki umożliwił dołączenie do niej wanien ze środowiskiem korozyjnym. Aby uniknąć korozji kontaktowej, uchwyty instalacji są usuwane z wanny. Jako medium korozyjne zastosowano wodny roztwór 3% NaCl + 0,1% H2O2.
Aby określić czas do zniszczenia w zależności od wielkości naprężenia, próbki umieszczono w instalacji, w której wytworzono siłę odpowiadającą 1,2-0,4 umownej granicy plastyczności. Uzyskane wyniki pokazano na ryc. 28, 29, 30.

Zatem dla wszystkich badanych stopów zależność czasową „życia” próbek od naprężeń w powietrzu (tj. wytrzymałości długotrwałej w temperaturze pokojowej) we współrzędnych naprężenie – logarytm czasu do zniszczenia wyrażona jest linią prostą, co jest charakterystyczne dla większości materiałów metalicznych: wraz ze wzrostem obciążenia zmniejsza się czas do zniszczenia próbek. Jednakże związek czasu naprężenia do pęknięcia dla magnaliów (AL28, AL8 i AL27-1) jest wyrażony krzywą przerywaną, składającą się z dwóch prawie prostych gałęzi. Lewa gałąź krzywej pokazuje, że odporność korozyjna tych stopów pod wpływem naprężenia zależy w dużej mierze od poziomu naprężenia; wzrost obciążenia prowadzi do gwałtownego skrócenia „życia” próbki. Przy mniejszych obciążeniach zanika zależność czasu do zniszczenia od naprężeń, czyli przy tych naprężeniach „żywotność” próbek nie zależy od poziomu naprężenia – prawa gałąź jest linią prostą, prawie równoległą do osi czasu . Wydaje się, że w przypadku tych stopów istnieje granica lub „próg” odporności na korozję naprężeniową.
Należy zauważyć, że granica odporności korozyjnej stopu AL28 pod wpływem naprężeń jest wartością znaczącą, w przybliżeniu równą warunkowej granicy plastyczności. Jak wiadomo, poziom naprężeń konstrukcyjnych zwykle nie przekracza granicy plastyczności, co oznacza, że można założyć, że pękanie korozyjne odlewów wykonanych z tego stopu jest praktycznie wykluczone.
Dla stopu AL8 granica odporności na korozję naprężeniową nie przekracza 8 kgf/mm2, co stanowi około 2 razy mniej niż granica plastyczności tego stopu i wskazuje na jego niską odporność na korozję naprężeniową.
Granicę odporności na korozję naprężeniową stopu AL27-1 można uznać za równą jego warunkowej granicy plastyczności. Stop AL27-1, podobnie jak stop AL8, zawiera około 10% Mg, jednakże jego dodatkowe domieszkowanie niewielkimi ilościami (0,05-0,15%) berylu, tytanu i cyrkonu powoduje zmniejszenie jego podatności na pękanie korozyjne.
Badania podatności na pękanie korozyjne pod wpływem ciepła przeprowadzono w celu określenia temperatur, w jakich stopy aluminiowo-magnezowe w gatunkach AL8, AL27-1 i AL28 są w stanie zachować przez długi czas odporność na korozję naprężeniową , a także w celu ustalenia dopuszczalności krótkotrwałego nagrzewania części wykonanych z tych stopów w trakcie procesu ich wytwarzania (np. podczas impregnacji, nakładania powłok ochronnych itp.). Próbki tych stopów poddano starzeniu w temperaturach 70, 100, 125 i 150°C w czasie od 1 do 1000 godzin w zależności od temperatury nagrzewania, a następnie badano pod naprężeniami równymi 0,9-0,8 poziomu naprężenia, przy którym nie następuje pękanie korozyjne, zdefiniowany dla stanu początkowego.
Pokazane na ryc. 31 dane pokazują, że odporność na korozję naprężeniową stopu AL28 nie zmniejsza się po podgrzaniu do 100°C przez długi okres czasu, a krótkotrwałe nagrzanie do 150°C jest dopuszczalne bez utraty właściwości użytkowych w środowisku korozyjnym.

Wyniki badań odporności korozyjnej pod wpływem naprężeń stopów AL8 i AL27-1 poddanych wstępnemu nagrzewaniu wykazały, że eksploatacja części wykonanych z tych stopów w podwyższonych temperaturach w warunkach korozji jest praktycznie niedopuszczalna. Uzyskane wyniki badań podatności stopów aluminiowo-magnezowych AL8, AL27-1 na pękanie korozyjne zarówno w stanie otrzymanym, jak i po sztucznym starzeniu pozwalają stwierdzić, że o ich zachowaniu korozyjnym pod wpływem naprężeń decyduje przede wszystkim stabilność ciała stałego strukturę rozwiązania.
Z porównania odporności na korozję naprężeniową stopów AL8 i AL27-1 zawierających tę samą ilość magnezu wynika, że stop AL27-1, którego struktura jest stabilizowana dodatkowymi dodatkami stopowymi, charakteryzuje się wyższą odpornością na korozję naprężeniową. Stop AL28, zawierający 4,8-6,3% roztworu stałego, którego stabilność jest wyższa niż stopy z zawartością 10% Mg, jest bardziej odporny na pękanie korozyjne.

Pytanie 1. Narysuj diagram fazowy układu aluminium-miedź. Opisać oddziaływanie składników w stanie ciekłym i stałym, wskazać składniki strukturalne we wszystkich obszarach diagramu fazowego oraz wyjaśnić charakter zmiany właściwości stopów w danym układzie, korzystając z reguł Kurnakowa.

Najważniejszym zanieczyszczeniem duraluminium jest miedź.

Diagram fazowy stopów A1-Cu (rys. 1.) odnosi się do diagramów fazowych typu III, gdy składniki tworzą roztwór stały z

ograniczona rozpuszczalność, zmniejszająca się wraz ze spadkiem temperatury. W stopach mających diagram fazowy tego typu, wtórny

krystalizacja związana z częściowym rozkładem roztworu stałego. Takie stopy można poddać obróbce cieplnej grupy III i IV, czyli hartowaniu

Diagram stanu stopów aluminium - miedź.

i starzenie.Z wykresu fazowego A1 - Cu wynika, że największą rozpuszczalność miedzi w aluminium obserwuje się przy 548°, gdy

5,7%; Wraz ze spadkiem temperatury rozpuszczalność miedzi w aluminium maleje i w temperaturze pokojowej wynosi 0,5%. Jeśli stopy o zawartości miedzi od 0,5 do 5,7% zostaną poddane hartowaniu z ogrzewaniem powyżej temperatur przemian fazowych (np. powyżej punktu 5 na wykresie fazowym stopów A1 - Cu), wówczas stop przekształci się w jednorodną substancję stałą rozwiązanie Po hartowaniu stały roztwór ulegnie rozkładowi w stopie, czemu towarzyszy uwolnienie nadmiaru fazy o wysokim stopniu dyspersji. Taką fazą w stopach Al-Cu jest twardy i kruchy związek chemiczny CuAl2.

Rozkład przesyconego roztworu stałego może zachodzić długo, gdy stop jest przechowywany w temperaturze pokojowej (naturalne starzenie) i szybciej w podwyższonych temperaturach (sztuczne starzenie). W wyniku starzenia wzrasta twardość i wytrzymałość stopu, natomiast zmniejsza się ciągliwość i udarność.

Zgodnie z teorią starzenia, najpełniej rozwiniętą przy użyciu reguł Kurnakowa, proces starzenia w stopach przebiega wieloetapowo. Utwardzanie stopów obserwowane w wyniku starzenia odpowiada okresowi wytrącania się faz nadmiarowych w stanie silnie rozproszonym. Zmiany zachodzące w strukturze można zaobserwować jedynie za pomocą mikroskopu elektronowego. Zwykle ten etap procesu zachodzi w stopach utwardzanych podczas naturalnego starzenia. Jednocześnie wzrasta twardość i wytrzymałość stopu.

Kiedy stopy utwardzane nagrzewa się do stosunkowo niskich temperatur, odmiennych dla różnych stopów (sztuczne starzenie), następuje drugi etap, polegający na powiększeniu cząstek wydzielonych faz. Proces ten można obserwować za pomocą mikroskopu optycznego. Pojawienie się w mikrostrukturze powiększonych wydzieleń faz wzmacniających zbiega się z nową zmianą właściwości – spadkiem wytrzymałości i twardości stopu oraz wzrostem jego plastyczności i udarności. Starzenie obserwuje się tylko w stopach, które mają diagram fazowy o ograniczonej rozpuszczalności, która maleje wraz ze spadkiem temperatury. Ponieważ duża liczba stopów ma tego typu diagram, zjawisko starzenia jest bardzo powszechne. Obróbka cieplna wielu stopów metali nieżelaznych – aluminium, miedzi itp. opiera się na zjawisku starzenia.

W omówionych powyżej stopach A1 – Cu proces ten przebiega następująco. Podczas naturalnego starzenia w utwardzonym stopie tworzą się strefy (krążki) o zwiększonej zawartości miedzi. Grubość tych stref, zwanych strefami Guiniera-Prestona, jest równa dwóm do trzech warstw atomowych. Po podgrzaniu do temperatury 100° i wyższej strefy te przekształcają się w tzw. fazę ö, która jest niestabilną alotropową modyfikacją związku chemicznego CuA1 2. W temperaturach powyżej 250° faza 9" przechodzi w fazę ɨ (CuA1 2). Następnie następuje wytrącanie fazy ö (CuA1 2). Stop charakteryzuje się największą twardością i wytrzymałością w pierwszym etapie starzenia.

W duraluminium D1 faza ö wydziela się także podczas rozkładu roztworu stałego, a w duraluminium D16 takich faz jest kilka.

Technologia obróbki cieplnej części wykonanych z duraluminium polega na hartowaniu, prowadzonym w celu uzyskania przesyconego roztworu stałego oraz naturalnym lub sztucznym starzeniu. W celu hartowania części podgrzewa się do 495° i chłodzi w zimnej wodzie.

Utwardzone części ulegają naturalnemu starzeniu poprzez utrzymywanie ich w temperaturze pokojowej. Po 4-7 dniach starzenia części uzyskują najwyższą wytrzymałość i twardość. Zatem wytrzymałość na rozciąganie duraluminium klasy D1 w stanie wyżarzonym wynosi 25 kg/mm 2 , i jego twardość jest równa N W = 45; po stwardnieniu i naturalnym starzeniu wytrzymałość na rozciąganie wynosi 40 kg/mm 2 , i twardość wzrasta do N V = 100.

Czas potrzebny do rozkładu stałego roztworu można skrócić do kilku godzin poprzez podgrzanie utwardzonego duraluminium do 100 - 150 ◦ (sztuczne starzenie), jednak wartości twardości i wytrzymałości przy sztucznym starzeniu są nieco niższe niż przy naturalnym starzenie się. Odporność na korozję również nieco się zmniejsza. Największą twardością i wytrzymałością po hartowaniu i starzeniu charakteryzują się gatunki duraluminium D16 i D6.Duraluminium DZP i D18 to stopy o zwiększonej ciągliwości.

Duraluminium znajduje szerokie zastosowanie w różnych gałęziach przemysłu, zwłaszcza w budowie samolotów, ze względu na niski ciężar właściwy i wysokie właściwości mechaniczne po obróbce cieplnej.

Przy oznaczaniu duraluminów litera D oznacza „duraluminium”, a liczba jest umownym numerem stopu.

2. SCHEMAT STANU STOPÓW ŻELAWO-WĘGLOWYCH

Stopy żelaza i węgla są tradycyjnie klasyfikowane jako stopy dwuskładnikowe. Ich skład, oprócz głównych składników – żelaza i węgla, zawiera niewielkie ilości powszechnych zanieczyszczeń – manganu, krzemu, siarki, fosforu, a także gazów – azotu, tlenu, wodoru, a czasami śladowe ilości innych pierwiastków. Żelazo i węgiel tworzą stabilny związek chemiczny Fe 3 C (93,33% Fe i 6,67% C), zwany węglikiem żelaza lub cementytem. W stosowanych stopach żelaza z węglem (stale, żeliwa) zawartość węgla nie przekracza 6,67%, dlatego też stopy żelaza z węglikiem żelaza (układ Fe-Fe 3 C), w których drugim składnikiem jest cementyt, mają praktyczne zastosowanie znaczenie.

Gdy zawartość węgla przekroczy 6,67%, w stopach nie będzie wolnego żelaza, ponieważ całość połączy się chemicznie z węglem. W tym przypadku składnikami stopów będą węglik żelaza i węgiel; stopy będą należeć do drugiego układu Fe 3 C -C, który nie został dostatecznie zbadany. Ponadto stopy żelazowo-węglowe o zawartości węgla powyżej 6,67% są bardzo kruche i praktycznie nie są stosowane.

Stopy Przeciwnie, Fe-Fe 3 C (o zawartości C do 6,67%) ma ogromne znaczenie praktyczne. Na ryc. Rysunek 2 przedstawia schemat strukturalny stanu stopów Fe-Fe 3 C, wykreślony we współrzędnych temperatura - stężenie. Oś rzędnych pokazuje temperatury ogrzewania stopów, a oś odciętych pokazuje procentowe stężenie węgla. Lewa rzędna odpowiada 100% zawartości żelaza, prawa rzędna odpowiada 6,67% zawartości węgla (lub 100% stężeniu Fe 3 C).

Na prawej rzędnej znajduje się temperatura topnienia Fe 3 C, odpowiadająca 1550° (pkt D na schemacie).

Ze względu na to, że żelazo posiada modyfikacje, na lewej rzędnej oprócz temperatury topnienia żelaza wynoszącej 1535° (punkt A na wykresie) naniesiono także temperatury przemian alotropowych żelaza: 1390° (punkt N ) i 910° (punkt G).

Zatem rzędne diagramu odpowiadają czystym składnikom stopu (żelazu i cementytu), a między nimi znajdują się punkty odpowiadające stopom o różnych stężeniach od 0 do 6,67% C

Ryż. 2. Schemat strukturalny stanu stopówFe - Fe 3 C .

W pewnych warunkach może nie powstać związek chemiczny (cementyt), co zależy od zawartości krzemu, manganu i innych pierwiastków, a także od szybkości chłodzenia wlewków lub odlewów. W tym przypadku węgiel uwalnia się w stopach w stanie wolnym w postaci grafitu. W tym przypadku nie będzie dwóch układów stopowych (Fe-Fe 3 C i Fe 3 C -C). Zastępuje je pojedynczy układ stopów Fe-C, który nie zawiera związków chemicznych.

2.1 Elementy konstrukcyjne stopów żelaza z węglem.

Z analizy mikroskopowej wynika, że w stopach żelazowo-węglowych powstaje sześć składników konstrukcyjnych, a mianowicie: ferryt, cementyt, austenit i grafit, a także perlit i ledeburyt.

Ferryt nazywa się stałym roztworem interkalacji węgla w Fe a. Ponieważ rozpuszczalność węgla w Fe jest niewielka, ferryt można uznać za prawie czysty Fe a. Ferryt ma sześcienną siatkę skupioną wokół ciała (BC). Pod mikroskopem ten element strukturalny ma wygląd lekkich ziaren o różnej wielkości. Właściwości ferrytu są takie same jak żelaza: jest miękki i plastyczny, a jego wytrzymałość na rozciąganie wynosi 25 kg/mm 2 , twardość N W = 80, wydłużenie względne 50%. Plastyczność ferrytu zależy od wielkości jego ziaren: im drobniejsze ziarno, tym większa jest jego plastyczność. Do 768° (punkt Curie) jest ferrimagnetyczny, a powyżej – paramagnetyczny.

cementyt zwany węglikiem żelaza Fe 3 C. Cementyt ma złożoną rombową siatkę. Pod mikroskopem ten element strukturalny ma wygląd płytek lub ziaren o różnych rozmiarach. Cementyt jest twardy (N W > 800 jednostek) i jest kruchy, a jego wydłużenie względne jest bliskie zeru. Rozróżnia się cementyt uwolniony podczas pierwotnej krystalizacji z ciekłego stopu (cementyt pierwotny lub C 1) i cementyt uwolniony ze stałego roztworu austenitu Y (cementyt wtórny lub C 2). Ponadto podczas rozkładu stałego roztworu a (region G.P.Q. na schemacie stanu) wyróżnia się cementyt, zwany w przeciwieństwie do poprzednich cementytem trzeciorzędowym lub C 3. Wszystkie formy cementytu mają tę samą strukturę krystaliczną i właściwości, ale różnią się wielkością cząstek - płytkami lub ziarnami. Największe są cząstki cementytu pierwotnego, a najmniejsze cząstki cementytu pierwotnego. Do 210° (punkt Curie) cementyt jest ferrimagnetyczny, a powyżej – paramagnetyczny.

Austenit nazywa się stałym roztworem interkalacji węgla w Fe Y. Austenit ma sześcienną siatkę skupioną wokół ściany (K12). Pod mikroskopem ten element strukturalny ma wygląd jasnych ziaren z charakterystycznymi podwójnymi liniami (bliźniakami). Twardość austenitu wynosi N W = 220. Austenit jest paramagnetykiem.

Grafit ma luźno upakowaną sześciokątną siatkę z warstwowym układem atomów. Pod mikroskopem ten element konstrukcyjny ma postać płytek o różnych kształtach i rozmiarach z żeliwa szarego, kształtu płatkowego w żeliwie ciągliwym i kształtu kulistego z żeliwa o wysokiej wytrzymałości. Właściwości mechaniczne grafitu są wyjątkowo niskie.

Wszystkie cztery wymienione składniki konstrukcyjne są jednocześnie fazami układu stopów żelazowo-węglowych, ponieważ są jednorodne - roztwory stałe (ferryt i austenit), związek chemiczny (cementyt) lub substancja elementarna (grafit).

Składniki strukturalne ledeburytu i perlitu nie są jednorodne. Są to mieszaniny mechaniczne o specjalnych właściwościach (eutektyka i eutektoida).

Perłowiec nazywana eutektoidalną mieszaniną ferrytu i cementytu. Powstaje z austenitu podczas wtórnej krystalizacji i zawiera 0,8% C. Temperatura tworzenia perlitu wynosi 723°. Ta temperatura krytyczna, obserwowana tylko w stali, nazywana jest punktem A±. Perlit może mieć budowę lamelarną, gdy cementyt ma kształt płytek, lub strukturę ziarnistą, gdy cementyt ma kształt ziaren. Właściwości mechaniczne perlitu płytkowego i granulowanego są nieco inne. Perlit lamelowy ma wytrzymałość na rozciąganie 82 kg/mm 2 , wydłużenie względne 15%, twardość N V = 190-^-230. Wytrzymałość na rozciąganie granulowanego perlitu wynosi 63 kg/mm 2 , wydłużenie względne 20% i twardość R = 1,60-g-190.

Ledeburyt nazywana mieszaniną eutektyczną austenitu i cementytu. Powstaje w procesie pierwotnej krystalizacji w temperaturze 1130°. Jest to najniższa temperatura krystalizacji w układzie stopów żelaza z węglem. Austenit będący częścią ledeburytu przekształca się w perlit w temperaturze 723°. Dlatego poniżej 723°C i do temperatury pokojowej ledeburyt składa się z mieszaniny perlitu i cementytu. Jest bardzo trudny (N V ^700) i kruche. Obecność ledeburytu jest cechą strukturalną żeliwa białego. Właściwości mechaniczne stopów żelaza z węglem różnią się w zależności od liczby elementów konstrukcyjnych, ich kształtu, wielkości i umiejscowienia.

Schemat strukturalny stanu Fe -Fe 3 C jest diagramem złożonym, ponieważ w stopach żelazo-węgiel zachodzą nie tylko przemiany związane z krystalizacją, ale także przemiany w stanie stałym.

Granicę między stalą a żeliwem białym stanowi stężenie węgla wynoszące 2%, a cechą strukturalną jest obecność lub brak ledeburytu. Stopy o zawartości węgla poniżej 2% (które nie zawierają ledeburytu) nazywane są stalami, a stopy o zawartości węgla powyżej 2% (które w swojej strukturze zawierają ledeburyt) nazywane są żeliwem białym.

W zależności od zawartości węgla i struktury stali żeliwa dzieli się zazwyczaj na następujące grupy strukturalne: stale podeutektoidalne (do 0,8% C); budowa – ferryt i perlit; stal eutektoidalna (0,8% C); struktura - perlit;

stale nadeutektoidalne (ponad 0,8 do 2% C); struktura - perlit w cementyt wtórny;

żeliwo podeutektyczne białe (ponad 2 do 4,3% C); budowa – ledeburyt (rozdrobniony), perlit i cementyt wtórny;

eutektyczne żeliwo białe (4,3% C); konstrukcja - ledeburyt;

żeliwo nadeutektyczne białe (ponad 4,3 do 6,67% C); struktura - ledeburyt (rozdrobniony) i cementyt pierwotny.

Podział ten, jak widać ze diagramu fazowego Fe-Fe 3 C, odpowiada stanowi strukturalnemu tych stopów obserwowanemu w temperaturze pokojowej.

Pytanie 3.

Wybierz stop węglika narzędziowego do dokładnego frezowania powierzchni części wykonanej ze stali 30KhGSA. Podaj charakterystykę, rozszyfruj wybraną markę stopu, opisz cechy strukturalne i właściwości stopu.

Narzędzia dzielimy na trzy grupy: tnące (frezy, wiertła, frezy itp.), pomiarowe (przymiary, pierścienie, płytki itp.) oraz narzędzia do obróbki plastycznej metalu na gorąco i na zimno (stemple, deski kreślarskie itp.). W zależności od rodzaju narzędzi wymagania dotyczące stali do ich produkcji są różne.

Głównym wymaganiem dla stali na narzędzia skrawające jest obecność wysokiej twardości, która nie zmniejsza się w wysokich temperaturach powstających podczas obróbki metali przez cięcie (czerwony opór). Twardość narzędzi skrawających do metalu powinna wynosić R c = 60 ÷ 65. Ponadto stale na narzędzia skrawające muszą charakteryzować się wysoką odpornością na zużycie, wytrzymałością i zadowalającą udarnością.

Stale szybkotnące są najczęściej stosowane do produkcji narzędzi skrawających. Stal szybkotnąca jest stopem wieloskładnikowym i należy do klasy stali węglikowych (ledeburyt). Oprócz żelaza i węgla w jego składzie znajdują się chrom, wolfram i wanad. Głównym pierwiastkiem stopowym stali szybkotnącej jest wolfram. Najszerzej stosowane (tabela 3) są gatunki stali szybkotnącej P18 (18% W) i P9 (9% W).

Stal szybkotnąca uzyskuje wysoką twardość R C = 62 i odporność na czerwono po obróbce cieplnej, polegającej na hartowaniu i wielokrotnym odpuszczaniu.

Tabela 1

Skład chemiczny stali szybkotnącej

(zgodnie z GOST 5952-51)

gatunek stali
	C	W	Kr	V	Pon
R 18	0,70 – 0,80	17,5 – 19,0	3,8 – 4,4	1,04 – 1,4	≤0,3
R 9	0,85 – 0,95	8,5 – 10,0	3,8 – 4,4	2,0 – 2,6	≤0,3

Rysunek 3 przedstawia wykres obróbki cieplnej stali szybkotnącej R18.

Wybraliśmy go jako gatunek narzędzia do czystego frezowania, ponieważ... Ten gatunek stali odpowiada nam pod względem właściwości.

Obróbka cieplna stali szybkotnącej ma szereg cech, które zależą od jej składu chemicznego. Nagrzewanie stali szybkotnącej podczas hartowania prowadzi się do wysokiej temperatury (1260-1280°), niezbędnej do rozpuszczenia węglików chromu, wolframu i wanadu w austenicie. Do 800-850° nagrzewa się powoli, aby uniknąć dużych naprężeń wewnętrznych w stali ze względu na jej niską przewodność cieplną i kruchość, następnie szybko nagrzewa się do 1260-1280°, aby uniknąć rozrostu ziaren austenitu i odwęglenia . Chłodzenie stali szybkotnącej odbywa się w oleju. Szeroko stosowane jest także stopniowe hartowanie stali szybkotnącej w solach w temperaturze 500-550°.

Struktura stali szybkotnącej po hartowaniu składa się z martenzytu (54%), węglików (16%) i austenitu szczątkowego (30%). Po hartowaniu stal szybkotnąca poddawana jest wielokrotnemu odpuszczaniu w temperaturze 560°. Zazwyczaj odpuszczanie przeprowadza się trzykrotnie z czasem przetrzymywania wynoszącym 1 godzinę, aby zmniejszyć ilość austenitu szczątkowego i zwiększyć twardość stali. Podczas ekspozycji w temperaturze odpuszczania z austenitu uwalniają się węgliki, które po ochłodzeniu austenit przekształcają się w martenzyt. To tak, jakby nastąpiło wtórne stwardnienie. Struktura stali szybkotnącej po odpuszczaniu to odpuszczony martenzyt, silnie rozproszone węgliki i niewielka ilość austenitu szczątkowego. Aby jeszcze bardziej zmniejszyć ilość austenitu szczątkowego, stale szybkotnące poddaje się obróbce na zimno, którą przeprowadza się przed odpuszczaniem. Zastosowanie cyjanizacji niskotemperaturowej jest bardzo skuteczne w zwiększaniu twardości i odporności na zużycie.

Stale szybkotnące są szeroko stosowane do produkcji różnych narzędzi skrawających; Narzędzia wykonane z tych stali pracują z prędkościami skrawania 3-4 razy większymi od prędkości skrawania narzędzi wykonanych ze stali węglowych i zachowują właściwości skrawne po podgrzaniu w procesie skrawania do temperatury 600° - 620°.

Pytanie. 4 Wybierz najbardziej racjonalny i ekonomiczny gatunek stali do produkcji sprężyny, która po obróbce cieplnej powinna uzyskać wysoką elastyczność i twardość co najmniej 44 ... 45 HRC E. Podaj charakterystykę, wskaż skład stali, wybierz i uzasadnij tryb obróbki cieplnej. Opisać i naszkicować mikrostrukturę oraz właściwości stali po obróbce cieplnej.

Sprężyny służą do magazynowania energii (silniki sprężyn), do pochłaniania i pochłaniania wstrząsów, do kompensacji rozszerzalności cieplnej w mechanizmach rozdzielaczy zaworów itp. Odkształcenie sprężyny może objawiać się jej rozciąganiem, ściskaniem, zginaniem lub skręcaniem.

Zależność pomiędzy siłą P i odkształceniem sprężyny F nazywa się charakterystyką sprężyny.

Według podręcznika projektanta - inżynieria mechaniczna, autor. Anuriew. V.I. wybieramy najbardziej racjonalny i ekonomiczny gatunek stali:

Stal – 65G(stal manganowa) posiadająca elastyczność i twardość 42...48 HRC E. wg Requel. Obróbka cieplna stali: temperatura hartowania – 830°C, (w środowisku olejowym), odpuszczanie – 480°C. Wytrzymałość na rozciąganie (δ B) – 100 kg/mm², granica plastyczności (δ t) – 85 kg/mm 2, wydłużenie względne (δ 5) – 7%, zwężenie względne (ψ) – 25%.

Charakterystyka – wysokiej jakości stal sprężynowa o zawartości P – S nie większej niż 0,025%. Dzieli się na 2 kategorie: 1 – warstwa zdekarbonizowana, 2 – ze znormalizowaną warstwą dekarbonizowaną

Pytanie 5. Do produkcji tarcz sprężarek silników lotniczych wykorzystano stop AK4-1. Podaj opis, wskaż skład i charakterystykę właściwości mechanicznych stopu, sposób i charakter utwardzania stopu, metody zabezpieczenia przed korozją.

AK4-1 to stop na bazie aluminium, przetworzony na produkt poprzez odkształcenie, wzmocniony obróbką cieplną i odporny na ciepło.

Skład stopu: Mg – 1,4…1,8%. Cu – 1,9…2,5%. Fe – 0,8…1,3%. Ni – 0,8…1,3%. Ti – 0,02…0,1%, zanieczyszczenia do 0,83%. Wytrzymałość stopu na rozciąganie wynosi 430 MPa, granica plastyczności 0,2 - 280 MPa.

Stop z żelazem, niklem, miedzią i innymi pierwiastkami tworzącymi fazy wzmacniające

Pytanie 6. Ekonomiczne przesłanki stosowania materiałów niemetalicznych w przemyśle. Opisz grupy i właściwości tworzyw sztucznych wypełnionych gazem, podaj przykłady z każdej grupy, ich właściwości i zakres zastosowania w konstrukcjach lotniczych.

Ostatnio coraz częściej jako materiały konstrukcyjne stosuje się niemetaliczne materiały polimerowe. Główną cechą polimerów jest to, że mają one szereg właściwości, które nie są charakterystyczne dla metali i mogą stanowić dobry dodatek do metalowych materiałów konstrukcyjnych lub je zastąpić, a różnorodność właściwości fizykochemicznych i mechanicznych właściwych różnym rodzajom tworzyw sztucznych i materiałów łatwość przetwarzania na produkty Szeroko stosowany we wszystkich gałęziach budowy maszyn, produkcji instrumentów, produkcji aparatury i życiu codziennym. Masy plastyczne charakteryzują się niskim ciężarem właściwym (od 0,05 do 2,0 g/cm 3 ), mają wysokie właściwości izolacyjne, są odporne na korozję, mają szeroki zakres współczynników tarcia i wysoką odporność na ścieranie.

W przypadku konieczności uzyskania wyrobów charakteryzujących się odpornością antykorozyjną, kwasoodpornością, cichą pracą przy jednoczesnym zapewnieniu lekkości konstrukcji, masy plastyczne mogą służyć jako zamienniki metali żelaznych. Ze względu na przezroczystość i wysokie właściwości plastyczne niektórych rodzajów tworzyw sztucznych, znajdują one szerokie zastosowanie do produkcji szkła bezpiecznego dla przemysłu motoryzacyjnego. W produkcji wyrobów o wysokich właściwościach elektroizolacyjnych tworzywa sztuczne zastępują i wypierają porcelanę, mikę, ebonit i inne materiały pod wysokim napięciem. Wreszcie przepuszczalność pary, benzyny i gazu, a także wysoka odporność na wodę i światło w połączeniu z dobrym wyglądem zapewniają szerokie zastosowanie tworzyw sztucznych w wielu gałęziach przemysłu.

Z tworzyw sztucznych powstają wkłady łożyskowe, separatory, ciche przekładnie, łopatki wentylatorów, łopatki do pralek i mikserów, sprzęt radiowy, obudowy do radioodbiorników i zegarków, sprzęt elektryczny, rozdzielacze, ściernice, tkaniny wodoodporne i dekoracyjne oraz różne graficzne towary konsumpcyjne.

Tworzywa piankowe Są to lekkie, wypełnione gazem tworzywa sztuczne na bazie żywic syntetycznych. Tworzywa piankowe dzielą się na dwie grupy: 1 - materiały o wzajemnie połączonych porach - gąbki (gęstość poniżej 300 kg/m3), 2 - materiały o izolowanych porach - pianki (gęstość powyżej 300 kg/m3).

Właściwości tworzyw piankowych są bardzo zróżnicowane: niektóre mają twardość, jak szkło, inne mają elastyczność, jak guma. Wszystkie tworzywa piankowe dobrze nadają się do obróbki mechanicznej narzędziami stolarskimi, łatwo dają się w stanie nagrzanym prasować w produkty o skomplikowanych kształtach i sklejać. W przemyśle lotniczym tworzywa piankowe stosuje się jako wypełniacz pomiędzy dwiema powłokami w celu zwiększenia sztywności i wytrzymałości konstrukcji, a także jako materiał izolujący ciepło i dźwięk.

Cel pracy: badanie diagramów równowagi fazowej i przemian fazowych w binarnych stopach aluminium z innymi pierwiastkami.

Niezbędny sprzęt, urządzenia, narzędzia, materiały: piece muflowe, twardościomierz TK-2M, próbki duraluminium, stanowisko „Mikrostruktury stopów metali nieżelaznych”, mikroskop metalograficzny.

Informacje teoretyczne

Aluminium jest niezbędnym metalem szeroko stosowanym do produkcji różnych stopów aluminium.

Kolor aluminium jest srebrzystobiały z charakterystycznym matowym odcieniem. Aluminium krystalizuje w siatce przestrzennej sześcianu o powierzchni centrowanej, w którym nie wykryto żadnych przemian alotropowych.

Aluminium ma niską gęstość (2,7 g/cm3), wysoką przewodność elektryczną (około 60% przewodności elektrycznej czystej miedzi) i znaczną przewodność cieplną.

W wyniku utleniania aluminium tlenem atmosferycznym na jego powierzchni tworzy się ochronny film tlenkowy. Obecność tej warstwy wyjaśnia wysoką odporność na korozję aluminium i wielu stopów aluminium.

Aluminium jest dość odporne w normalnych warunkach atmosferycznych i na działanie stężonego (90-98%) kwasu azotowego, ale łatwo ulega zniszczeniu pod wpływem większości innych kwasów mineralnych (siarkowego, solnego) i zasad. Ma wysoką ciągliwość zarówno w stanie zimnym, jak i gorącym, jest dobrze spawany metodą zgrzewania gazowego i oporowego, ale jest słabo obrabiany przez cięcie i ma słabe właściwości odlewnicze.

Aluminium walcowane i wyżarzane charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi:  V= 80-100 MPa,  = 35-40%, NV = 250...300 MPa.

Podczas obróbki na zimno wytrzymałość aluminium wzrasta, a plastyczność maleje. Odpowiednio, w zależności od stopnia odkształcenia, rozróżnia się aluminium wyżarzane (AD-M), półodrobione na zimno (AD-P) i odrobione na zimno (AD-N). Wyżarzanie aluminium w celu usunięcia stwardnienia przeprowadza się w temperaturze 350…410 С.

Czyste aluminium ma różnorodne zastosowania. Półprodukty produkowane są z aluminium technicznego AD1 i AD zawierającego odpowiednio co najmniej 99,3 i 98,8% Al, - blachy, rury, profile, drut na nity.

W elektrotechnice aluminium zastępuje droższą i cięższą miedź w produkcji przewodów, kabli, kondensatorów, prostowników itp.

Najważniejszymi pierwiastkami wprowadzanymi do stopów aluminium są miedź, krzem, magnez i cynk.

Aluminium i miedź tworzą roztwory stałe o zmiennym stężeniu. W temperaturze 0°C rozpuszczalność miedzi w aluminium wynosi 0,3%, a w temperaturze eutektycznej 548°C wzrasta do 5,6%. Aluminium i miedź w stosunku 46:54 tworzą stabilny związek chemiczny CuAl 2.

Rozważmy stan stopów aluminiowo-miedziowych w zależności od ich składu i temperatury (rys. 1). Linia CDE na diagramie to linia likwidusu, a linia CNDF to linia solidusu. Poziomy odcinek linii solidusu NDF nazywany jest także linią eutektyczną.

Linia MN pokazuje zmienną temperaturowo rozpuszczalność miedzi w aluminium. W związku z tym linia MN jest granicą między nienasyconymi roztworami stałymi a roztworami nasyconymi. Dlatego linię tę często nazywa się również linią ograniczającą rozpuszczalność.

W obszarze I dowolny stop będzie jednorodnym ciekłym roztworem aluminium i miedzi, czyli AlCu.

R
Jest. 1. Diagram stanu układu Al–CuAl 2

W regionach II i III stopy będą częściowo w stanie ciekłym, a częściowo w stanie stałym.

W obszarze II fazą stałą będzie stały roztwór miedzi w aluminium, a fazą ciekłą będzie ciekły roztwór aluminium i miedzi, tj. Al(Cu) + (Al Cu), jeśli zgodzimy się oznaczać stały roztwór miedzi w aluminium o ograniczonej rozpuszczalności jako Al(Cu).

W obszarze III fazą ciekłą będzie także ciekły roztwór aluminium i miedzi, a fazą stałą będzie związek metalu CuAl 2, tj.
+ (Al Cu). Indeks „I” (pierwotny) wskazuje, że CuAl 2 powstał podczas krystalizacji ze stanu ciekłego.

W innych obszarach w pełni zestalone stopy będą miały następującą strukturę:

W obszarze IV występuje jednorodny stały roztwór miedzi w aluminium, tj. Al(Cu);

W rejonie V – stały roztwór miedzi w aluminium i wtórny
;

W rejonie VI - roztwór stały miedzi w aluminium, wtórnym CuAl 2 i eutektyce tj. Al(Cu) +
+Al(Cu) + CuAl 2 ;

W rejonie VII - pierwotny CuAl 2 i eutektyka, tj.
+Al(Cu) + CuAl 2 .

Eutektyka tych stopów jest specjalną mechaniczną mieszaniną naprzemiennych drobnych kryształków stałego roztworu miedzi w aluminium i związku metalu CuAl 2, tj. Al(Cu) + CuAl 2 .

Wszystkie stopy systemu Al – CuAl 2 można podzielić na cztery grupy ze względu na budowę i stężenie:

Grupa 1 zawiera miedź od 0 do 0,3%;

Grupa 2 zawiera miedź od 0,3 do 5,6%;

Grupa 3 zawiera miedź od 5,6 do 33,8%;

Grupa 4 zawiera miedź od 33,8 do 54%.

Rozważmy strukturę stopów układu Al – CuAl 2.

Na ryc. 2, A pokazuje strukturę stopu pierwszej grupy, składającego się z ziaren stałego roztworu miedzi w aluminium. Strukturę stopu drugiej grupy pokazano na ryc. 2, B: widoczne są ziarna stałego roztworu miedzi w aluminium oraz kryształy wtórnego CuAl 2,

Strukturę stopu podeutektycznego (stały roztwór miedzi w aluminium, kryształy wtórnego CuAl 2 i eutektyki) pokazano na rys. 2, V. Strukturę stopu eutektycznego – eutektycznego, składającego się z drobnych kryształków stałego roztworu miedzi w aluminium i CuAl 2 pokazano na rys. 2, G. Na ryc. 2, D Pokazano strukturę stopu nadeutektycznego, składającego się z kryształów pierwotnych CuAl 2 i eutektyki.

W stopach zawierających eutektykę zawartość miedzi można określić na podstawie ich struktury. Jednak w tym przypadku należy wziąć pod uwagę ilość miedzi występującej w eutektyce i roztworze stałym. Na przykład w stopie podeutektycznym zawierającym 30% eutektyki i 70% roztworu stałego ilość miedzi w eutektyce

i w roztworze stałym

W związku z tym badany stop zawiera k x + k y = 14,06% miedzi, co odpowiada punktowi A leżącemu na osi odciętych diagramu stanu układu Al – CuAl 2 (rys. 1).

Przy określaniu składu stopów nadeutektycznych oblicza się ilość miedzi występującej w eutektyce i w związku chemicznym
. Suma tych ilości będzie odpowiadać zawartości miedzi w stopie nadeutektycznym. Związek chemiczny CuAl 2 jest bardzo twardy i kruchy.

Duraluminium stosuje się do produkcji części i elementów konstrukcyjnych o średniej i dużej wytrzymałości (  V= 420...520 MPa), wymagające trwałości przy zmiennych obciążeniach w konstrukcjach budowlanych.

Z duraluminium wykonuje się poszycia, ramy, podłużnice i drzewce samolotów, ramy nośne i nadwozia samochodów ciężarowych itp.

Stopy Al i Si nazywane są siluminami. Mają dobre właściwości odlewnicze i zawierają 4...13% Si. Z diagramu fazowego tych stopów (rys. 3) wynika, że siluminy są stopami podeutektycznymi lub eutektycznymi zawierającymi w strukturze znaczne ilości eutektyki.

Jednak po odlaniu w normalnych warunkach stopy te uzyskują niezadowalającą strukturę, ponieważ eutektyka okazuje się grubo lamelarna, z dużymi wtrąceniami kruchego krzemu, co nadaje stopom niskie właściwości mechaniczne.

Na ryc. 4, A Przedstawiono strukturę siluminu gatunku AL2 zawierającego 11...13% Si. Zgodnie ze diagramem stanu stop aluminium i krzemu o tym składzie ma strukturę eutektyczną. Eutektyka składa się z  -stały roztwór krzemu w aluminium (jasne tło) oraz duże i delikatne kryształy krzemu w kształcie igieł. Igiełkowe uwolnienia cząstek krzemu tworzą wewnętrzne ostre nacięcia w ciągliwym aluminium i prowadzą do przedwczesnego uszkodzenia pod obciążeniem.

Ryż. 3. Diagram stanu układu Al – Si

Ryż. 4. Silumin: A– przed modyfikacją eutektyka gruboigłowa (Al-Si) i pierwotne wytrącanie krzemu; B– po modyfikacji, drobna eutektyka

(Al-Si) i dendryty stałego roztworu krzemu i innych pierwiastków w aluminium

Wprowadzenie modyfikatora zmienia charakter krystalizacji. Linie diagramu fazowego przesuwają się tak, że stop z zawartością 11...13% krzemu staje się podeutektyczny.

W strukturze pojawia się nadmiar jasnych ziaren  -roztwór stały (ryc. 4, B).

Modyfikator zmienia kształt cząstek krzemu: zamiast igieł wypadają małe, równoosiowe, które nie tworzą niebezpiecznych skupisk naprężeń podczas ładowania.

W wyniku modyfikacji wytrzymałość na rozciąganie tych stopów wzrasta od 130 do 160 MPa, a wydłużenie względne od 2 do 4%.

Stopy obrabiane ciśnieniowo zawierają mniej niż 1% krzemu. W stopach aluminium zawierających magnez krzem wiąże się z nim w stabilny związek metalu Mg 2 Si; z aluminium tworzy diagram fazowy typu eutektycznego z ograniczonymi roztworami stałymi (ryc. 5).

Związek Mg 2 Si charakteryzuje się dużą twardością, jego zmienna rozpuszczalność w aluminium pozwala na osiągnięcie znacznych twardości podczas obróbki cieplnej.

W elektrotechnice stosuje się stopy aluminium, takie jak Aldrey, stopowe z magnezem i krzemem. W miarę starzenia się stopów utwardzanych Mg 2 Si wypada z roztworu stałego i wzmacnia go. W wyniku tej obróbki możliwe jest uzyskanie wytrzymałości na rozciąganie do 350 MPa przy wydłużeniu względnym 10-15%. Znaczące jest, że przewodność elektryczna takiego stopu wynosi 85% przewodności elektrycznej przewodzącego aluminium. Dzieje się tak dlatego, że podczas starzenia Mg 2 Si jest prawie całkowicie usuwany z roztworu stałego, a stop składa się z czystego aluminium i fazy wzmacniającej (Mg 2 Si).

R
Jest. 6. Diagram stanu układu Al–Mg

Magnez tworzy stałe roztwory z aluminium, a także  -faza oparta na związku Mg 2 Al 3. Większość stopów aluminium zawiera nie więcej niż 3% magnezu, ale w niektórych stopach odlewniczych, takich jak magnez, jego zawartość sięga 12%.

Jak widać z rys. 6, eutektyka powstaje w stopach aluminium z magnezem. Rozpuszczalność magnezu w aluminium zmienia się znacznie w zależności od temperatury.

Przykładem jest stop AL8. W stanie odlanym ma strukturę składającą się z ziaren stałego roztworu magnezu w aluminium oraz wtrąceń kruchego związku Al 3 Mg 2.

Po odlaniu przeprowadza się homogenizację w temperaturze 430°C przez 15...20 godzin, a następnie hartowanie w oleju.

Podczas procesu homogenizacji wtrącenia Al 3 Mg 2 całkowicie przechodzą do roztworu stałego. Utwardzony stop uzyskuje wystarczającą wytrzymałość (  V= 300 MPa) i większą ciągliwość. Jednocześnie stop uzyskuje wysoką odporność na korozję. Starzenie się stopu AL8 jest szkodliwe: plastyczność gwałtownie spada, a odporność na korozję pogarsza się.

Cynk wprowadza się do niektórych wysokowytrzymałych stopów aluminium w ilościach do 9%. W stopach binarnych z aluminium w temperaturach powyżej 250°C cynk (w tych granicach) występuje w roztworze stałym (rys. 7).

Ryż. 7. Diagram stanu układu Al–Zn

Wszystkie stopy o wysokiej wytrzymałości mają złożony skład chemiczny. Zatem stop B95 zawiera 6% Zn, 2,3% Mg, 1,7% Cu, 0,4% Mn i 0,15% Cr. Cynk, magnez i miedź tworzą roztwory stałe oraz związki metali z glinem MgZn 2, Al 2 CuMg - faza S, Mg 4 Zn 3 Al 3 - faza T. Po podgrzaniu te związki metali rozpuszczają się w aluminium.

Na przykład w temperaturze 475 ºС rozpuszczalność MgZn 2 w aluminium wzrasta do 18% (ryc. 8).

Po hartowaniu i sztucznym starzeniu stop B95 ma  V= 600 MPa,  = 12%. Mangan i chrom wzmacniają efekt starzenia i zwiększają odporność stopu na korozję.

(waga)

Ryż. 8. Diagram stanu układu Al–MgZn 2

Zasady bezpieczeństwa

1. Podczas wykonywania mikroskrawków należy zachować wszelkie środki ostrożności i zasady bezpieczeństwa.

2. Podczas szlifowania mikroskraju należy częściej chłodzić próbkę, aby zapobiec poparzeniom palców.

3. Podczas trawienia cienkich skrawków używaj gumowych rękawiczek.

4. Badając strukturę stopu pod mikroskopem należy upewnić się, że jest on solidnie uziemiony.

5. Powinieneś używać wyłącznie narzędzi i sprzętu, które nadają się do użytku.

Porządek pracy

1. Przestudiuj diagram stanu stopów aluminium.

2. Podaj charakterystykę danego stopu (struktura, przemiany fazowe, skład, właściwości, zakres zastosowania).

3. Narysuj strukturę badanego stopu.

Szkice mikrostruktur badanych stopów ze wskazaniem faz i składników strukturalnych.

Kopiowanie podanego przez nauczyciela diagramu równowagi fazowej.

Dla stopu o zadanym składzie opis wszystkich przemian fazowych podczas ogrzewania lub chłodzenia oraz określenie składu chemicznego faz.

Pytania kontrolne

Dlaczego odporność na korozję wielu stopów aluminium jest niższa niż czystego aluminium?

Czy można określić rodzaj stopu na podstawie mikrostruktury stopu - odlewanego lub kutego?

Jaka jest struktura kutych stopów aluminium, których nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną?

Jak uzyskuje się wzmocnienie jednofazowych stopów aluminium?

Na czym polega wzmacniająca obróbka cieplna dwufazowych stopów aluminium?

Jaki jest cel utwardzania duraluminium?

Jakie są główne właściwości mechaniczne duraluminium?

Jakie stopy nazywane są siluminami?

Jaka jest wytrzymałość właściwa stopów aluminium?

Główne pierwiastki stopowe w stopach aluminium.

Cel pracy: badanie diagramów równowagi fazowej i przemian fazowych w binarnych stopach aluminium z innymi pierwiastkami.

Krótka informacja teoretyczna

Aluminium jest niezbędnym metalem szeroko stosowanym do produkcji różnych stopów aluminium.

Aluminium ma niską gęstość (2,7 g/cm3), wysoką przewodność elektryczną (około 60% przewodności elektrycznej czystej miedzi) i znaczną przewodność cieplną.

Aluminium walcowane i wyżarzane charakteryzuje się następującymi właściwościami mechanicznymi:  V= 80-100 MPa,  = 35-40 %, NV= 250...300 MPa.

Podczas obróbki na zimno wytrzymałość aluminium wzrasta, a plastyczność maleje. Ze względu na stopień odkształcenia wyróżnia się aluminium wyżarzane (AD-M), półodrobione na zimno (AD-P) i odrobione na zimno (AD-N). Wyżarzanie aluminium w celu usunięcia stwardnienia przeprowadza się w temperaturze 350…410 С.

W elektrotechnice aluminium zastępuje droższą i cięższą miedź w produkcji przewodów, kabli, kondensatorów, prostowników itp.

Najważniejszymi pierwiastkami wprowadzanymi do stopów aluminium są miedź, krzem, magnez i cynk.

W obszarze I dowolny stop będzie jednorodnym ciekłym roztworem aluminium i miedzi, czyli AlCu.

Ryż. 1. Diagram stanu układu Al–CuAl 2

W regionach II i III stopy będą częściowo w stanie ciekłym, a częściowo w stanie stałym.

W innych obszarach w pełni zestalone stopy będą miały następującą strukturę:

W obszarze IV występuje jednorodny stały roztwór miedzi w aluminium, tj. Al(Cu);

W rejonie V – stały roztwór miedzi w aluminium i wtórny
;

W rejonie VI - roztwór stały miedzi w aluminium, wtórnym CuAl 2 i eutektyce tj. Al(Cu) +
+Al(Cu) + CuAl 2 ;

W rejonie VII - pierwotny CuAl 2 i eutektyka, tj.
+Al(Cu) + CuAl 2 .

Eutektyka tych stopów jest specjalną mechaniczną mieszaniną naprzemiennych drobnych kryształków stałego roztworu miedzi w aluminium i związku metalu CuAl 2, tj. Al(Cu) + CuAl 2 .

Wszystkie stopy systemu Al – CuAl 2 można podzielić na cztery grupy ze względu na budowę i stężenie:

Grupa 1 zawiera miedź od 0 do 0,3%;

Grupa 2 zawiera miedź od 0,3 do 5,6%;

Grupa 3 zawiera miedź od 5,6 do 33,8%;

Grupa 4 zawiera miedź od 33,8 do 54%.

Rozważmy strukturę stopów układu Al – CuAl 2. Na ryc. 2, A pokazuje strukturę stopu pierwszej grupy, składającego się z ziaren stałego roztworu miedzi w aluminium. Strukturę stopu drugiej grupy pokazano na ryc. 2, B: widoczne są ziarna stałego roztworu miedzi w aluminium oraz kryształy wtórnego CuAl 2,

i w roztworze stałym

W związku z tym badany stop zawiera

k x + k y = 14,06% miedzi,

co odpowiada punktowi A leżącemu na osi odciętych diagramu stanu układu Al – CuAl 2 (rys. 1).

W technologii stosuje się głównie stopy aluminium zawierające 2...5% miedzi, zwane duraluminium. Są dobrze przetwarzane pod ciśnieniem i mają wysokie właściwości mechaniczne po obróbce cieplnej i hartowaniu na zimno. Duraluminium stosuje się do produkcji części i elementów konstrukcyjnych o średniej i dużej wytrzymałości (  V= 420...520 MPa), wymagające trwałości przy zmiennych obciążeniach w konstrukcjach budowlanych. Z duraluminium wykonuje się poszycia, ramy, podłużnice i drzewce samolotów, ramy nośne i nadwozia samochodów ciężarowych itp.

Ryż. 3. Diagram stanu układu Al – Si

Ryż. 4. Silumin: A– przed modyfikacją eutektyka gruboigłowa (Al-Si) i pierwotne wytrącanie krzemu; B– po modyfikacji, drobna eutektyka

(Al-Si) i dendryty stałego roztworu krzemu i innych pierwiastków w aluminium

Wprowadzenie modyfikatora zmienia charakter krystalizacji. Linie diagramu fazowego przesuwają się tak, że stop z zawartością 11...13% krzemu staje się podeutektyczny. W strukturze pojawia się nadmiar jasnych ziaren  -roztwór stały (ryc. 4, B). Modyfikator zmienia kształt cząstek krzemu: zamiast igieł wypadają małe, równoosiowe, które nie tworzą niebezpiecznych skupisk naprężeń podczas ładowania.

W wyniku modyfikacji wytrzymałość na rozciąganie tych stopów wzrasta od 130 do 160 MPa, a wydłużenie względne od 2 do 4%.

Stopy obrabiane ciśnieniowo zawierają mniej niż 1% krzemu. W stopach aluminium zawierających magnez krzem wiąże się z nim w stabilny związek metalu Mg 2 Si; tworzy z aluminium diagram fazowy typu eutektycznego z ograniczonymi roztworami stałymi ( Ryż. 5).

Związek Mg 2 Si charakteryzuje się dużą twardością, jego zmienna rozpuszczalność w aluminium pozwala na osiągnięcie znacznych twardości podczas obróbki cieplnej.

R
Jest. 6. Diagram stanu układu Al–Mg

Jak widać z rys. 6, eutektyka powstaje w stopach aluminium z magnezem. Rozpuszczalność magnezu w aluminium zmienia się znacznie w zależności od temperatury. Przykładem jest stop AL8. W stanie odlanym ma strukturę składającą się z ziaren stałego roztworu magnezu w aluminium oraz wtrąceń kruchego związku Al 3 Mg 2. Po odlaniu przeprowadza się homogenizację w temperaturze 430°C przez 15...20 godzin, a następnie hartowanie w oleju.

Ryż. 7. Diagram stanu układu Al–Zn

Na przykład w temperaturze 475 ºС rozpuszczalność MgZn 2 w aluminium wzrasta do 18% (ryc. 8).

Po hartowaniu i sztucznym starzeniu stop B95 ma  V= 600 MPa,  = 12%. Mangan i chrom wzmacniają efekt starzenia i zwiększają odporność stopu na korozję.

(waga)

Ryż. 8. Diagram stanu układu Al–MgZn 2

Zasady bezpieczeństwa

Porządek pracy

Szkice mikrostruktur badanych stopów ze wskazaniem faz i składników strukturalnych.

Kopiowanie podanego przez nauczyciela diagramu równowagi fazowej.

Dla stopu o zadanym składzie opis wszystkich przemian fazowych podczas ogrzewania lub chłodzenia oraz określenie składu chemicznego faz.

Pytania kontrolne

Dlaczego odporność na korozję wielu stopów aluminium jest niższa niż czystego aluminium?

Czy można określić rodzaj stopu na podstawie mikrostruktury stopu - odlewanego lub kutego?

Jaka jest struktura kutych stopów aluminium, których nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną?

Jak uzyskuje się wzmocnienie jednofazowych stopów aluminium?

Na czym polega wzmacniająca obróbka cieplna dwufazowych stopów aluminium?

Jaki jest cel utwardzania duraluminium?

Jakie są główne właściwości mechaniczne duraluminium?

Jakie stopy nazywane są siluminami?

Jaka jest wytrzymałość właściwa stopów aluminium?

Główne pierwiastki stopowe w stopach aluminium.

Stopy systemu Al-Mg obejmują dużą grupę stopów szeroko stosowanych w przemyśle: AMg0,5; ; ; ; ; ; . Wytwarza się z nich niemal wszystkie rodzaje półproduktów: blachy, płyty, odkuwki, wytłoczki, wyroby prasowane (pręty, profile, panele, rury) oraz drut. Wszystkie stopy rozważanej grupy są dobrze spawane wszystkimi rodzajami spawania.

Półprodukty z tych stopów charakteryzują się stosunkowo wysokim poziomem właściwości wytrzymałościowych w porównaniu do innych stopów nieutwardzalnych termicznie. Zatem minimalne wartości granicy plastyczności materiału arkuszowego (o grubości ~2 mm) w stanie wyżarzonym dla wskazanej serii stopów wynoszą odpowiednio 30, 40, 80, 100, 120, 150 i 160 MPa. Wytrzymałość na rozciąganie jest zwykle dwukrotnie większa od granicy plastyczności, co wskazuje na stosunkowo wysoką ciągliwość tych stopów. Jednak dość szybko twardnieją, co negatywnie wpływa na ich plastyczność technologiczną. Ta ostatnia maleje znacząco wraz ze wzrostem stężenia magnezu. Dlatego stopy o zawartości magnezu większej niż 4,5% można sklasyfikować jako stopy „półtwarde”, a nawet „twarde”.

Negatywna rola zwiększonej zawartości magnezu jest bardziej widoczna w produkcji wyrobów prasowanych. Stopy o dużej zawartości magnezu prasowane są z małymi prędkościami (kilkunastokrotnie mniejszymi niż np. niektóre stopy układu Al-Zn-Mg czy Al-Mg-Si), co znacząco zmniejsza produktywność tłoczni. Produkcja półproduktów walcowanych ze stopu AMg6 jest procesem pracochłonnym. Dlatego też w ostatnim czasie wysokostopowy magnez zaczęto zastępować bardziej zaawansowanymi technologicznie stopami, na przykład stopami opartymi na układzie Al-Zn-Mg (1935, 1915, 1911), które znacznie przewyższają stop AMg6 właściwościami wytrzymałościowymi (zwłaszcza w granica plastyczności) i nie ustępują mu pod względem wielu właściwości korozyjnych.

Jeszcze szersze zastosowanie znajdzie niskostopowy magnez o zawartości magnezu do 3% ze względu na wysoką odporność na korozję i ciągliwość. Według diagramu fazowego stopów Al-Mg, w temperaturze eutektyki 17,4% Mg rozpuszcza się w aluminium. Wraz ze spadkiem temperatury rozpuszczalność ta gwałtownie maleje i w temperaturze pokojowej wynosi około 1,4%.

Zatem stopy o dużej zawartości magnezu w normalnych warunkach wykazują przesycenie tym pierwiastkiem (w zależności od gatunku stopu), w związku z czym powinny wykazywać efekt starzenia. Jednakże zmiany strukturalne zachodzące w tych stopach podczas rozkładu roztworu stałego praktycznie nie mają wpływu na poziom charakterystyk wytrzymałościowych, a jednocześnie gwałtownie zmieniają odporność korozyjną półproduktów. Przyczyną tego nietypowego zachowania jest charakter rozkładu roztworu stałego i skład fazowy osadów. Ponieważ dla stopów Al-Mg górna granica temperatury tworzenia stref GP (lub krytyczna temperatura rozpuszczalności stref GP - t K) jest znacznie niższa od temperatury pokojowej, rozkład roztworu stałego następuje według mechanizmu heterogenicznego z tworzenie fazy przejściowej (B') i równowagi (B-Mg 2 Al3). Wydzielenia te zarodkują się niejednorodnie na stykach (ziarna, cząstki międzymetaliczne itp.) oraz dyslokacjach, dlatego ich udział w procesie utwardzania jest niewielki i jest całkowicie kompensowany stopniem zmiękczenia spowodowanego spadkiem stężenia magnezu w stałe rozwiązanie. Z tego powodu w praktyce nie obserwuje się efektu wzmacniania stopów tej grupy podczas rozkładu roztworu stałego podczas naturalnego lub sztucznego starzenia lub w różnych warunkach wyżarzania.

Faza B w obojętnym wodnym roztworze chlorków (3% NaCl) ma ujemny potencjał korozyjny równy - 0,930 V. W tym samym roztworze, ale przy niższych wartościach pH, czyli w środowisku kwaśnym, różnica potencjałów pomiędzy fazą a fazą roztwór stały, chociaż maleje, ale pozostaje dość duży: (-0,864 V) - - (-0,526 V) = 0,338 V. I odwrotnie, w środowisku alkalicznym (3% NaCl + 1% NaOH) aluminium i stopy aluminium zawierające 1 -9% Mg , stają się bardziej ujemne niż faza B, a różnica potencjałów dla skrajnych wartości wskazanego obszaru stężenia magnezu wynosi odpowiednio +0,24 i +0,18 V. Rozważane cechy zmian elektrochemicznych Charakterystyki poszczególnych składników konstrukcyjnych stopów A1-Mg w zależności od środowiska zewnętrznego są przede wszystkim i determinują odporność tych stopów MKK, RSK i KR.

Z powyższego wynika, że stopy o zawartości magnezu większej niż 1,4% mogą być potencjalnie wrażliwe na jeden, dwa lub wszystkie wymienione wcześniej rodzaje korozji. Jednakże duże doświadczenie w eksploatacji konstrukcji oraz liczne eksperymenty pokazują, że praktycznie stopy o stężeniu magnezu nieprzekraczającym 3,5% (AMrl, AMg2 i częściowo AMg3) nie wykazują wrażliwości na RS i RSC (rys. 56).

Badania mikroskopii elektronowej pokazują, że jest to spowodowane dyskretnym rozmieszczeniem cząstek fazy B wzdłuż granic ziaren ze względu na niskie przesycenie roztworu stałego. Dlatego proces korozji w środowisku obojętnym i kwaśnym ograniczony jest jedynie elektrochemicznym rozpuszczaniem tych cząstek, które wychodzą na powierzchnię stopu w bezpośrednim kontakcie z elektrolitem.

Stopy takie są odporne na korozję już w stanie odkształconym, tzn. chociaż obróbka na zimno przyspiesza rozkład roztworu stałego, nie zmienia charakteru rozkładu wydzieleń na granicach ziaren. Jednocześnie, dzięki korzystnemu wpływowi anizotropii strukturalnej w tym przypadku, znacznie wzrasta odporność na wżery korozyjne. Stopy o zawartości magnezu większej niż 3,5% (AMg3, AMg4), a zwłaszcza większej niż 5% (AMg5, AMg6) w pewnym stanie strukturalnym i w określonych warunkach środowiskowych mogą być wrażliwe na MCC i RSC, a także na CR.

W przypadku stopów układu Al-Mg czynniki elektrochemiczne w pękaniu korozyjnym odgrywają znacznie większą rolę niż w przypadku stopów innych układów. Dlatego też wskazane jest zapobieganie tworzeniu się warstwy fazy B wzdłuż granic ziaren, aby zwiększyć odporność Ramana. W warunkach produkcyjnych właśnie ta metoda zwiększania odporności Ramana magnalu średnio domieszkowanego znalazła szerokie zastosowanie.

W przypadku stopów niskostopowych o zawartości magnezu powyżej 1,4% zastosowanie metod obróbki cieplnej i termomechanicznej zapewniających równomierny rozkład fazy B odgrywa mniejszą rolę niż w przypadku stopów średnio- i wysokostopowych. Jednakże w stanie półutwardzonym uzyskanym za pomocą efektu LTMT, oprócz pojawienia się anizotropii strukturalnej, która hamuje głębsze rozprzestrzenianie się korozji, pozytywny wpływ wydaje się również mieć bardziej równomierny rozkład fazy B. Na przykład głębokość korozji blach ze stopu AMg2 poddanych TMT jest znacznie zmniejszona w porównaniu z głębokością korozji konwencjonalnych blach walcowanych na zimno.

Wzrost głębokości lokalnych uszkodzeń stopu AMg2 w stanie wyżarzonym w warunkach atmosfery morskiej można również częściowo wiązać z niejednorodnością wydzieleń fazy B. Zatem dla stopu AMg2 wskazane jest zastosowanie technologii pozwalającej na uzyskanie równomiernego rozkładu nadmiaru fazy. Jednak nawet przy zastosowaniu technologii konwencjonalnej, niska zawartość pierwiastków stopowych okazuje się czynnikiem decydującym o odporności korozyjnej tego stopu. Potwierdza to dość wysoka odporność korozyjna stopu AMg2 w różnych środowiskach.

Typowym przykładem jest zachowanie Magnalii w wodzie morskiej. Po 10 latach badań stop typu AMg2 uzyskał odporność na korozję bardzo bliską tej, jaką ma w atmosferze morskiej (Tabela 30).

Stop typu AMg4 charakteryzuje się znacznie większą głębokością wżerów korozyjnych w wodzie morskiej niż stop typu AMg2. W przypadku stopu typu AMg5 maksymalna głębokość wżerów wzrasta jeszcze bardziej gwałtownie.

Zatem w wodzie morskiej istnieje wyraźna korelacja pomiędzy wrażliwością na korozję strukturalną (tj. pękanie spowodowane korozją naprężeniową i korozją złuszczającą) a normalnym wżerem. Wraz ze wzrostem stopnia stopowania wzrasta przesycenie roztworu stałego, a co za tym idzie, wrażliwość na korozję strukturalną związaną z tendencją do selektywnego wytrącania fazy B. Pod tym względem w przypadku stopów AMg4, AMg5, a zwłaszcza AMg6 wzrasta rola czynników technologicznych determinujących równomierny rozkład fazy B w stopie.

Jednym ze skutecznych sposobów zwiększenia odporności na korozję magnalu średniostopowego jest TMT. Zgodnie z tym maksymalną odporność RSC i CR można osiągnąć tylko wtedy, gdy w półproduktach uformuje się poligoniczna struktura w połączeniu z równomiernym rozkładem drugiej fazy. Pozytywne rezultaty można uzyskać stosując także tryby wyżarzania w temperaturze poniżej granicy rozpuszczalności magnezu w aluminium w końcowym etapie obróbki. Należy wziąć pod uwagę, że półprodukty o różnym stopniu rekrystalizacji zachowują się inaczej. Obecnie konstrukcje wykonywane są z półproduktów wyżarzanych o strukturze częściowo (półfabrykaty prasowane i walcowane na gorąco) i całkowicie rekrystalizowanej (blachy i rury walcowane na zimno). Ponieważ korelacje pomiędzy parametrami technologicznymi a właściwościami korozyjnymi zmieniają się w zależności od charakteru konstrukcji, efekt wyżarzania będziemy rozpatrywać oddzielnie dla półproduktów odkształcanych na zimno i na gorąco.

Klasyfikacja stopów aluminium. Analiza uzyskanych wyników Diagram stanu glin-magnez

ostatnie wejścia