Alumiiniumi kristallstruktuur ja deformatsioonikäitumine
Alumiinium kristalliseerub esiosa{0}}keskses kuupvõres. See struktuur annab kaksteist sõltumatut libisemissüsteemi - nelja tihedalt-pakitud {111} tasapinda, millest igaüks sisaldab kolme tihedat-pakitud suunda -, mis on peamine põhjus, miks alumiinium deformeerub plastiliselt, homogeenselt, mitte järsult. Võre tihedus 2,70 g/cm3 on umbes kolmandik terase omast, seega kaalub võrdne{10}}mahuosa alumiiniumist ligikaudu 65% vähem ja see on omadus, mis määrab materjali valiku alati, kui projekteerimise aluseks on mass.
Alumiiniumil on ka suur virnastamisvigade energia, nii et osalised nihestused taaskombineerivad kergesti ja kruvide nihestused libisevad toatemperatuuril kergesti ristu{0}}. Sellele järgneb kaks praktilist tagajärge: taastumine on kiire, nii et külmtöödeldud metall pehmeneb lõõmutamise ajal kiiresti ja libisemine on pigem laineline kui tasapinnaline, tekitades nihestusraku struktuuri ja voolupinge kiire tõusu, kui pinge koguneb.
Tera suurus, nihestused ja tugevuse allikad
Sepistatud alumiiniumi ei tugevda kunagi ainult üks mehhanism. Sulami disain seisneb olemasolevate mehhanismide kombineerimises nii, et nõutav tugevus saavutatakse vormitavust või korrosioonikindlust kahjustamata:
Tahke lahenduse tugevdamine- Maatriksis lahustunud magneesium, mangaan, vask ja räni moonutavad võre ja takistavad dislokatsiooni liikumist. See on 5xxx perekonna peamine mehhanism.
Töö karastamine- ainuke praktiline tugevdamisviis mitte-kuumtöödeldud-1xxx, 3xxx ja 5xxx sulamitele, mida juhitakse karastuse tähiste abil.
Sademete kõvenemine- peamine tee 2xxx, 6xxx ja 7xxx sulamitele, kus koherentsed või pool{4}}koherentsed osakesed takistavad libisemist.
Dispersiooni tugevdamine- ebajärjekindlad osakesed, nagu Al20Cu2Mn3, Al6Mn ja Al12Mg2Cr, määravad tera ja alamtera piirid ning kontrollivad ümberkristallimist.
Teravilja rafineerimine- peenem tera suurus suurendab voolavustugevust läbi Halli-Petchi suhte ja parandab sitkust; tera suurust mõõdetakse vastavalt standardile ASTM E112.
Sademete kõvenemine 7xxx sulamites
Al-Zn-Mg-Cu perekond pakub kõigist kaubanduslikult sepistatud alumiiniumsulamitest suurimat tugevust ja selle käitumist saab kõige paremini mõista sadestamise järjestuse kaudu: üleküllastunud tahke lahus, seejärel Guinier-Prestoni tsoonid, seejärel metastabiilne eta{4}}põhifaas ja lõpuks faas (Mgtable etna2).
GP tsoonidmoodustuvad loomulikul vananemisel toatemperatuuril ja tagavad varajase tugevuse suurenemise.
Eta-primeon koherentne faas, mis tekitab tipptugevuse. 7075-tüüpi sulamis T6-karastuseni vananemine saavutab tõmbetugevuse ligikaudu 570 MPa.
ÜlevananemineT73-le või T76-le kasvab stabiilne eta-faas ja ohverdab ligikaudu 10–15% tugevusest, vastutasuks märgatavalt parema vastupidavuse eest pingekorrosioonipragudele. See kauplemine on oluline märja või dünaamilise teeninduse kriitiliste osade jaoks ja seda hinnatakse selliste meetoditega nagu ASTM G47.
Taastumine ja taas{0}}vananeminelahustab korraks terade piirde sademed ja seejärel{0}}vanastab materjali, taastades suurema osa tipptugevusest, säilitades samas katkendliku tera piiristruktuuri, mis annab korrosioonikindluse.
Tsirkooniumi ja kroomi lisandid moodustavad homogeniseerimise käigus Al3Zr ja Al18Mg3Cr2 dispersoidid. Need osakesed on ebajärjekindlad või pool{5}}koherentsed ja takistavad ümberkristalliseerumist, nii et sepistatud tekstuur ja sellega seotud sitkus säilivad lahuse töötlemisel.
Skandium ja tsirkoonium: sidus dispersioonkujundus
Umbes 0,2% skandiumi lisamisel alumiiniumi sulatisele moodustuvad tahkestamisel Al3Sc osakesed. Al3Sc on L12 struktuuriga, alumiiniummaatriksiga koherentne ja äärmiselt tõhus terade rafineerija: valatud tera suurus langeb mõne mikromeetrini ja ümberkristallisatsioon on tugevalt pärsitud, kuna osakesed kinnitavad kuumtöötlemise ajal piire.
Tsirkoonium asendab Al3Sc võre, moodustades südamiku-kesta Al3(Sc,Zr) sademe, mis on vastupidav jämedusele umbes 300-350 C-ni, mis tõstab kasuliku töötemperatuuri tunduvalt kõrgemale kui tavaliste 2xxx ja 7xxx sulamite oma. Sepistatud Al-Mg-Sc ja Al-Zn-Mg-Sc toodete voolavuspiirid ulatuvad ligikaudu 300 MPa kuni ligikaudu 550 MPa olenevalt maatriksist ja temperamendist, säilitades samas hea keevitatavuse ja enamiku omadustest kogu kuumusest mõjutatud tsoonis. See kombinatsioon selgitab nende kasutamist kosmosestruktuurides ja lisaainete tootmispulbrites, kus peen, termiliselt stabiilne teraline struktuur on sulamisbasseini järjepideva käitumise jaoks hädavajalik.
Kõrgendatud temperatuuri käitumine ja sulamite valamine
Kõrgetemperatuuriline-alumiiniumdisain on sisuliselt võitlus osakeste jämenemise vastu. Dispersoidid, nagu Al3(Sc,Zr) ja Al20Cu2Mn3, püsivad stabiilsena tunduvalt kõrgemal vananemistemperatuurist ja jätkavad piiride kinnitamist; titaanboriidi ja titaankarbiidi terade rafineerijad pärsivad tera kasvu tahkumise ja lahusega töötlemise ajal; ja Al-Si valusulamites muudab strontsiumiga modifitseerimine eutektilise räni jämedast trombotsüütidest peeneks kiuliseks morfoloogiaks, mis suurendab märkimisväärselt elastsust ja väsimustugevust. Roomamiskindlus kõrgematel temperatuuridel sõltub pigem termiliselt stabiilsetest intermetallidest, mis on moodustatud mangaani, nikli, tsirkooniumi või haruldaste muldmetallide lisanditega, mitte räni morfoloogiast ning roome- ja pingerebenemiskäitumist iseloomustatakse kohaldatavate ASTM- ja ISO-katsemeetoditega.
Arvutuslik sulami disain
Kaasaegne sulamite väljatöötamine juhindub simulatsioonist enne valuploki valamist. CALPHADi termodünaamilised andmebaasid ennustavad faasitasakaalu, tahkestumise radasid ja lahuse töötlemise temperatuuriaknaid; esiteks-põhimõtted, tihedusfunktsionaalsel teoorial põhinevad arvutused annavad moodustumise ja sidumisenergiad, mis toidavad sademete mudeleid; ja andmepõhised mudelid, mis on koolitatud eksperimentaalsete ja tööstuslike andmete põhjal, juhivad nüüd kompositsioonivalikuid, nagu magneesiumi- ja -räni suhe 6xxx sulamites, kus väike nihe muudab tasakaalu tugevuse, ekstrudeeritavuse ja pinnakvaliteedi vahel. Protsessi simulatsioon sulgeb ahela, kuna vormimist ja kuumtöötlemist modelleeritakse numbriliselt ning valideeritakse mõõdetud moonutuste ja jääkpinge suhtes, nii et kuumtöötlemise tsükleid saab häälestada palju vähemate füüsiliste katsetega, kui seda vajaks puhtalt eksperimentaalne programm.
Korduma kippuvad küsimused
K: Miks on alumiinium nii plastiline?
Näo-keskne kuupvõre pakub kahtteist sõltumatut libisemissüsteemi, nii et deformatsioone saab jaotada paljudel tasapindadel ja suundadel. Suur virnastamisvea energia võimaldab veelgi hõlpsat rist-libisemist, mis hoiab ära stressi kontsentratsiooni ja aeglustab murdumist.
K: Mis määrab sepistatud alumiiniumisulami tugevuse?
Tugevus on tahke lahustugevduse, töökarastuse, sademega kõvenemise, dispersioonitugevduse ja terapiiri tugevdamise summa. Sulamite disainerid ühendavad need mehhanismid vajaliku tugevuse saavutamiseks ilma vormitavust või korrosioonikindlust ohverdamata.
K: Miks lisatakse alumiiniumile skandium?
Skandium moodustab koherentsed Al3Sc sademed, mis viimistlevad valatud terastruktuuri mõne mikromeetrini ja blokeerivad ümberkristallimise. Lisatud tsirkooniumiga on Al3(Sc,Zr) osakesed vastupidavad karestumisele kuni umbes 300-350 C, andes suure tugevuse ja hea keevitatavuse.
K: Mis vahe on T6 ja T73 temperamentidel 7xxx sulamis?
T6 on kõrgeim-vananemine ja annab maksimaalse tugevuse. T73 on ülevanandatud temper, mis loobub umbes 10-15% tugevusest, et saavutada palju parem vastupidavus pingekorrosioonipragunemisele, mistõttu on see ette nähtud märjal töötamisel kriitiliste osade jaoks.
K: Kuidas tera suurus mõjutab mehaanilisi omadusi?
Peenem tera suurus suurendab voolavustugevust Hall{0}}Petchi suhte kaudu ning tavaliselt parandab tugevust ja väsimust. Tera suurust mõõdetakse vastavalt standardile ASTM E112 ja seda kontrollitakse valupraktika, teravilja rafineerimisseadmete ja termomehaanilise töötlemise abil.
K: Milleks kasutatakse CALPHADi sulamite disainis?
CALPHAD loob termodünaamilisi mudeleid, mis ennustavad faaside tasakaalu ja tahkestumise käitumist kogu koostise ja temperatuurivahemikus. Seda kasutatakse legeerimistasemete ja kuumtöötlemise akende valimiseks-, mis vähendab uue sulami kvalifitseerimiseks vajalike katsete arvu.
