Aluminium i stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Aluminium i stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 156 JW Tablica 8.12 Orientacyjne w asno!ci i przyk ady zastosowania specjalnych stopów miedzi do przeróbki plastycznej (wg PN-92/H-87060) Cecha Orientacyjne w!asno$ci Przyk!ady zastosowania BK1 $ruby, szczególnie w $rodowisku morskim BK31 wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe, du"a odporno$( na korozj , dobra podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno; BK31 - du"a podatno$( na spawanie elementy konstrukcji spawanych BB1,7 BB2 BB21 BC2 bardzo wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe i spr "yste, bardzo du"a odporno$( na $cieranie i korozj , brak sk!onno$ci do iskrzenia, $rednie przewodnictwo elektryczne, podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno, szczególnie w stanie przesyconym; BB21 - podwy"szona skrawalno$( spr "yny, elementy spr "ynuj#ce i nara"one na $cieranie, narz dzia nieiskrz#ce BN2 wysokie w!asno$ci wytrzyma!o$ciowe, $rednie przewodnictwo elektryczne, podatno$( na przeróbk plastyczn# na zimno $ruby, osprz t Stopy oporowe miedzi s# stopami z niklem (do 41%), cynkiem (do 28%), manganem (do 13%), aluminium (do 3,6%) i "elazem (do 1,5%). Charakteryzuj# si stosukowo wysokim oporem elektrycznym (rezystywno$ci#) i ma!ym wspó!czynnikiem cieplnym oporu oraz stabilno$ci# obu tych w!asno$ci, dzi ki czemu s# stosowane do wyrobu elektrycznych oporników pomiarowych i rozruszników. Stopy te maj# struktur jednofazow#. Najbardziej znane, to omówione wy"ej konstantan, nikielina, manganin i nowe srebro (27% Zn, 18% Ni) oraz inmet albo nowokonstantan (12% Mn, 3% Al, 1% Fe). 9. Aluminium i stopy aluminium Aluminium jest pierwiastkiem metalicznym, krystalizuj#cym w uk!adzie regularnym p!askocentrycznym Al, o g sto$ci 2,7 g/cm3, temperaturze topnienia 660°C i temperaturze wrzenia 2450°C. Cechuje go dobra przewodno$( cieplna i elektryczna (ta ostatnia wynosi 66% przewodno$ci elektrycznej miedzi), du"y wspó!czynnik rozszerzalno$ci cieplnej (23,6 •10-6 1/°C) i do$( dobra odporno$( na korozj atmosferyczn# (aluminium samorzutnie tworzy na powierzchni cienk#, ale bardzo szczeln# i $ci$le przylegaj#c# warstewk tlenku aluminium, która zabezpiecza go przed dalszym utlenianiem) oraz na dzia!anie wody, niektórych kwasów organicznych. dwutlenku siarki i wielu innych zwi#zków chemicznych. Zwi kszenie odporno$ci korozyjnej aluminium (a tak"e jego stopów) uzyskuje si przez sztuczne wytwarzanie pow!oki tlenkowej b#d& chemicznie (alodynowanie) b#d& elektrochemi- cznie (eloksalacja). Obecnie proces eloksalacji jest powszechnie stosowany w budownictwie (blachy os!onowe, ramy okienne i drzwiowe), w przemy$le samochodowym, przy wyrobie naczy% i sprz tu gospodarstwa domowego Warstewka tlenków Al2O3 ma grubo$( 5 "30 $m, a jej porowato$( umo"liwia barwienie na dowolny kolor. 9.1. Aluminium technicznie czyste Zawiera 0,01-1,0% zanieczyszcze% (g!ównie "elazo, krzem, mied&, cynk i tytan. w mniejszych ilo$ciach Mg, Mn, Cr, V, Pb i Ni), zale"nie od sposobu oczyszczania. W Polsce, zgodnie z PN-79/H-82160, produkowane s# dwa rodzaje aluminium technicznie czystego: rafinowane, o zawarto$ci 99,995, 99,9 oraz 99,95% Al, i hutnicze, o zawarto$ci 99,8, 99,7, 99,5 i 99,0% Al. Aluminium rafinowane stosuje si przede wszystkim do budowy specjalnej aparatury chemicznej oraz na wyroby dla elektrotechniki i elektroniki, aluminium hutnicze - do produkcji kabli i przewodów elektrycznych, do platerowania, budowy aparatury chemicznej, farb i produkcji stopów aluminium. Ostatni gatunek aluminium hutniczego s!u"y ponadto do wyrobu docsity.com 157 JW naczy% kuchennych i przedmiotów codziennego u"ytku. Przyk!ady oznaczania gatunków aluminium technicznego: Al 99,99 R (rafinowane), Al 99,8 H (hutnicze), 99,7 HE (hutnicze dla elektrotechniki). Aluminium technicznie czyste jest metalem bardzo plastycznym, ale ma niewielk# wytrzyma!o$(, w zwi#zku z czym jego zastosowanie w budowie maszyn jest bardzo ograniczone. 9.2. Stopy aluminium Stopy aluminium s# obecnie po stopach "elaza najbardziej rozpowszechnionymi materia!ami konstrukcyjnymi, znajduj#cymi zastosowanie we wszystkich ga! ziach przemys!u. Szczególnie wa"nym tworzywem s# w budowie samolotów i statków ulicznych, przede wszystkim dzi ki wysokim wska&nikom w!asno$ci wytrzyma!o$ciowych odniesionych do g sto$ci (wytrzyma!o$ci w!a$ciwej). Na przyk!ad w samolocie „Caravelle" ró"ne stopy aluminium stanowi# 70% materia!ów konstrukcyjnych, stale - 26%, a inne tworzywa tylko 4%. Ogólnie stopy aluminium dziel# si na stopy odlewnicze i stopy do przeróbki plastycznej. Obie grupy s# w Polsce znormalizowane (tabl. 9.1 i 9.2). 9.2.1. Stopy aluminium odlewnicze Ta grupa stopów obejmuje 12 znormalizowanych gatunków. Cecha ka"dego stopu sk!ada si z litery A (stop aluminium), z litery K, G lub M (odpowiednio krzemowy, magnezowy lub miedziowy) oraz liczby okre$laj#cej zawarto$( procentow# g!ównego lub dwóch g!ównych sk!adników stopowych. W$ród odlewniczych stopów aluminium mo"na wyró"ni( stopy dwusk!adnikowe (Al-Si, Al-Cu i Al-Mg) oraz wielosk!adnikowe (Al-Si-Cu, Al-Si-Ms,, Al-Si- Cu-Mg-Ni, Al-Cu-Ni i Al-Cu-Ni-Mg). Stopy aluminium z krzemem jako g!ównym sk!adnikiem stopowym nosz# nazw siluminów. Pod wzgl dem zawarto$ci krzemu siluminy dziel# si na podeutektyczne 10% Si), eutektyczne (10 "13% Si) i nadeutektyczne (17 " 30% Si). Tablica 9.1 Sk ad chemiczny i g#sto!$ odlewniczych stopów aluminium (wg PN-76/H-88027) Sk!ad chemiczny, % (reszta aluminium) Cecha stopu Si Cu Mg Mn inne G sto$( g/cm3 AK20 20,0-23,0 1,1-1,5 0,5-0,9 0,1-0,3 0,8-1,1 Ni 2,60 AK12 11,5-13,0 0,8-1,5 0,8-1,5 - 0,8-1,3 Ni 2,72 AK11 10,0-13,0 - - - - 2,65 AK9 8,5-10,5 - 0,2-0,4 0,25-0,5 - 2,65 AK7 6,0-8,0 - 0,2-0,4 0,1-0,5 - 2,68 AK64 5,0-7,0 3,0-5,0 - 0,3-0,6 - 2,77 AK52 4,0-6,0 1,5-3,5 0,2-0,8 0,2-0,8 - 2,70 AK51 4,5-5,5 1,0-1,5 0,35-0,6 0,2+0,5 - 2,67 AG10 - - 9,0-11,0 - - 2,55 AG51 0,8-1,3 - 4,0-6,0 0,1-0,4 - 2,60 AM5 - 4,0-5,0 - - - 2,80 AM4 — 4,2-5,0 0,15-0,4 - 0,15-0,30 2,80 docsity.com 160 JW Rys. 9.4. Mikrostruktura siluminu nadeutektycznego (20% Si) przed modyfikacj#. Na tle eutektyki widoczne du"e kryszta!y fazy !. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Powi ksz. 100x Rys. 9.5. Mikrostruktura siluminu nadeutek- tycznego (20% Si) po modyfikacji. Na tle eutektyki widoczne drobne kryszta!y fazy !. Traw. 0,5% roztworem wodnym HF. Po- wi ksz. 100x Dwusk!adnikowe stopy Al-Cu charakteryzuj# si dobr# lejno$ci# i stosunkowo dobr# plastyczno$ci#, ale nisk# wytrzyma!o$ci#. Tote" ich zastosowanie z regu!y ogranicza si do wytwarzania galanterii sto!owej i innych odlewów, od których wymaga si dobrej plastyczno$ci. G!ówne zastosowanie przemys!owe maj# stopy wielosk!adnikowe, z których wytwarza si m.in. odlewy cz $ci samochodowych maszynowych $rednio i wysoko obci#"onych. Stopy Al-Cu podlegaj# obróbce cieplnej, powoduj#cej znaczny wzrost wytrzyma!o$ci, ale spadek plastyczno$ci. Stopy Al-Mg charakteryzuj# si wysok# odporno$ci# na korozj , do$( dobr# wytrzyma!o$ci# i plastyczno$ci#. Podobnie jak stopy Al-Cu, podlegaj# przesycaniu i starzeniu. Stopy te s# szczególnie odporne na obci#"enia dynamiczne, maj# !adny po!ysk i s# stosowane na cz $ci aparatury chemicznej, a tak"e w budowie okr tów i samolotów. 9.2.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej Stopy te mo"na podzieli( na dwie podgrupy: a) stopy stosowane bez obróbki cieplnej, b) stopy stosowane w stanie utwardzonym dyspersyjnie. Pierwsza podgrup tworz# stopy aluminium-mangan, aluminium-magnez i aluminium- magnez-mangan. Stopy aluminium-mangan umacnia si jedynie przez obróbk plastyczn# na zimno (zgniot). Wykazuj# one du"# plastyczno$(, dzi ki czemu dobrze si t!ocz#, ale ich wytrzyma!o$( niewiele przewy"sza wytrzyma!o$( czystego aluminium. Cenn# zalet# jest du"a odporno$( na korozj atmosferyczn#, na dzia!anie wody morskiej, olejów, materia!ów nap dowych i in. (w odró"nieniu od innych pierwiastków stopowych mangan podwy"sza odporno$( aluminium na korozj ). S# stopami spawalnymi. W lotnictwie stosuje si je m.in. na zbiorniki, przewody i elementy !#czne instalacji paliwowej i olejowej, owiewki, p!ywaki i pokrycia kad!ubów hydroplanów. Stopy aluminium-magnez mo"na obrabia( cieplnie, ale efekt tej obróbki jest niewielki, tote" praktycznie umacnia si je równie" tylko przez obróbk plastyczn# a zimno. W!asno$ci mechaniczne stopów aluminium-magnez zbli"one s# do w!asno$ci stopów aluminium-mangan, przy mniejszej jednak ich g sto$ci (2,6 g/cm3). Wadami s# gorsza obrabialno$( skrawaniem i gorsza odporno$( na korozj , zw!aszcza przy wi kszych zawarto$ciach magnezu. Do stopów tego typu cz sto wprowadza si dodatkowo mangan (kilka dziesi#tych procentu), który podwy"sza w!asno$ci mechaniczne i polepsza odporno$( na korozj . Zastosowanie stopów aluminium-magnez i aluminium-magnez-mangan w lotnictwie jest podobne jak stopów alumiium-mangan. Orientacyjne w!asno$ci mechaniczne omówionych stopów podano w tabl. 9.3. docsity.com 161 JW Tablica 9.3 Orientacyjne w asno!ci mechaniczne niektórych stopów aluminium do przeróbki plastycznej W!asno$ci mechaniczne Cecha stopu Typ stopu Stan stopu Rm, MPa R0,2 MPa A10,% wy"arzony 150 - 21 PA1 AI-Mn zgnieciony 190 - 4 PA43 wy"arzony 120 50 27 wy"arzony 190 80 23 PA2 pó!zgnieciony 250 210 6 PA11 AI-Mg wy"arzony 240 100 20 PA20 AI-Mg-Mn wy"arzony 300 160 17 Znacznie liczniejsz# podgrup stanowi# stopy aluminium przerabialne plastycznie, stosowane po umacniaj#cej obróbce cieplnej. Nale"# tu stopy Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg, Al-Zn-Mg-Cu, Al-Cu-Mn, Al-Cu-Mg-Mn, Al-Cu-Mg-Mn-Si wiele innych stopów wielosk!adnikowych. Niezale"nie od sk!adu chemicznego struktura tych stopów w stanie zbli"onym do równowagi sk!ada si ze stosunkowo mi kkiego i plastycznego roztworu sta!ego pierwiastków stopowych (ew. domieszek pochodz#cych z przerobu hutniczego) w aluminium i okre$lonych faz mi dzymetalicznych utworzonych b#d& przez aluminium i pierwiastki stopowe lub domieszki (np. Al2Cu, Al2CuMg, Al2Mg3Zn3 Al3Mg2 Al4Si2Fe i Al3Fe), b#d& przez pierwiastki stopowe mi dzy sob# (Mg2Si, MgZn2 i in). Wszystkie te fazy mi dzymetaliczne s# twarde i kruche i spe!niaj# w stopach rol sk!adnika utwardzaj#cego. Oczywi$cie stopie% utwardzenia stopu o danym sk!adzie chemicznym i fazowym jest zale"ny od wielko$ci, kszta!tu i rozmieszczenia kryszta!ów tych faz. Obróbka cieplna omawianych stopów polega wi c na: a) wprowadzeniu do roztworu sta!ego wydzielonych faz mi dzymetalicznych i uzyskaniu jednorodnego roztworu sta!ego sk!adników stopowych w aluminium (w temperaturze otoczenia b dzie to oczywi$cie roztwór przesycony, st#d nazwa obróbki - przesycanie), b) wydzieleniu z przesyconego roztworu sta!ego faz mi dzymetalicznych (czyli tzw. starzeniu). Wynika z tego, "e podstawowym warunkiem tej obróbki cieplnej, zwanej utwardzaniem wydzieleniowym, jest zmienna rozpuszczalno$( sk!adników stopowych w aluminium, wzrastaj#ca w miar podwy"szania temperatury a" do temperatury przemiany eutektycznej lub eutektoidalnej. Najwa"niejszym sk!adnikiem stopowym tej podgrupy stopów aluminium jest mied&, podwy"szaj#ca wytrzyma!o$( i twardo$(. Z aluminium mied& tworzy eutektyk o zawarto$ci 33% Cu (rys. 9.6), z!o"on# z kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego % miedzi w aluminium i kryszta!ów roztworu sta!ego granicznego & aluminium w fazie mi dzymetalicznej Al2Cu. W temperaturze eutektycznej (548°C) rozpuszczalno$( miedzi w aluminium wynosi 5,7%, w temperaturze otoczenia zaledwie 0,5% (wg niektórych danych rozpuszczalno$( miedzi w aluminium w temperaturze otoczenia jest mniejsza od 0,1%). Wynika z tego, "e stopy zawieraj#ce do 0,5% Cu s# stopami jednofazowymi %, stopy zawieraj#ce 0,5-5,7% Cu s# stopami dwufazowymi, sk!adaj#cymi si z roz tworu sta!ego % i wydzielonych wtórnych kryszta!ów fazy &. Stopy te mo"na jednk przez nagrzanie do odpowiedniej temperatury przekszta!ci( w stopy jednofazowe, czyli mo"na je obrabia( cieplnie. Przy zawarto$ci miedzi przekraczaj#cej 7% w strukturze stopów pojawia si eutektyka, której ilo$( jest oczywi$cie proporcjonalna do zawarto$ci miedzi w stopie. Stopy te równie" mo"na obrabia( cieplnie, ale efekt obróbki b dzie mniejszy, gdy" pierwotne kryszta!y fazy & wchodz#ce sk!ad eutektyki nie uczestnicz# w procesie dyspersyjnego utwardzania, a ponadto za & jest sk!adnikiem kruchym i w wi kszych ilo$ciach w stopach niepo"#danym dlatego zawarto$( miedzi w stopach do przeróbki plastycznej nie przekracza 5,5% (w stopach krajowych 4,8%). docsity.com 162 JW W stopach wielosk!adnikowych, a takimi s# przerabialne plastycznie stopy aluminium utwardzane wydzieleniowo, jak ju" wspomniano, tworz# si okre$lone fazy mi dzymetaliczne, których sk!ad chemiczny i ilo$( s# funkcj# sk!adu chemicznego stopu, a które równie" wykazuj# zmienn# rozpuszczalno$( w tworz#cym osnow stopu roztworze sta!ym. Najstarszymi stopami aluminium, maj#cymi zreszt# do dzi$ szerokie zastosowanie przede wszystkim w lotnictwie, s# durale (nazwa duraluminium lub krótko dural oznacza „twarde aluminium", z francuskiego dur — twardy). Rozró"nia si dwa rodzaje durali: bezcynkowe, których sk!ad chemiczny zawiera si w granicach:1 "5,2% Cu, 0,4 "1,8 Mg, 0,3 "1,0% Mn, max 0,7% Si, max 0,5% Fe max 0,5% Zn, oraz durale zawieraj#ce cynk, o sk!adzie: 1,4 " 2,0% Cu, 5 " 2,8% Mg, 0,2 " 0,9% Mn, 4,0 " 8,0% Zn, max 0,5% Si, max 0,5% Fe, ewentualnie kilka dziesi#tych procentu chromu. Do pierwszej grupy nale"# stopy PA6, PA7, do drugiej - stop PA9. Do durali bezcynkowych nale"# równie" stopy PA21, P23, PA24 i PA25. W duralach bezcynkowych g!ównymi dodatkami stopowymi umacniaj#cymi s# mied& i magnez. Mangan dodawany jest w celu polepszenia odporno$ci na korozj , pozosta!e pierwiastki s# nieuchronnymi zanieczyszczeniami. W stanie wy"arzonym, tj. w stanie zbli"onym do równowagi fazowej, struktura durali sk!ada si z roztworu sta!ego i wydziele% ró"nych faz mi dzymetalicznych (rys. 9.7), w stanie przesyconym - z roztworu sta!ego na osnowie aluminium i nie rozpuszczonych zwi#zków "elaza. Rys. 9.7. Mikrostruktura duralu (PA29) w stanie wy"arzonym. Widoczne du"e kryszta!y roztworu sta!ego bogatego w aluminium oraz ciemne wydzielenia mi dzymetalicznych faz umacniaj#cych (Al2Cu, Al.CuMg, Al2CuMg, Mg5Cu i in.). Traw. odczynnikiem o sk!adzie: l ml HF (30%) + 2,5 ml HNO + l,5 ml HCl + 95 ml H2O Powi ksz. 200x Durale zawieraj#ce cynk s# najbardziej wytrzyma!ymi stopami aluminium (po utwardzeniu dyspersyjnym Rm osi#ga warto$( do 600 MPa), wykazuj# jednak mniejsz# podatno$( do przeróbki plastycznej i nieco obni"on# odporno$( na korozj napr "eniow#. Blachy zabezpiecza si przed korozj# za pomoc# platerowania specjalnym stopem (Al+Zn), co jednak powoduje zmniejszenie ogólnej ich wytrzyma!o$ci, tym wi ksze, im wi kszy procent przekroju blachy stanowi warstwa platerowana (o stosunkowo ma!ej wytrzyma!o$ci). Platerowanie jako ochron przed dzia!aniem $rodowisk koroduj#cych stosuje si zreszt# równie" cz sto i dla durali bezcynkowych. W tym przypadku platerowanie wykonuje si czystym aluminium, przy czym grubo$( warstwy ochronnej wynosi 4 " 8% grubo$ci blachy (odkuwki, pr ty, rury, druty i kszta!towniki zabezpiecza si przed korozj# innymi metodami). Charakterystyk i zastosowanie znormalizowanych stopów aluminium do przeróbki plastycznej podano w tabl. 9.4. Rys. 8.6. Cz $( uk!adu równowagi mied&-cyna od strony miedzi docsity.com 165 JW temperatury E (powy"ej punktu D) spowoduje, "e b dzie on jednorodnym roztworem sta!ym %, gdy" kryszta!y fazy & ulegn# rozpuszczeniu. Je"eli stop ten zostanie z kolei szybko och!odzony od tej temperatury, wówczas faza & nie zd#"y si wydzieli( i otrzymamy roztwór sta!y przesycony. Stan taki jest nietrwa!y i je"eli stop b dzie starzony, czyli wygrzewany w nieco podwy"szonej temperaturze (rys. 9.9), to zaczn# w nim zachodzi( zmiany, które poprzez szereg studiów po$rednich doprowadz# w ko%cowym wyniku do wydzielenia si fazy &, czyli do ustalenia si stanu równowagi. Jednak je"eli temperatura starzenia nie jest dostatecznie wysoka, a czas starzenia nie jest zbyt d!ugi, zmiany zachodz#ce w przesyconym stopie nie przebiegaj# do ko%ca, a proces starzenia ulega zatrzymaniu na pewnym stadium po$rednim i nie dochodzi do wydzielenia si fazy &. Starzenie mo"e zachodzi( ju" w temperaturze pokojowej i wówczas nosi nazw starzenia naturalnego, je$li za$ odbywa si wskutek nagrzania stopu do okre$lonej temperatury, nosi nazw starzenia przyspieszonego. 9.3.2. Procesy zachodz"ce podczas starzenia W pocz#tkowym okresie procesu starzenia, nazywanym pierwszym stadium starzenia, atomy rozpuszczonego sk!adnika (np. miedzi) rozmieszczone przypadkowo w przesyconym roztworze sta!ym (rys. 9.10a) skupiaj# si w okre$lonych miejscach sieci krystalicznej (rys. 9. l0b). W wyniku tego procesu powstaj# wewn#trz kryszta!u submikroskopowe strefy o du"ej dyspersji o zwi kszonej zawarto$ci rozpuszczonego sk!adnika, zwane strefami Guiniera-Prestona lub w skrócie - strefami G-P (rys. 9.10). W stopach Al-Cu strefy G-P s# skupieniami atomów miedzi o kszta!cie podobnym do p!ytek, które s# u!o"one wzd!u" p!aszczyzn {100}. Grubo$( tych p!ytek jest rz du zaledwie kilku odst pów mi dzyatomowych, a $rednica ok. 100 A. Ich obecno$( mo"na wykry( metod# ma!ok#towego rozpraszania promieni X lub za pomoc# mikroskopu elektronowego. Tworzenie stref G-P powoduje powstawanie m.in. du"ych napr "e% w!asnych w krysztale oraz rozdrobnienie bloków mozaiki. Obecno$( stref G-P o du"ej dyspersji oraz zwi#zane z nimi zniekszta!cenia sieci krystalicznej, cznie utrudniaj# ruch dyskolacji, co w efekcie objawia si wzrostem twardo$ci wytrzyma!o$ci stopu. Rys. 9.10. Schemat zmian zachodz#cych w sieci przesyconego stopu AlCu4: a) rozmieszczenie atomów Cu (czarne kó!ka) po przesycaniu, b) powstawanie stref G-P, c) tworzenie si koherentnych wydziele% &'' i &', d) wydzielenia fazy & (Al2Cu) Nast pne stadium stanowi# koherentne1) wydzielenia po$rednie oznaczane symbolem &" (rys. 9.10c). Wydzielenia te o maksymalnej grubo$ci ok. 100 A i $rednicy ok. 1500 A maj# struktur tetragonaln#, której parametry a i b s# zgodne z parametrem komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie wi kszy. Wydzielenia te równie" powoduj# umocnienie starzonego stopu. Rys. 9.9. Fragment uk!adu równowagi Al- Cu oraz schemat przebiegu obróbki cieplnej polegaj#cej na przesycaniu i starzeniu docsity.com 166 JW Kolejna faza po$rednia &' jest tak"e tetragonaln#, ale o innym parametrze c ani"eli faza &". Tworzenie si wydziele% &' powoduje ju" spadek twardo$ci stopu. Faza & (Al.2Cu) ma równie" struktur tetragonaln#, ale nie jest ju" koherentna z sieci# osnowy. Jej tworzenie si zawsze prowadzi do spadku twardo$ci stopu, powa" zanikaj# napr "enia zwi#zane z koherencj# (rys. 9.10d). Kolejne przeobra"enia struktury wydziele% w stopach Al-Cu zachodz#ce w czasie starzenia mo"na wi c przedstawi( nast puj#cym szeregiem: (strefy G-P) ' &" ' &' ' & (AL2Cu) Wszystkie powy"sze stadia wyst puj# wówczas, gdy zawarto$( miedzi w stopie stosunkowo du"a (ok. 4,5%), a temperatura starzenia niezbyt wysoka (do ok. 190°C). Je"eli starzenie odbywa si w wy"szych temperaturach (np. ok. 190°C) niektóre stadia po$rednie mog# nie wyst#pi(, co uwidacznia si w przebiegu zmiany twardo$ci podczas starzenia. W stopach Al-Cu starzonych naturalnie, tj. w temperaturze pokojowej, wyst puje tylko pierwsze i drugie stadium starzenia, tj. utworzenie si stref G-P oraz koherentnej fazy &". Dalsze stadia starzenia zachodz# w temperaturze wy"szej od temperatury otoczenia. Stopie% utwardzenia stopu jest zwi#zany z krytyczn# dyspersj# stref G-P i koherentnych wydziele%. Je"eli w danej temperaturze proces starzenia ulegnie zbytniemu przed!u"eniu, nast puje koagulacja i wzrost wielko$ci wydziele%. Ma!e wydzielenia ulegaj# wtórnemu rozpuszczeniu, a ich kosztem rosn# wydzielenia wi ksze, których dyspersja jest mniejsza. Powoduje to zmniejszenie twardo$ci i spadek umocnienia stopu, o którym mówimy wówczas, "e jest przestarzony. Sk!adnikami konstrukcyjnych stopów aluminium, które maj# techniczne znaczenie, s#, jak ju" wspomniano poprzednio, takie pierwiastki jak Cu, Si, Mg, Mn, Zn. Metale te tworz# graniczne roztwory sta!e w Al, charakteryzuj#ce si spadkiem rozpuszczalno$ci w stanie sta!ym wraz z obni"aniem si temperatury (rys. 9.11). Stopy te mo"na wi c umacnia(, poddaj#c je obróbce cieplnej polegaj#cej na przesycaniu i starzeniu. Oprócz stopów podwójnych równie" stopy potrójne i poczwórne na bazie Al mo"na umacnia( dyspersyjnie, przy czym obróbka cieplna takich stopów wielo- sk!adnikowych jest z regu!y bardziej skuteczna, ani"eli stopów podwójnych. Jako przyk!ad mo"na tu wymieni( stopy: Al-Mg-Si, Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg. W przypadku wielosk!adnikowych stopów Al zamiast fazy & (Al.2Cu) tworz# si inne fazy mi dzymetaliczne, które spe!niaj# analogiczn# rol . W stopach uk!adu Al-Mg-Si tworzy si np. faza ! (Mg2Si), w stopach Al-Cu-Mg — faza # (Al2CuMg), a w stopach Al-Zn-Mg — faza M (Mg2Zn). 9.3.3. Zmiany w asno!ci mechanicznych stopów Al zachodz"ce pod wp ywem obróbki cieplnej W stanie wy"arzonym stop aluminium zawieraj#cy ok. 4% Cu ma wytrzyma!o$( na rozci#ganie Rm ( 200 MPa. Bezpo$rednio po przesycaniu, tj. gdy zaraz po tej operacji nast puje próba rozci#gania, wytrzyma!o$( jest nieco wi ksza i w przybli"eniu wynosi 250 MPa (rys. 9.12). Szybkie ch!odzenie po wygrzewaniu rozpuszczaj#cym powoduje pewne niewielkie zmiany w!asno$ci mechanicznych, przede wszystkim na skutek tego, "e atomy sk!adnika rozpuszczonego (tj. miedzi) oraz defekty punktowe znajduj# si w osnowie w nadmiarze w stosunku do stanu równowagi w temperaturze pokojowej. Rys. 9.11. Krzywe granicznej rozpuszczalno$ci poszczególnych sk!adników stopowych w aluminium w stanie sta!ym docsity.com 167 JW Rys. 9.12. Zmiana wytrzyma!o$ci stopu A1Cu4 podczas starzenia naturalnego Natomiast starzenie przesyconego stopu powoduje znaczne zmiany w!asno$ci mechanicznych. Wytrzyma!o$( na rozci#ganie znacznie si zwi ksza i dla stopu AlCu4 osi#ga warto$( ok. 400 MPa, a wi c wzrasta prawie dwukrotnie, natomiast w!asno$ci plastyczne (wyd!u"enie i przew "enie) oraz udarno$( malej#. Maksymalna wytrzyma!o$( stop ten uzyskuje po starzeniu naturalnym (tj. w temperaturze 3°C) po up!ywie 4 "5 dni od chwili przesycania. Typowy przebieg krzywej obrazuj#cej zmian wytrzyma!o$ci stopu Al-Cu podczas starzenia naturalnego pokazano na rys. 9.12. W pocz#tkowym stadium starzenia istnieje okres inkubacyjny, w którym nie stwierdza si jeszcze wzrostu wytrzyma!o$ci. Dla procesów technologicznych okres ten ma du"e znaczenie, poniewa" stop wykazuje w tym okresie du"# plastyczno$(, co umo"liwia poddawanie przedmiotów przesycanych ró"nym operacjom technologicznym po!#czonym z odkszta!caniem (zakuwanie nitów, gi cie, t!oczenie itp.). D!ugo$( okresu inkubacyjnego jest ró"na dla stopów aluminium o ró"nym sk!adzie chemicznym i zale"y od temperatury, w której stop jest starzony. Dla stopów Al-Cu kres ten w temperaturze pokojowej wynosi ok. 2 "3 godzin. Szybko$( starzenia i umocnienie stopów zale"y w du"ym stopniu od temperatury. Wykres widoczny na rys. 9.13 przedstawia zale"no$( wytrzyma!o$ci na rozci#ganie duralu, tj. stopu Al- Mg-Cu (o zawarto$ci oko!o 4% Cu i 1% Mg), od czasu starzania w ró"nych temperaturach w zakresie 50 " 200°C. W niskich temperaturach (-5°, -50°C) zbyt ma!e strefy G-P i zbyt ma!a ich ilo$( nie daje dostatecznego umocnienia stopu. W temperaturze zbyt wysokiej (+200°C) powstaj# ju" wydzielenia fazy &, a po d!u"szym przetrzymywaniu w tej temperaturze nast puje ich koagulacja i wytrzyma!o$( stopu spada. Na rysunku 9.13 wida(, "e umocnienie stopu do 420 MPa mo"na osi#gn#( po oko!o 24 godzinach starzenia w temperaturze 100°C, stosuj#c jednak starzenie naturalne mo"na po d!u"szym okresie czasu uzyska( wi ksze umocnienie. Rys. 9.13. Krzywe starzenia duralu w ró"nych temperaturach docsity.com