Krystalová struktura a deformační chování hliníku
Hliník krystalizuje v-centrované kubické mřížce. Tato struktura poskytuje dvanáct nezávislých skluzových systémů - čtyři těsně -složené {111} roviny, z nichž každá obsahuje tři blízko{5}}složené směry -, což je základní důvod, proč se hliník deformuje tvárným, homogenním způsobem, místo aby náhle selhal. Hustota mřížky 2,70 g/cm3 je asi jedna třetina hustoty oceli, takže stejný-objemový profil hliníku váží zhruba o 65 % méně, a to je vlastnost, která řídí výběr materiálu, kdykoli je hmotnost hybatelem designu.
Hliník má také vysokou energii při vrstvení, takže částečné dislokace se snadno rekombinují a šroubové dislokace se snadno kříží-při pokojové teplotě. Z toho plynou dva praktické důsledky: zotavení je rychlé, takže kov opracovaný za studena během žíhání rychle měkne a skluz je spíše zvlněný než rovinný, což způsobuje dislokační buněčnou strukturu a rychlý nárůst průtokového napětí, jak se napětí hromadí.
Velikost zrna, dislokace a zdroje síly
Tvářený hliník není nikdy zpevněn pouze jedním mechanismem. Konstrukce slitiny spočívá v kombinaci dostupných mechanismů tak, aby bylo dosaženo požadované pevnosti bez poškození tvarovatelnosti nebo odolnosti proti korozi:
Pevné zpevnění roztoku- hořčík, mangan, měď a křemík rozpuštěné v matrici deformují mřížku a brání pohybu dislokace. Toto je hlavní mechanismus v rodině 5xxx.
Otužování práce- jediná praktická cesta zpevnění pro -tepelně-nezpracovatelné slitiny 1xxx, 3xxx a 5xxx, kontrolovaná pomocí označení teploty.
Srážkové kalení- primární cesta pro slitiny 2xxx, 6xxx a 7xxx, kde koherentní nebo semi{4}}koherentní částice blokují prokluz.
Posilování disperze- nekoherentní částice, jako je Al20Cu2Mn3, Al6Mn a Al12Mg2Cr hranice zrn a podzrn a řídí rekrystalizaci.
Zjemnění zrna- jemnější velikost zrna zvyšuje mez kluzu prostřednictvím Hallova-vztahu Petch a zlepšuje houževnatost; velikost zrna se měří v souladu s ASTM E112.
Precipitační kalení ve slitinách 7xxx
Rodina Al-Zn{1}}Mg-Cu poskytuje nejvyšší pevnost ze všech komerčních tvářených hliníkových slitin a její chování je nejlépe pochopitelné ze sekvence precipitace: přesycený pevný roztok, poté Guinier-Prestonovy zóny, pak metastabilní eta{4}}primární fáze a nakonec stabilní fáze eta2 (MgZn).
GP zónytvoří se během přirozeného stárnutí při pokojové teplotě a poskytují brzký nárůst pevnosti.
Eta-primeje koherentní fáze, která vytváří špičkovou pevnost. Stárnutí na tvrdost T6 ve slitině typu 7075 dosahuje pevnosti v tahu zhruba 570 MPa.
Přestárnutína T73 nebo T76 roste stabilní eta fáze a obětuje zhruba 10-15 % pevnosti výměnou za výrazně lepší odolnost vůči praskání korozí pod napětím. Tento obchod je nezbytný pro kritické díly v mokrém nebo dynamickém provozu a je hodnocen pomocí metod, jako je ASTM G47.
Retrogrese a znovu{0}}stárnutíkrátce rozpouští precipitáty na hranicích zrn a poté obnovuje{0}}materiál, čímž obnovuje většinu maximální pevnosti a zároveň zachovává nespojitou strukturu hranic zrn, která poskytuje odolnost proti korozi.
Přísady zirkonia a chrómu tvoří během homogenizace disperzoidy Al3Zr a Al18Mg3Cr2. Tyto částice jsou nekoherentní nebo semi{5}}koherentní a zabraňují rekrystalizaci, takže tvarovaná textura a související houževnatost jsou zachovány i při zpracování v roztoku.
Scandium a zirkonium: Koherentní disperzoidní design
Přidáním asi 0,2 % skandia do hliníkové taveniny se při tuhnutí vytvoří částice Al3Sc. Al3Sc má strukturu L12, je koherentní s hliníkovou matricí a je extrémně účinným zjemňovačem zrna: velikost litého zrna klesá na několik mikrometrů a rekrystalizace je silně potlačena, protože částice se při opracování za tepla spojují.
Zirkonium se nahrazuje mřížkou Al3Sc a vytváří jádro-skořápku Al3(Sc,Zr) sraženinu, která odolává zhrubnutí na přibližně 300{7}}350 C, což zvyšuje užitečnou provozní teplotu výrazně nad teplotu konvenčních slitin 2xxx a 7xxx. Tvářené produkty Al-Mg-Sc a Al{10}}Zn-Mg-Sc dosahují meze kluzu od zhruba 300 MPa do zhruba 550 MPa v závislosti na matrici a temperaci, přičemž si zachovávají dobrou svařitelnost a většinu svých vlastností v tepelně ovlivněné zóně. Tato kombinace vysvětluje jejich použití v leteckých strukturách a při výrobě aditivních prášků, kde je jemná, tepelně stabilní struktura zrna nezbytná pro konzistentní chování v lázni taveniny.
Chování při zvýšené teplotě a lití slitin
Konstrukce z vysokoteplotního hliníku{0} je v podstatě bojem proti hrubnutí částic. Dispersoidy, jako je Al3(Sc,Zr) a Al20Cu2Mn3, zůstávají stabilní výrazně nad teplotou stárnutí a pokračují v hraničních přechodech; zjemňovače zrn boridu titanu a karbidu titanu potlačují růst zrn během tuhnutí a zpracování v roztoku; a ve slitinách Al-Si pro odlévání modifikace stronciem zušlechťuje eutektický křemík z hrubých destiček na jemnou vláknitou morfologii, což značně zvyšuje tažnost a únavovou pevnost. Odolnost proti tečení při vyšších teplotách závisí na tepelně stabilních intermetalických látkách vytvořených s přísadami manganu, niklu, zirkonia nebo vzácných zemin spíše než na morfologii křemíku a chování při tečení a namáhání je charakterizováno pomocí použitelných zkušebních metod ASTM a ISO.
Výpočetní design slitiny
Moderní vývoj slitin je řízen simulací před tím, než je ingot vůbec odlit. Termodynamické databáze CALPHAD předpovídají fázové rovnováhy, dráhy tuhnutí a teplotní okna pro zpracování roztokem; první-výpočty principů založené na teorii funkcionálu hustoty poskytují formovací a vazebné energie, které napájejí modely srážek; a modely založené na datech-vytrénované na experimentálních a průmyslových datech nyní vedou při výběru složení, jako je poměr hořčíku-k{4}}křemíku ve slitinách 6xxx, kde malý posun změní rovnováhu mezi pevností, vytlačovatelností a kvalitou povrchu. Simulace procesu uzavírá smyčku, protože tváření a tepelné zpracování jsou numericky modelovány a ověřeny s ohledem na naměřené zkreslení a zbytkové napětí, takže cykly tepelného zpracování- lze vyladit s mnohem menším počtem fyzikálních zkoušek, než by vyžadoval čistě experimentální program.
Často kladené otázky
Otázka: Proč je hliník tak tažný?
Plochá-centrovaná kubická mřížka nabízí dvanáct nezávislých skluzových systémů, takže deformace může být rozložena do mnoha rovin a směrů. Vysoká energie nahromadění chyby dále umožňuje snadné křížové-prokluzování, které zabraňuje koncentraci napětí a oddaluje zlomeninu.
Otázka: Co určuje pevnost tvářené hliníkové slitiny?
Pevnost je součtem zpevnění tuhého roztoku, mechanického zpevnění, precipitačního zpevnění, disperzního zpevnění a zpevnění hranic zrn. Konstruktéři slitin kombinují tyto mechanismy, aby dosáhli požadované pevnosti, aniž by byla obětována tvarovatelnost nebo odolnost proti korozi.
Otázka: Proč se skandium přidává do hliníku?
Scandium tvoří koherentní Al3Sc precipitáty, které zjemňují strukturu litého zrna na několik mikrometrů a blokovou rekrystalizaci. S přidaným zirkonem částice Al3(Sc,Zr) odolávají zhrubnutí na asi 300-350 C, čímž poskytují vysokou pevnost s dobrou svařitelností.
Otázka: Jaký je rozdíl mezi temperováním T6 a T73 ve slitině 7xxx?
T6 je vrchol-starosti a poskytuje maximální sílu. T73 je přestárlý temper, který odevzdává zhruba 10-15 % pevnosti, aby získal mnohem lepší odolnost proti praskání korozí pod napětím, a proto je určen pro kritické díly v mokrém provozu.
Otázka: Jak velikost zrna ovlivňuje mechanické vlastnosti?
Jemnější velikost zrna zvyšuje mez kluzu prostřednictvím Hall{0}}Petchova vztahu a obvykle zlepšuje houževnatost a únavové vlastnosti. Velikost zrna se měří podle ASTM E112 a je řízena praxí odlévání, zjemňováním zrn a termomechanickým zpracováním.
Otázka: K čemu se CALPHAD používá v designu slitin?
CALPHAD vytváří termodynamické modely, které předpovídají fázové rovnováhy a chování při tuhnutí v celém složení a teplotním rozsahu. Používá se k výběru úrovní legování a oken tepelného-zpracování, čímž se snižuje počet experimentálních zkoušek potřebných ke kvalifikaci nové slitiny.
