Stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki z Materiały inżynieryjne

Pobierz Stopy aluminium - Notatki - Materiałoznastwo i więcej Notatki w PDF z Materiały inżynieryjne tylko na Docsity! 14. STOPY ALUMINIUM 14.1. Wprowadzenie Aluminium - Al (glin) ze względu na niskie właściwości wytrzymałościowe (Rm = 68-115 MPa, A= 18-45%, Z = 4 0 - 9 5 % , HB = 15-20) nie znaj- duje szerszego zastosowania w budowie maszyn. Rodzaje technicznie czystego aluminium podaje PN-79/H-82160. Ze względu na małą gęstość - 2,7 g/cm3 oraz znaczną odporność na działanie korozji aluminium znajduje zastosowanie w przemyśle chemicznym i spożywczym, a ze względu na wysoką przewodność elektryczną - w przemyśle elektroenergetycznym. Przemysł maszynowy oraz środków transportu wykorzystuje powszechnie liczne odmiany stopów aluminium, których podział, obróbkę cieplną i za- stosowanie przedstawiono w tym rozdziale. 14.2. Pierwiastki w stopach aluminium Wytwarzając stopy metali zmierza się do zwiększenia właściwości wy- trzymałościowych materiałów konstrukcyjnych, w porównaniu do podstawo- wego składnika, jakim w tym wypadku, jest aluminium. Pierwiastki stopowe wprowadzane do aluminium, powodują bezpośredni wzrost właściwości wy- trzymałościowych utworzonych stopów, a w wielu wypadkach umożliwiają także ich obróbkę cieplną, pozwalającą na dalszy wzrost tych właściwości. Najczęściej dodawanymi do aluminium pierwiastkami stopowymi są: Cu-miedź, Si-krzem, Mg-magnez, Zn-cynk, Mn-mangan, a niekiedy ponadto: Ni-nikiel, Fe-żelazo, Cr-chrom, Co-kobalt i inne. Sumaryczna zawartość dodatków stopowych w procentach wagowych ogranicza się od kilku do 20%. Praktycznie używane stopy aluminium można zilustrować schematem za- proponowanym przez D. Altenpohla (rys. 14.1). Trzeba podkreślić, iż schemat ten, w zakresie możliwości obróbki cieplnej stopów aluminium, należy traktować orientacyjnie. Aktualnie wybrane grupy stopów Al-Mg oraz Al-Mg-Mn poddawane są również obróbce cieplnej z pozytywnym skutkiem. docsity.com 220 Cu A l - C u - M g A l - M g - S i Mg A l - Z n - M g Al Zn A l - S i - C u Stopy podlegające obróbce cieplnej Al-Mg (0,5-9,0%) Si Al -Mg-Mn Mn A l - M n A l - S i Stopy nie podlegajcjce obróbce cieplnej Rys. 14.1. Schemat ilustrujący dobór pierwiastków w technicznych stopach aluminium wg. D. Altenphola Pierwiastki stopowe występujące w stopach aluminium mogą rozpuszczać się w składniku podstawowym lub tworzyć z nim fazy międzymetaliczne. Pierwiastki rozpuszczające się w aluminium tworzą od strony Al roztwory graniczne, o zmiennej rozpuszczalności wraz ze zmianą temperatury, co ilustruje rys. 14.2. Inne pierwiastki, występujące w stopach aluminium, tworzą ze składnikiem podstawowym fazy międzymetaliczne (na ogół twarde i kruche), którym odpowiadają wzory: Al2Cu, Al3Mg2, Al3Fe, Al4SiFe itd. Fazy między- metaliczne mogą powstać też z połączenia pierwiastków wprowadzonych do aluminium np.: Mg2Si, MgZn2 itp. Fazy te krystalizują najczęściej na grani- cach ziarn roztworu granicznego (bogatego w aluminium) a, lub w prze- strzeniach międzydendrytycznych. Są łatwe do ujawnienia podczas badań mikroskopowych. Aluminium jest odporne na działanie tlenu i wielu środowisk chemicznie czynnych, tzn. jest odporne na działania korozyjne. Na powierzchni metalu tworzy się wskutek działania tlenu cienka (0,01 — 0,02 μm) warstwa tlenków Al2O3, która może być skutecznie zwiększona (do 5 — 30 μm). Ciągła, szczelna i nierozpuszczalna warstwa tlenków chroni metal przed korozją. Wskutek działania kwasów organicznych na tlenki aluminium nie tworzą się związki toksyczne, co pozwala stosować aluminium do produkcji i przechowywania środków spożywczych. Aluminium jest całkowicie odporne na korozję atmo- sferyczną, przy nieco mniejszej odporności na działanie atmosfery przemys- łowej i morskiej. Jest też odporne na działanie wodoru, chloru, bromu, jodu i fluoru, wody utlenionej oraz siarki i jej związków. Aluminium nie jest odporne na działanie kwasów, z wyjątkiem kwasu azotowego. docsity.com 223 Tablica 14.1 Sposób oznaczania stanu stopu aluminium, wg PN-71/H-01706 Lp. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Nazwa stanu Ujednorodniony Rekrystalizowany Rekrystalizowany do wymaganej wielkości ziarna Odprężony Utwardzony wydzieleniowo Naturalnie utwardzony wydzieleniowo Sztucznie utwardzony wydzieleniowo Naturalnie starzony Sztucznie starzony Przesycony Przesycony i zgnieciony Zgnieciony: ćwierćtwardy półtwardy twardy sprężysty podwójnie sprężysty Oznaczenie stanu j r rw o t ta tc tc td te tf z2 z4 z6 z8 z9 14.3.1. Odlewnicze stopy aluminium Odlewnicze stopy aluminium odznaczają się dobrą lejnością, tj. rzadkop- łynnością umożliwiającą dobre wypełnienie formy, minimalną skłonnością do powstawania wad skurczowych i porowatości gazowej, co zapewnia dobrą szczelność odlewów. Ważną ich cechą jest spawalność. Stopy odlewnicze mogą być dwuskładnikowe: Al-Si, Al-Mg, Al-Cu, trój- składnikowe: Al-Si-Cu lub wieloskładnikowe Al-Si-Mg-Cu-Ni itp. PN-76/H-88027 uwzględnia osiem gatunków odlewniczych stopów aluminium z krzemem (AK20, AK12, AK11, AK9, AK7, AK64, AK52 oraz AK57), dwa gatunki aluminium z magnezem (AG10 i AG51) oraz dwa gatunki aluminium z miedzią (AM5 i AM4); do dwuskładnikowych zalicza się (AK11, AG10 i AM5), do trójskładnikowych (AK9, AK7, AK64, AK52, AK51, i AG51) i wieloskładnikowych pozostałe. Gatunek stopu określa się za pomocą znaku lub cechy. Znak stopu tworzy się podając symbolami pierwiastków skład chemiczny stopu (np. AlSi11). Cecha zaś składa się z dwóch liter, przy czym pierwszą z nich jest zawsze litera A (co oznacza stop aluminium), natomiast druga litera jest symbolem nazwy głównego dodatku w stopie, przy czym litera K - oznacza krzem, G - mangez, M - miedź. Po drugiej literze występuje cyfra albo liczba, która oznacza zawartość procentową głównego składnika stopowego (jeśli jego docsity.com 224 zawartość jest znaczna i jeżeli poza nim nie ma w stopie innych składników stopowych), lub również zawartość procentową drugiego składnika w wypad- ku, gdy ilość pierwszego składnika stopowego nie przekracza 9%. Skład chemiczny stopów odlewniczych przytoczono w tablicy 14.2, a ich właściwości oraz zastosowanie w tablicy 14.3. Z tablicy 14.2 wynika, iż większość stopów odlewniczych to stopy alu- minium z krzemem oraz innymi pierwiastkami. Stopy aluminium z krzemem, zwane siluminami, zostaną omówione na podstawie układu równowagi fazowej Al-Si, przedstawionego na rys. 14.4. Z rysunku wynika, iż stopy w układzie Al-Si krzepnąc tworzą eutektykę przy zawartości 12,6% Si i temperaturze 577°C. Eutektyka składa się z roztworu stałego granicznego krzemu w alumi- nium - a i krzemu - Si. Większość stopów o składzie eutektycznym krzepnie w postaci drobno- ziarnistej mieszaniny faz. W stopach Al-Si natomiast eutektyka jest gruboziar- nista (fot. 14.1). W siluminach nadeutektycznych prócz eutektyki występują też duże, najczęściej o kształcie wieloboków, pierwotne kryształy (fot. 14.2), a stopach podeutetycznych - pierwotne kryształy a, na tle eutektyki. Grubo- ziarnista budowa eutektyki nie jest korzystna z punktu widzenia właściwości wytrzymałościowych i odporności korozyjnej stopu. Właściwości mechaniczne i technologiczne stopów odlewniczych alumi- nium zależą od ich składu chemicznego oraz technologii odlewania. Zasad- niczy wpływ na właściwości stopu wywierają: temperatura przegrzania i od- lewania stopu, szybkość chłodzenia, rafinacja, modyfikacja oraz konstrukcja i materiał formy odlewniczej. Dobierając we właściwy sposób wszystkie wymienione czynniki, można osiągnąć znaczny wzrost wytrzymałości wyrobów odlewanych (niekiedy o 50 do 100%) oraz ich właściwości plastycznych w odniesieniu do wartości wymaganych przez PN dla odpowiednich gatunków stopów. 14.3.2. Modyfikacja stopów Powszechnie stosowanym sposobem zwiększania właściwości wytrzymało- ściowych odlewniczych stopów aluminium jest ich modyfikacja. Modyfikowa- niem określa się proces zmiany struktury stopu odlewniczego w wyniku działania niewielkich ilości (0,1% ciężaru stopu) specjalnie wprowadzonych do ciekłego metalu dodatków (modyfikatorów)1). Rola modyfikatora polega na zmianie napięcia powierzchniowego na granicach kryształów, co sprzyja zwiększeniu prędkości zarodkowania i trwa- 1) Modyfikatory - zmieniacze struktury stopu, wprowadzane jako ciało stałe, o wymaganej granulacji, do ciekłego stopu w celu wytworzenia dodatkowych zarodków krystalizacji. docsity.com T ab lic a 14 .2 O dl ew ni cz e st op y al um in iu m , w g PN -7 6/ H -8 80 27 G at un ek Z na k A lS i2 1C uN i A lS il 3M gl C uN i A lS i1 1 A lS i9 M g A lS i7 M g A lS i6 C u4 A lS i5 C u2 A lS i5 C ul A lM g1 0 A lM g5 Si l A lC u4 A lC u4 T iM g C ec ha A K 20 A K 12 A K 11 A K 9 A K 7 A K 64 A K 52 A K 51 A G 10 A G 51 A M 5 A M 4 P os ta ć gą sk a, od le w gą sk a, od le w , gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą sk a, od le w gą ak a, od le w Sk ła d ch em ic zn y [% ] Si 20 ,0 -2 3, 0 11 ,5 -1 3, 0 10 ,0 -1 3, 0 8, 5- 10 ,5 6 ,8 -8 ,0 5 ,0 -7 ,0 4, 0- 6, 0 4 ,5 -5 ,5 - 0 ,8 -1 ,3 - - C u 1 ,1 -1 ,5 0 ,8 -1 ,5 - - - 3 ,0 -6 ,0 1 ,5 -3 ,5 1 ,0 -1 ,5 - — 4 ,0 -5 ,0 4 ,2 -5 ,0 M g 0 ,6 -0 ,9 0 ,5 -0 ,9 1 ,0 -1 ,5 0 ,8 -1 ,5 - 0, 25 -0 ,4 0 ,2 -0 ,4 0, 25 -0 ,4 0 ,2 -0 ,4 - 0 ,3 -0 ,8 0 ,2 -0 ,8 0 ,4 -0 ,6 0, 35 -0 ,6 9, 5- 11 ,0 9 ,0 -1 1 ,0 4, 5- 6, 0 4, 0- 6, 0 - 0 ,2 -0 ,4 0, 15 -0 ,4 M n 0 ,1 -0 ,3 - - 0, 25 -0 ,5 0 ,1 -0 ,5 0 ,3 -0 ,6 0 ,2 -0 ,8 0 ,2 -0 ,5 - 0 ,1 -0 ,4 - — N i 0 ,8 -1 ,1 0 ,8 -1 ,3 - - - - - - - — - T i - - - - - - - - - - - 3, 15 -0 ,3 0 A l re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta re sz ta Su m a za ni ec zy sz cz eń l p 1) - - 2, 1 2, 2 1, 0 1, 1 1, 0 1, 1 4, 0 4, 1 1, 3 1, 4 1, 0 1, 1 0, 7 0, 7 0, 6 2, 0 2, 1 0, 6 0, 7 l k 2) 0, 8 0, 9 0 , 9 1, 0 2, 2 2, 3 1, 2 1, 3 1, 3 4, 2 4, 3 1, 5 1, 6 1, 3 0, 7 0, 7 0, 6 2, 1 2, 2 0, 6 0, 7 l c 3) - - 2, 6 2 , 8 1, 4 1, 5 1, 4 1, 5 4, 4 4, 6 1, 8 2, 0 1, 5 1, 7 - 0, 6 - - 1) l p - od le w w f or m ac h pi as ko w yc h, 2) l k - o dl ew w f or m ac h m et al ow yc h (k ok ila ch ), 3) l c - od le w p od ci śn ie ni em . 225 docsity.com 228 Rys. 14.4 Układ równowagi fazowej Al-Si (a) z zaznaczonym skutkiem oddziaływania procesu modyfikowania - linie przerywane oraz krzywe chłodzenia (b): 1 - stopu eutektycznego be2 modyfikowania, 2 - po modyfikowaniu łości zarodków krystalizacji o małych wymiarach oraz powstawaniu błonek absorbcyjnych na powierzchni kryształów, utrudniających dyfuzję atomów krzepnącego ciała do powierzchni kryształów, co hamuje ich rozrost, Zmniej- szenie prędkości wzrostu kryształów wywołuje zwiększenie ośrodków krys- talizacji, a więc w efekcie rozdrobnienie struktury. Modyfikator może spowodować: a) zmianę wymiarów ziarn pierwotnych (dendrytów) i innych produktów krystalizacji pierwotnej; b) zmianę wewnętrznej budowy ziarn pierwotnych oraz zmniejszenie ich wymiarów, a przez to bardziej równomierne rozmieszczenie faz wtórnych c) zmianę budowy eutektyki (w stopach zawierających łatwotopliwe eutektyki oraz przemieszczenie punktu eutektycznego (jego składu chemicznego i temperatury). a) 1500 1414oC 1400 1300 L 1200 b) 1100 1 2 T em p er at u ra T em pe ra tu ra ,° C 1000 900 L+Si 800 700 660 600 577 °C 664°C 500 400 α=Si α 300 200 100 Al 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Si Czas% wagowy Si docsity.com 229 W stopach eutektycznych aluminium - krzem, tj. w siluminach (najczęściej poddawanych modyfikacji), na miejsce przypadek „c", tj. zmiana budowy eutektyki (jej rozdrobnienie) i przemieszczenie punktu eutektycznego. W praktyce, dla zmodyfikowania siluminów wprowadza się do ciekłego stopu albo sód metaliczny w ilości 0,1 — 0,2% ciężaru stopu, albo fluorek sodu w ilości 0,6 — 2,0% ciężaru stopu; spotyka się też modyfikowanie siluminu mieszaniną fluorku sodu z chlorkiem sodu w ilości 0,6—2,0% ciężaru stopu. Działanie modyfikatora polegające na przemieszczeniu punktu eutektycz- nego w prawo, w kierunku większych zawartości krzemu (od 12,6 do ok. 13,5%) i temperatury eutektycznej w dół (od 577°C do ok. 564°C) ilustruje linia przerywana na rys. 14.4a. W efekcie takiego działania modyfikatora stop o składzie eutektycznym uzyskuje strukturę charakterystyczną dla stopu podeutektycznego, złożoną z pierwotnych (o układzie dendrytycznym) ziarn roztworu a, na tle drobnoziarnistej eutektyki (fot. 14.3). Proces modyfikacji stopu wywołuje zwiększenie jego właściwości mechanicznych. Na przykład dla stopu AK9 odlanego do formy piaskowej (bez modyfikacji) Rm z wartości 147 MPa wzrasta do 226 MPa po modyfikacji. Modyfikowane stopy Al-Si wykazują również lepsze własności odlewnicze i podwyższoną odporność korozyjną w stosunku do stopów niemodyfikowanych. W odlewach dużych pod względem masy nie można wyeliminować wad wynikających z rozpusz- czalności gazów w ciekłym metalu i tworzenia błonek tlenkowych podczas krzepnięcia stopu. Celem polepszenia właściwości mechanicznych odlewów z siluminów dwuskładnikowe stopy Al-Si uzupełnia się pierwiastkami stopowymi (Mg, Cu, Mn i inne). Siluminy wieloskładnikowe z reguły podlegają obróbce cieplnej, która wywołuje dodatkowe polepszenie ich właściwości mechanicznych. 14.3.3. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej Gatunki stopów aluminium do przeróbki plastycznej ujmuje PN-79/H-88026. Wśród 22 gatunków stopów są stopy dwuskładnikowe, trójskładnikowe i wieloskładnikowe, zawierające poza aluminium następujące pierwiastki: Mg, Mn, Cu, Si, Ni, Fe, Zn, Cr, Ti. Gatunek stopu określa się za pomocą znaku lub cechy. Znak stopu budowany jest analogicznie jak dla stopów odlewniczych, tj. składa się z symboli pierwiastków oraz cyfr okreś- lających ich ilość. Cecha, natomiast, składa się z dwóch liter PA (co oznacza stop aluminium do przeróbki plastycznej) oraz liczby jednocyfrowej lub dwucyfrowej, określającej umownie kolejny numer stopu (PA1, PA20, PA25 itd.)1). Część stopów do przeróbki plastycznej ujęto w tablicy 14.4. 1) Kolejne numery stopów nie są użyte w porządku od najmniejszego do największego, ale występują w kolejności przypadkowej. docsity.com Ta bl ica 1 4. 4 St op y alu m ini um d o pr ze ró bk i p las ty cz ne j, w g PN -7 6/H -8 80 26 1) D la . z w ię ks ze ni a od po rn oś ci n a ko ro zj ę, w s to pa ch A lM g1 , A lM g2 , A lM g3 , A lM g5 , A lM n1 p o uz go dn ie ni u za w ar to ść t yt an u po w in na w yn os ić 0 ,0 2- 0, 2% , z aw ar to ść m ie dz i ni e po w in na p rz ek ra cz ać 0 ,0 5% , a za w ar to ść c yn ku 0 ,1 % . 2) W s to pa ch z t yt an em d op us zc za s ię c ał ko w itą l ub c zę śc io w ą za m ia nę t yt an u bo re m a lb o in ny m i pi er w ia st ka m i m od yf ik uj ąc ym i, za be zp ie cz aj ąc ym i dr ob no zi ar ni st ą st ru k- tu rę s to pu . 3) W s to pa ch A lM g1 , A lM g2 i A lM g5 , pr ze zn ac zo ny ch d o an od ow eg o ut le ni an ia , za w ar to ść c hr om u ni e po w in na p rz ek ra cz ać 0 ,0 5% , a za w ar to ść m an ga nu 0 ,3 % . 4) W s to pa ch A lM g2 i A L M g3 n a żą da ni e za m aw ia ją ce go z aw ar to ść m an ga nu p ow in na w yn os ić 0 ,2 — 0. 6% . 230 G at un ek s to pu Sk ła dn ik i st op ów D op us zc za ln a za w ar to ść z an ie cz ys zc ze ń Z na k C ec ha C u M g M n Si N i F e Z n C r T i A l C u M g M n Si N i F e Z a C r T i A lM g 1 A lM g2 A lM g5 A lM n1 A lM gS i A lM g1 Si 1M n A lM g1 Si C u A lC u4 M g2 A lC u2 M g2 N iS i A lC u2 M g A lC u2 M g2 N iS i A lC u2 M g2 N i1 A lC u4 Si M n P A 43 P A 2 P A 2 0 P A 1 P A 3 8 P A 4 P A 4 5 P A 6 P A 7 P A 2 1 P A 24 P A 2 9 P A 3 0 P A 33 P A 9 0 ,1 5 -0 ,4 0 3 ,3 -4 ,8 3 ,8 -4 ,9 3 .8 -4 ,5 2 ,0 -3 ,0 3 ,9 -4 ,8 1 ,4 -2 ,0 0 ,7 -1 ,2 1 ,7 -2 ,6 4 ,3 -5 ,8 0 ,4 -0 ,9 0 ,7 -1 ,5 0 ,8 -1 ,2 0 ,4 -1 ,1 1 ,2 -1 ,8 0 ,4 -0 ,8 0 ,2 -0 ,5 1 ,4 -1 ,8 1, 2- 1, 8 0 ,4 -0 ,8 1, 8- 2, 8 0- 0, 64 ) 0 ,2 -0 ,6 3 ) 1, 0- 1, 5 0 ,2 -1 ,0 0, 4 -1 ,0 0 ,4 -0 ,9 0 ,4 -0 ,5 0 ,4 -1 ,0 0 ,2 -0 ,6 0 ,3 -0 ,7 0 ,7 -1 ,5 0 ,4 -0 ,8 0 ,5 -1 ,2 0 ,6 -1 ,2 0 ,8 -1 ,3 0 ,8 -1 ,4 0 ,8 -1 ,3 0 ,8 -1 ,4 5- 7 0 ,0 5 -0 ,2 5 0 ,1 5 -0 ,3 5 0, 10 -0 ,2 5 0 ,0 2 -0 ,1 Reszta 0, 11 ) 0, 11 ) 0, 11 ) 0, 11 ) - 0, 3 0, 3 0, 34 ) 0, 15 0, 2 0, 2 0, 2 0 4 0, 4 0, 4 0, 6 0, 6 0, 7 0, 5 0, 5 0, 5 0, 35 0, 5 0, 1 0, 1 0, 4 0, 4 0, 4 0, 7 0, 5 0, 7 0, 7 0, 5 0, 5 0, 5 0, 5 0, 21 ) 0, 2 0, 2 0, 2 0, 2 0, 2 0, 25 0, 3 0, 3 0, 1 0, 1 0, 3 0, 3 0, 3 0, 1 0, 2 0, 1 0, 2 0, 2 0, 15 0, 2 0, 2 0, 2 0, 15 0, 2 0, 2 0, 2 O ,2 0, 2 docsity.com 233 Rys. 14.5. Układ równowagi fazowej Al-Cu, od strony Al i schemat zmiany struktury podczas przesycania stopu Al-Cu Zgodnie z układem równowagi fazowej powolne chłodzenie interesujących nas stopów aluminium - miedź, o zawartości do 5,7% Cu, prowadzi do struktury dwufazowej (ω + ΘII, przy czym ω - roztwór stały miedzi w alumi- nium, ΘII - faza międzymetaliczna (Al2Cu). Szybkie chłodzenie stopu poprze- dnio nagrzanego do temperatury powyżej linii granicznej rozpuszczalności do temperatury otoczenia pozwala uzyskać strukturę jednofazową co (metastabil- ną), która jest przesyconym roztworem stałym miedzi w aluminium. Przesyco- ny stop charakteryzuje się dużą plastycznością i niską wytrzymałością na rozciąganie. Czas zachowania dużej plastyczności jest ograniczony i uzależ- niony od składu chemicznego stopu. Podczas nagrzewania wyrobów do obróbki cieplnej należy dokładnie regulować zakres temperatury nagrzewania, bowiem jej wartość jest bliska temperatury eutektycznej (solidusu), której podczas obróbki cieplnej nie wolno przekroczyć. Oziębianie prowadzi się w wodzie o temperaturze pokojowej lub niższej. docsity.com 234 Starzenie (proces konieczny dla umocnienia stopu) może odbywać się w temperaturze otoczenia - starzenie naturalne - lub podwyższonej - starzenie przyspieszone (sztuczne). Ponieważ przesycony roztwór stały jest nietrwały, więc pod wpływem energii cieplnej dostarczonej z zewnątrz podlega przemianie w kierunku większej stabilności (trwałości). Proces starzenia (naturalnego lub przyspieszonego) nie występuje natych- miast po ochłodzeniu, bowiem opiera się na dyfuzji atomów miedzi, która zależy od czasu. Konieczność wystąpienia dyfuzji, pozwala na stwierdzenie iż proces starzenia przebiega etapami. Najczęściej dla stopów Al-Cu wyróżnia się następujące etapy starzenia (rys. 14.6): ■ Etap pierwszy, przebiegający w temperaturze pokojowej lub po nagrzaniu do temperatury niższej niż 100°C. W przesyconym roztworze stałym miedzi w aluminium, wzdłuż płaszczyzn sieci roztworu stałego ω {100}, tworzą się Rys. 14.6. Schemat zmian w sieci stopu Al-Cu podczas procesu starzenia: a - stop przesycony, b - powstawanie skupień atomów miedzi - stref G-Pl, c - powstawanie wydzieleń G-P2 o sieci koherentnej z siecią roztworu macierzystego, d - powstanie sieci oderwanej (niekoherentnej) roztworu i wydzieleń Θ a) c) b) d) docsity.com 235 płaskie skupienia atomów miedzi o koncentracji wyższej niż w pozostałym roztworze. Skupienia te noszą nazwę stref Guinier-Prestona (G-P1) (rys. 14.6b). Wykazują one wymiary submikroskopowe - grubość 5 - 10 Å i średnia 30 Å w temperaturze 20°C, albo średnica 80 Å w temperaturze 100°C. Koncentracja atomów miedzi w strefach G-P1 jest wyższa niż w roztworze podstawowym, ale niższa niż w fazie Al2Cu. W strefach G-P1 zachowany jest ten sam rodzaj sieci elementarnej jak w roztworze podstawowym, ale wskutek różnicy wymiarów atomów Al i Cu (10%) zwiększenie koncentracji miedzi powoduje wzrost parametrów sieci przy zachowaniu więzi koherentnej1) sieci obu roztworów (podstawowego i o większej koncentracji miedzi). Odkształ- cenie sieci w obszarze strefy G-P1 powoduje zmianę właściwości stopu (wzrost HB i Rm). Wzrost twardości stopu postępuje w miarę wzrostu ilości wydzielonych stref G-P1. ■ Etap drugi przebiegający w temperaturach powyżej 100°C charakteryzuje się powstawaniem stref G-P2 (rys. 14.6c), które od G-P1 różnią się wymiarami (grubość około 30 A i średnica około 300 A) oraz większą koncentracją miedzi. Ponadto zaobserwowano w strefach G-P2 większe uporządkowanie w rozmieszczeniu atomów miedzi i aluminium w sieci krystalicznej. Nie są to już lokalne segregacje lecz wydzielenia fazy przesyconej Θ'', związanej kohe- rentnie z roztworem podstawowym. Powstawanie tej fazy powoduje dodat- kowe zwiększenie twardości i wytrzymałości stopu, ale obniżenie jego właś- ciwości plastycznych. ■ W etapie trzecim przebiegającym powyżej 200°C wytwarza się faza Θ'. Skład chemiczny tej fazy zbliżony jest do składu Al2Cu, lecz struktura jej jest inna. Faza ta jest również koherentnie związana z roztworem podstawowym. ■ Etap czwarty (tylko w podwyższonych temperaturach) charakteryzuje się zerwaniem więzi koherentnych oraz utworzeniem stabilnej fazy Θ (Al2Cu) (rys. 14.6d). W efekcie obserwuje się obniżenie twardości i wytrzymałości stopu. Można określić to jako „przestarzenie" stopu. Przebieg zjawisk podczas starzenia stopów wcześniej przesyconych można przedstawić w sposób schematyczny: G-P1 → G-P2(Θ'') →Θ ' → Θ(Al2Cu) Trzeba pamiętać jednak, iż poszczególne etapy nie mogą być od siebie oddzielone ostrą granicą. Starzenie samorzutne (naturalne), objawiające się powolnym procesem dyfuzji atomów miedzi, prowadzi zawsze do umocnienia stopu. Starzenie 1) Zjawisko koherencji polega na sprzężeniu sieci wydzielającej się fazy z siecią fazy macierzystej za pośrednictwem atomów pierwiastka uczestniczącego równocześnie w dwóch różnych sieciach. Koherencja poprzedza więc wydzielanie się nowej fazy i tworzenie wyraźnej granicy fazowej, co wywołuje w konsekwencji zanik koherencji. docsity.com