Razvoj aluminijskih legura: Kako legure postižu veća mehanička svojstva

Cilj razvoja legura

Razvoj aluminijske legure je kontrolirana manipulacija kemije, obrade i toplinske obrade kako bi se postigla ciljna kombinacija čvrstoće, žilavosti, otpornosti na koroziju i mogućnosti oblikovanja. Čisti aluminij je mekan i duktilan; svaka komercijalna legura dodaje elemente koji ometaju kretanje dislokacija ili pročišćavaju mikrostrukturu. Inženjerski zadatak je odlučiti koji mehanizam isporučuje traženo svojstvo po prihvatljivoj cijeni, zatim popraviti put obrade koji taj mehanizam čini ponovljivim u proizvodnji.

Pet mehanizama dominira modernom praksom: precipitacijsko otvrdnjavanje, mikrolegiranje skandijem, dodaci litija, otvrdnjavanje pečenjem u limu 6xxx i brzo skrućivanje za rad na povišenoj-temperaturi.

Precipitacijsko otvrdnjavanje u seriji 7xxx

U legurama Zn-Mg-Cu, nakupine otopljenih tvari tvore koherentne Guinier-Prestonove zone unutar otprilike 24 sata prirodnog starenja na sobnoj temperaturi. Standardni T6 put za ove legure sastoji se od tretmana otopinom na otprilike 475 stupnjeva tijekom 2 sata, gašenja vodom, zatim umjetnog starenja na oko 120 stupnjeva tijekom 24 sata.

Tijekom umjetnog starenja metastabilna η' faza, na bazi MgZn₂, nukleira i blokira kretanje dislokacija, što je ono što proizvodi povećanje čvrstoće. Kompromis-je klasičan: pre-ostarjeli T7 temperament žrtvuje oko 10 % vršne čvrstoće da bi se dobila znatno bolja otpornost na-korozijsko pucanje pod naponom, kao u AA7075-T7351.

Specifikacije materijala za zrakoplovstvo obično postavljaju minimalnu žilavost loma-naprezanja iznad 28 MPa·m^1/2za debele-krilne dijelove u-ploči 7xxx visoke čvrstoće kao što je AA7150-T7751. Žilavost loma mjeri se postupcima ASTM B645, tako da se čvrstoća i strane zahtjeva za toleranciju oštećenja mogu procijeniti pod usporedivim uvjetima.

Mikrolegiranje skandijem, pročišćavanje zrna i zavarljivost

Dodavanjem oko 0,2 % skandija aluminijskoj leguri transformira se -struktura lijevanog zrna, smanjujući veličinu zrna s otprilike 500 μm na oko 10 μm. Mehanizam je stvaranje koherentnih Al₃Sc nanoprecipitati, obično veličine 3-5 nm, koji pričvršćuju i dislokacije i granice zrna i odupiru se rekristalizaciji čak i nakon obrade na visokoj temperaturi.

Dobitak svojstva je velik za dodatak mikrolegiranja: u žarenom Al-Mg-Sc materijalu granica razvlačenja raste s oko 150 MPa na oko 350 MPa. Skandij također uklanja osjetljivost na vruće-pukotine u zavarljivim-legurama visoke čvrstoće kao što je AA2219, zbog čega se zavarljive varijante Al-Cu{-Sc koriste za velike kriogene kupole spremnika goriva. Ograničavajući čimbenik uvijek je bio trošak, a veliki razvojni napori sada se ulažu u izdvajanje skandija iz nusproizvoda-proizvoda i rudničke jalovine tako da dodavanje postane ekonomično u širem rasponu proizvoda.

Dodaci litija i smanjenje gustoće

Svaki 1 % litija dodan aluminiju smanjuje gustoću za oko 3 % i povećava krutost, zbog čega su legure koje-sadrže litij atraktivne za strukture koje su-kritične za težinu i za kriogene spremnike. Legure s približno 1,0 % Li, kao što je obitelj 2195, zamijenile su 2219 u spremnicima lansirnih-vozila i donijele značajne uštede težine po vozilu.

Duplex tretman starenja postoji jer T₁taloženje je sporo i mora se nukleirati na nižoj temperaturi prije nego -korak na višoj temperaturi izraste ploča-poput precipitata koji leguri daju ravnotežu čvrstoće i žilavosti. Čisto taljenje je jednako važno, budući da litij lako oksidira, a oksidne inkluzije djeluju kao inicijatori pukotina.

Bake Hardening u seriji 6xxx

Paneli karoserije automobila koriste Al-Mg-Si lim u stanju T4P, oblikovan i zatim ojačan u lakirnici. Mg₂Si ''iglice, otprilike 2 puta 5 nm, talože se tijekom ciklusa pečenja-boje, obično na 185 stupnjeva tijekom 20 minuta, povećavajući granicu tečenja na mjestima gdje je ploča već formirana.

AA6016-T4P lim postiže otprilike 20 % veću čvrstoću nakon-pečenja od referentnog dvofaznog čelika kao što je DP780.

Prianjanje elektroprevlake ovisi o održavanju omjera željeza-i-silicija iznad otprilike 1,5:1 tako da kemijski sastav površine ostaje dosljedan kroz liniju predtretmana.

Učinak pri sudaru izmjeren kao apsorpcija energije koja doseže oko 15 kJ/kg, naspram otprilike 8 kJ/kg za usporedive čelične dijelove.

Veliki jednodijelni-odljevci podvozja i strukturni paneli od 6xxx legura koriste isti-put otvrdnjavanja, tako da su sposobnost oblikovanja u preši i čvrstoća u radu razdvojene.

Brzo skrućivanje i legure-za visoke temperature

Konvencionalne legure lijevanog aluminija gube čvrstoću iznad oko 150 stupnjeva jer njihovo ojačanje postaje grublje. Brzo skrućivanje zaobilazi ovu granicu stvaranjem fine disperzije toplinski stabilnih čestica. Taloženje raspršivanjem, na primjer, proizvodi Al-8.5Fe-1.3V-1.7Si leguru koja još uvijek doseže čvrstoću od oko 400 MPa na 300 stupnjeva, podržana populacijom disperzoida iznad 10¹⁷/m³od 50 nm Al₁₂(Fe,V)₃Si čestice otporne na grubljenje.

Aditivna proizvodnja proširuje istu ideju na složene oblike. Selektivno lasersko topljenje koristi se za izradu kotača turbopunjača i kočionih čeljusti AlSi10Mg s finom, prezasićenom staničnom strukturom i dobrom dimenzionalnom slobodom, dok legure Al-Ce-Mg razvijene za dijelove kompresora podnose radne temperature oko 250 stupnjeva bez gubitka disperzije. Za dizajnere, praktična poruka je da razvoj legure više nije samo pitanje dodavanja elemenata u talinu; put praha, brzina skrućivanja i toplinska obrada sada su jednako moćne poluge.

Često postavljana pitanja

P: Što je precipitacijsko otvrdnjavanje aluminijskih legura?
Ojačavaju ga fino raspršene čestice nastale starenjem. Otopljena tvar se zadržava u prezasićenoj otopini gašenjem, zatim se taloži kao GP zone i metastabilne faze koje ometaju kretanje dislokacija.

P: Zašto koristiti T7 temper umjesto peak{1}}aged T6?
Preko-starenje T7 daje oko 10 % vršne čvrstoće, ali znatno poboljšava-otpornost na pucanje od naprezanja i dimenzionalnu stabilnost, što je važno za debele presjeke pri trajnom opterećenju.

P: Koliko je skandijuma potrebno za pročišćavanje strukture zrna?
Oko 0,2 % obično je dovoljno da se smanji veličina zrna kao-lijevanog zrna s otprilike 500 μm na oko 10 μm kroz Al₃Sc nanoprecipitati od 3-5 nm.

P: Zašto se legure koje-sadrže litij stare u dvije faze?
T₁(Al₂CuLi) taloženje je sporo, tako da dupleks starenje na 155 stupnjeva, a zatim na 190 stupnjeva prvo stvara jezgru faze, a zatim raste do veličine koja daje najbolju čvrstoću i žilavost.

P: Što ograničava pečenje-otvrdnute ploče 6xxx u pločama karoserije?
Mogućnost oblikovanja u preši i stabilnost kemije površine za prianjanje elektroprevlake, zbog čega se omjer željeza-na-silicija kontrolira iznad oko 1,5:1.

P: Koji mehanizam omogućuje aluminiju da služi iznad 250 stupnjeva?
Brza obrada skrućivanja. Stvara gustu disperziju stabilnih čestica, kao što je Al₁₂(Fe,V)₃Si, koji je otporan na grubljenje na povišenoj temperaturi.