Кристална структура и деформационно поведение на алуминия
Алуминият кристализира в лицево-центрирана кубична решетка. Тази структура осигурява дванадесет независими системи за приплъзване - четири плътно-опаковани {111} равнини, всяка от които съдържа три плътно-опаковани посоки -, което е основната причина алуминият да се деформира по пластичен, хомогенен начин, вместо да се повреди внезапно. Плътността на решетката от 2,70 g/cm3 е около една трета от тази на стоманата, така че секция с равен-обем от алуминий тежи приблизително 65 % по-малко и това е свойството, което ръководи избора на материал, когато масата е двигател на дизайна.
Алуминият също така има висока енергия на грешка при наслагване, така че частичните дислокации се рекомбинират лесно, а винтовите дислокации се -плъзгат лесно при стайна температура. Следват две практически последици: възстановяването е бързо, така че студено обработеният метал омеква бързо по време на отгряване и хлъзгането е по-скоро вълнообразно, отколкото планарно, създавайки дислокационна клетъчна структура и бързо нарастване на напрежението на потока с натрупване на деформация.
Размер на зърното, дислокации и източници на якост
Кованият алуминий никога не се укрепва само с един механизъм. Дизайнът на сплавта се състои от комбиниране на наличните механизми, така че да се достигне необходимата якост, без да се нарушава формоспособността или устойчивостта на корозия:
Укрепване на твърд разтвор- магнезий, манган, мед и силиций, разтворени в матрицата, изкривяват решетката и възпрепятстват движението на дислокациите. Това е основният механизъм в семейството 5xxx.
Работно закаляване- единственият практичен начин за укрепване на не-топлинно-неподлежащи на термична обработка 1xxx, 3xxx и 5xxx сплави, контролирани чрез обозначения за температура.
Валежно втвърдяване- основният път за сплави 2xxx, 6xxx и 7xxx, където кохерентни или полу{4}}кохерентни частици блокират приплъзването.
Дисперсионно укрепване- некохерентни частици като Al20Cu2Mn3, Al6Mn и Al12Mg2Cr определят границите на зърната и подзърната и контролират рекристализацията.
Усъвършенстване на зърното- по-фин размер на зърното повишава границата на провлачване чрез съотношението Hall-Petch и подобрява якостта; размерът на зърното се измерва в съответствие с ASTM E112.
Преципитационно втвърдяване в сплавите 7xxx
Семейството Al-Zn-Mg-Cu осигурява най-високата якост от всяка търговска кована алуминиева сплав и нейното поведение се разбира най-добре чрез последователността на утаяване: свръхнаситен твърд разтвор, след това зони на Guinier-Preston, след това метастабилната ета-основна фаза и накрая стабилната ета фаза (MgZn2).
GP зониобразуват се по време на естествено стареене при стайна температура и осигуряват ранно увеличаване на якостта.
Eta-primeе кохерентната фаза, която произвежда пикова якост. Стареенето до температура T6 в сплав от тип 7075 достига якост на опън от приблизително 570 MPa.
Престаряванедо T73 или T76 увеличава стабилната ета фаза и жертва приблизително 10-15 % от якостта, в замяна на значително по-добра устойчивост на корозионно напукване под напрежение. Тази търговия е от съществено значение за критични части при мокро или динамично обслужване и се оценява с помощта на методи като ASTM G47.
Ретроградия и повторно-стареенеразтваря за кратко утайките по границите на зърната и след това повторно -остарява материала, като възстановява по-голямата част от пиковата якост, като същевременно запазва прекъснатата структура на границите на зърната, която дава устойчивост на корозия.
Добавките на цирконий и хром образуват дисперсоиди Al3Zr и Al18Mg3Cr2 по време на хомогенизирането. Тези частици са некохерентни или полу-кохерентни и предотвратяват рекристализацията, така че изкованата текстура и свързаната с нея якост се запазват чрез обработка с разтвор.
Скандий и цирконий: кохерентен дисперсоиден дизайн
Добавянето на около 0,2 % скандий към алуминиева стопилка образува частици Al3Sc при втвърдяване. Al3Sc има структура L12, съгласувана е с алуминиевата матрица и е изключително ефективен рафинер на зърното: размерът на отлятото зърно пада до няколко микрометра и рекристализацията е силно потисната, тъй като частиците захващат границите по време на гореща обработка.
Цирконият замества решетката на Al3Sc, за да образува ядро-обвивка Al3(Sc,Zr) утайка, която издържа на грубост до около 300-350 C, което разширява полезната работна температура доста над тази на конвенционалните 2xxx и 7xxx сплави. Обработените Al-Mg-Sc и Al-Zn-Mg-Sc продукти достигат граници на провлачване от приблизително 300 MPa до около 550 MPa в зависимост от матрицата и температурата, като същевременно запазват добра заваряемост и запазват повечето от свойствата си в засегнатата от топлината зона. Тази комбинация обяснява използването им в аерокосмически структури и в прахове за производство на добавки, където фината, термично стабилна зърнеста структура е от съществено значение за постоянното поведение на стопилката.
Поведение при повишена температура и леярски сплави
Високотемпературният алуминиев дизайн е по същество битка срещу огрубяването на частиците. Дисперсоидите като Al3(Sc,Zr) и Al20Cu2Mn3 остават стабилни доста над температурата на стареене и продължават да закрепват границите; рафинерите за зърно от титанов борид и титанов карбид потискат растежа на зърното по време на втвърдяване и третиране с разтвор; и в Al-Si леярските сплави, модификацията със стронций пречиства евтектичния силиций от груби пластинки във фина влакнеста морфология, което значително повишава пластичността и якостта на умора. Устойчивостта на пълзене при по-високи температури зависи от термично стабилни интерметали, образувани с добавки на манган, никел, цирконий или редкоземни елементи, а не от морфологията на силиция, а поведението при пълзене и разрушаване при напрежение се характеризира с приложимите методи за изпитване ASTM и ISO.
Изчислителен дизайн на сплави
Съвременното разработване на сплави се ръководи от симулация, преди да бъде отлят слитък. Термодинамичните бази данни на CALPHAD предвиждат фазови равновесия, пътища на втвърдяване и температурни прозорци за третиране с разтвор; изчисленията на първите-принципи, базирани на функционалната теория на плътността, осигуряват формирането и енергиите на свързване, които захранват моделите на валежите; и управлявани от данни-модели, обучени върху експериментални и промишлени данни, сега ръководят избора на състав, като например съотношението магнезий-към-силиций в сплави 6xxx, където малка промяна променя баланса между здравина, възможност за екструдиране и качество на повърхността. Симулацията на процеса затваря цикъла, тъй като формоването и топлинната обработка се моделират числено и се валидират спрямо измерено изкривяване и остатъчно напрежение, така че циклите на топлинна-обработка могат да бъдат настроени с много по-малко физически опити, отколкото би изисквала една чисто експериментална програма.
Често задавани въпроси
Въпрос: Защо алуминият е толкова пластичен?
Челно{0}}центрираната кубична решетка предлага дванадесет независими системи за приплъзване, така че деформацията може да бъде разпределена в много равнини и посоки. Високата енергия на грешка при подреждане допълнително позволява лесно напречно-плъзгане, което предотвратява концентрацията на напрежение и забавя счупването.
Въпрос: Какво определя здравината на кована алуминиева сплав?
Якостта е сумата от укрепване на твърд разтвор, работно втвърдяване, втвърдяване при утаяване, дисперсионно укрепване и укрепване на границата на зърното. Дизайнерите на сплави комбинират тези механизми, за да постигнат необходимата якост, без да жертват формоспособността или устойчивостта на корозия.
Въпрос: Защо скандият се добавя към алуминия?
Скандият образува кохерентни утайки от Al3Sc, които усъвършенстват структурата на лятото зърно до няколко микрометра и блокират рекристализацията. С добавен цирконий, частиците Al3(Sc,Zr) издържат на грубост до около 300-350 C, осигурявайки висока якост с добра заваряемост.
В: Каква е разликата между температурите T6 и T73 в сплав 7xxx?
T6 е най-високата-отлежала температура и дава максимална здравина. T73 е превъзходна температура, която отстъпва приблизително 10-15% от якостта, за да се получи много по-добра устойчивост на корозионно напукване под напрежение, поради което е специфицирано за критични части при мокро обслужване.
В: Как размерът на зърното влияе на механичните свойства?
По-финият размер на зърното увеличава границата на провлачване чрез съотношението Хол-Петч и обикновено подобрява издръжливостта и устойчивостта на умора. Размерът на зърното се измерва съгласно ASTM E112 и се контролира чрез практика на леене, рафинери на зърно и термомеханична обработка.
Въпрос: За какво се използва CALPHAD в дизайна на сплави?
CALPHAD изгражда термодинамични модели, които предвиждат фазови равновесия и поведение на втвърдяване в състав и температурен диапазон. Използва се за избор на нива на легиране и термични -прозорци за обработка, като се намалява броят на експерименталните опити, необходими за квалифициране на нова сплав.
