Alumīnija kristāla struktūra un deformācijas uzvedība
Alumīnijs kristalizējas sejas{0}}centrētā kubiskā režģī. Šī struktūra nodrošina divpadsmit neatkarīgas slīdēšanas sistēmas - četras cieši-sapakotas {111} plaknes, katrā no kurām ir trīs cieši-sapakoti virzieni -, kas ir galvenais iemesls, kāpēc alumīnijs deformējas elastīgā, viendabīgā veidā, nevis pēkšņi sabojājas. Režģa blīvums 2,70 g/cm3 ir aptuveni viena trešdaļa no tērauda blīvuma, tāpēc vienāda{10}}apjoma alumīnija daļa sver aptuveni par 65 % mazāk, un šī ir īpašība, kas nosaka materiāla izvēli ikreiz, kad konstrukcijas pamatā ir masa.
Alumīnijam ir arī augsta sakraušanas defektu enerģija, tāpēc daļējas izmežģījumi viegli pārkombinējas un skrūvju izmežģījumi istabas temperatūrā viegli{0}}slīd. Tam seko divas praktiskas sekas: reģenerācija ir ātra, tāpēc auksti apstrādāts metāls ātri mīkstina atkausēšanas laikā, un slīdēšana ir viļņota, nevis plakana, radot dislokācijas šūnu struktūru un strauju plūsmas sprieguma pieaugumu, uzkrājoties deformācijai.
Graudu lielums, dislokācijas un spēka avoti
Kalto alumīniju nekad nenostiprina tikai viens mehānisms. Sakausējuma dizains sastāv no pieejamo mehānismu apvienošanas tā, lai vajadzīgā stiprība tiktu sasniegta, nesabojājot formējamību vai izturību pret koroziju:
Cietā šķīduma stiprināšana- Matricā izšķīdinātais magnijs, mangāns, varš un silīcijs izkropļo režģi un kavē dislokācijas kustību. Šis ir galvenais mehānisms 5xxx saimē.
Darba rūdīšana- vienīgais praktiskais stiprināšanas ceļš neapstrādājamiem 1xxx, 3xxx un 5xxx sakausējumiem, kas tiek kontrolēti ar rūdīšanas apzīmējumiem.
Nokrišņu sacietēšana- primārais ceļš 2xxx, 6xxx un 7xxx sakausējumiem, kur koherentas vai daļēji{4}}koherentas daļiņas bloķē slīdēšanu.
Dispersijas stiprināšana- nesakarīgas daļiņas, piemēram, Al20Cu2Mn3, Al6Mn un Al12Mg2Cr pin graudu un apakšgraudu robežas un kontrolē pārkristalizāciju.
Graudu rafinēšana- smalkāks graudu izmērs paaugstina tecēšanas spēku, pateicoties Hall-Petch attiecībai un uzlabo stingrību; graudu izmērs tiek mērīts saskaņā ar ASTM E112.
Nokrišņu sacietēšana 7xxx sakausējumos
Al-Zn-Mg-Cu saime nodrošina vislielāko stiprību no jebkura komerciālā kaltā alumīnija sakausējuma, un tās darbību vislabāk var saprast, izmantojot nokrišņu secību: pārsātināts cietais šķīdums, tad Gvinjē-Prestonas zonas, metastabilā eta-sākotnējā fāze un, visbeidzot, fāze (Mgtable etna2).
GP zonasveidojas dabiskās novecošanas laikā istabas temperatūrā un nodrošina agrīnu stiprības pieaugumu.
Eta-primeir saskaņota fāze, kas rada maksimālo spēku. Novecošana līdz T6 rūdījumam 7075 tipa sakausējumā sasniedz stiepes izturību aptuveni 570 MPa.
Pārmērīga novecošanalīdz T73 vai T76 izaug stabilā eta fāze un tiek zaudēti aptuveni 10-15 % izturības, apmaiņā pret ievērojami labāku izturību pret sprieguma korozijas plaisāšanu. Šī tirdzniecība ir būtiska kritiskām detaļām mitrā vai dinamiskā ekspluatācijā, un tā tiek novērtēta, izmantojot tādas metodes kā ASTM G47.
Retrogresija un atkārtota{0}}novecošanāsīslaicīgi izšķīdina graudu robežnogulsnes un pēc tam{0}}noveco materiālu, atjaunojot lielāko daļu maksimālās stiprības, vienlaikus saglabājot pārtraukto graudu robežstruktūru, kas nodrošina izturību pret koroziju.
Cirkonija un hroma piedevas homogenizācijas laikā veido Al3Zr un Al18Mg3Cr2 dispersoīdus. Šīs daļiņas ir nesakarīgas vai daļēji{5}}koherentas un novērš pārkristalizāciju, tāpēc kaltā tekstūra un ar to saistītā stingrība tiek saglabāta, apstrādājot šķīdumu.
Skandijs un cirkonijs: saskaņots dispersijas dizains
Pievienojot alumīnija kausējumam apmēram 0,2 % skandija, cietēšanas laikā veidojas Al3Sc daļiņas. Al3Sc ir L12 struktūra, tas ir saskaņots ar alumīnija matricu un ir ārkārtīgi efektīvs graudu rafinētājs: lietie graudu izmērs samazinās līdz dažiem mikrometriem, un pārkristalizācija ir stipri nomākta, jo daļiņas saspiež robežas karstās apstrādes laikā.
Cirkonijs tiek aizstāts ar Al3Sc režģi, veidojot kodola-apvalku Al3(Sc,Zr) nogulsnes, kas iztur rupjību līdz aptuveni 300-350 C, kas paaugstina lietderīgo ekspluatācijas temperatūru krietni virs parasto 2xxx un 7xxx sakausējumu lietderīgās temperatūras. Kalti Al-Mg-Sc un Al-Zn-Mg-Sc produkti sasniedz tecēšanas robežu no aptuveni 300 MPa līdz aptuveni 550 MPa atkarībā no matricas un temperatūras, vienlaikus saglabājot labu metināmību un saglabājot lielāko daļu to īpašību karstuma ietekmētajā zonā. Šī kombinācija izskaidro to izmantošanu kosmosa konstrukcijās un piedevu ražošanas pulveros, kur smalka, termiski stabila graudu struktūra ir būtiska konsekventai kausējuma baseina uzvedībai.
Izturība paaugstinātā temperatūrā un sakausējumu liešana
Augstas-temperatūras alumīnija dizains būtībā ir cīņa pret daļiņu raupšanu. Dispersoīdi, piemēram, Al3(Sc,Zr) un Al20Cu2Mn3, saglabā stabilitāti krietni virs novecošanas temperatūras un turpina nostiprināt robežas; titāna borīda un titāna karbīda graudu rafinētāji nomāc graudu augšanu cietēšanas un šķīduma apstrādes laikā; un Al-Si liešanas sakausējumos modificējot ar stronciju, eitektisko silīciju no rupjiem trombocītiem tiek iegūta smalka šķiedraina morfoloģija, kas ievērojami palielina elastību un noguruma izturību. Šļūdes pretestība augstākās temperatūrās ir atkarīga no termiski stabiliem intermetāliem, kas veidoti ar mangāna, niķeļa, cirkonija vai retzemju piedevām, nevis no silīcija morfoloģijas, un šļūdes un sprieguma plīsuma izturēšanos raksturo piemērojamās ASTM un ISO testa metodes.
Skaitļošanas sakausējuma dizains
Mūsdienu sakausējumu izstrāde tiek vadīta pēc simulācijas, pirms tiek izliets lietnis. CALPHAD termodinamiskās datu bāzes paredz fāzu līdzsvaru, sacietēšanas ceļus un temperatūras logus šķīduma apstrādei; pirmie-principu aprēķini, kuru pamatā ir blīvuma funkcionālā teorija, nodrošina veidošanās un saistīšanas enerģijas, kas baro nokrišņu modeļus; un ar datiem{2}}vadīti modeļi, kas ir apmācīti uz eksperimentāliem un rūpnieciskiem datiem, tagad nosaka sastāva izvēli, piemēram, magnija-un -silīcija attiecību 6xxx sakausējumos, kur nelielas izmaiņas maina līdzsvaru starp izturību, ekstrūdējamību un virsmas kvalitāti. Procesa simulācija noslēdz cilpu, jo formēšana un termiskā apstrāde tiek modelēta skaitliski un pārbaudīta pret izmērītajiem kropļojumiem un atlikušo spriegumu, tāpēc termiskās apstrādes ciklus var noregulēt, veicot daudz mazāk fizisko izmēģinājumu, nekā tas būtu nepieciešams tikai eksperimentālai programmai.
Bieži uzdotie jautājumi
J: Kāpēc alumīnijs ir tik elastīgs?
Sejas-centrētais kubiskais režģis piedāvā divpadsmit neatkarīgas slīdēšanas sistēmas, tāpēc deformāciju var sadalīt daudzās plaknēs un virzienos. Augsta sakraušanas defektu enerģija vēl vairāk nodrošina vieglu šķērsslīdi-, kas novērš stresa koncentrēšanos un aizkavē lūzumu.
J: Kas nosaka kaltā alumīnija sakausējuma izturību?
Stiprums ir cietā šķīduma stiprināšanas, darba cietināšanas, nokrišņu sacietēšanas, dispersijas stiprināšanas un graudu robežu nostiprināšanas summa. Sakausējumu dizaineri apvieno šos mehānismus, lai sasniegtu nepieciešamo stiprību, nezaudējot formējamību vai izturību pret koroziju.
J: Kāpēc alumīnijam pievieno skandiju?
Skandijs veido koherentas Al3Sc nogulsnes, kas uzlabo liešanas graudu struktūru līdz dažiem mikrometriem un bloķē pārkristalizāciju. Pievienojot cirkoniju, Al3(Sc,Zr) daļiņas ir izturīgas pret rupšanu līdz aptuveni 300-350 C, nodrošinot augstu izturību un labu metināmību.
J: Kāda ir atšķirība starp T6 un T73 rūdījumu 7xxx sakausējumā?
T6 ir visnotaļ{1}}novecojis un nodrošina maksimālu spēku. T73 ir pārāk novecojis rūdījums, kas zaudē aptuveni 10-15% stiprības, lai iegūtu daudz labāku izturību pret sprieguma korozijas plaisāšanu, tāpēc tas ir paredzēts kritiskajām detaļām mitrā ekspluatācijā.
J: Kā graudu izmērs ietekmē mehāniskās īpašības?
Smalkāks graudu izmērs palielina tecēšanas spēku, pateicoties Hall{0}}Petch attiecībai, un parasti uzlabo izturību un nogurumu. Graudu izmēru mēra saskaņā ar ASTM E112 un kontrolē, izmantojot liešanas praksi, graudu rafinēšanas iekārtas un termomehānisko apstrādi.
J: Kam CALPHAD tiek izmantots sakausējumu dizainā?
CALPHAD veido termodinamiskos modeļus, kas paredz fāzu līdzsvaru un sacietēšanas uzvedību kompozīcijas un temperatūras diapazonā. To izmanto, lai atlasītu sakausējuma līmeņus un termiskās -apstrādes logus, tādējādi samazinot eksperimentālo izmēģinājumu skaitu, kas nepieciešami, lai kvalificētu jaunu sakausējumu.
