261
Ćwiczenie 31
BADANIA MIKROSKOPOWE
STOPÓW ALUMINIUM I MAGNEZU
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie struktur typowych stopów aluminium i magnezu.
2. WIADOMORCI PODSTAWOWE
Rozwój techniki, szczególnie w dziedzinie budowy samolotów, rakiet i samocho-
dów, spowodował wzrost zapotrzebowania na stopy konstrukcyjne o małym ciężarze
właSciwym. Stopami, które mogły sprostać temu wymaganiu, są stopy aluminium (c. wł.
2,7 G/cm3) i magnezu (c. wł. 1,7 G/cm3) popularnie zwane stopami metali lekkich.
WłasnoSci mechaniczne stopów metali lekkich ocenia się stosunkiem wytrzymało-
Sci na rozciąganie do ciężaru właSciwego, zwanym wytrzymałoScią ciężarową, umoż-
liwiającym porównanie różnych materiałów konstrukcyjnych. Wybór stopu zależy rów-
nież od jego ciągliwoSci, udarnoSci, podatnoSci na działanie karbu, wytrzymałoSci
zmęczeniowej, odpornoSci na korozję oraz od jego ceny. Poza tym w konstrukcjach
duże znaczenie ma sztywnoSć zależna od modułu sprężystoSci np. jeSli sztywnoSć
stalowej belki przyjmiemy jako 100% to sztywnoSć utwardzonego wydzieleniowo du-
raluminium będzie wynosić 33%, a stopu magnezu również w stanie obrobionym cieplnie
zaledwie 22%.
2.1. Stopy aluminium
Stopy aluminium są dwu- lub wieloskładnikowe; w zależnoSci od ich własnoSci tech-
nologicznych dzieli się je na na stopy odlewnicze i stopy przerabialne plastycznie.
2.1.1. Odlewnicze stopy aluminium
Stopami odlewniczymi są stopy aluminium z krzemem, miedzią lub magnezem.
Przeważnie są to stopy o składzie eutektycznym, gdyż mają wówczas niską tempera-
turę topnienia, dobrą lejnoSć i mały skurcz odlewu.
Najpopularniejsze są stopy aluminium z krzemem (dwuskładnikowe), zwane
siluminami. Pod względem zawartoSci krzemu siluminy dzielimy na:
podeutektyczne, zawierające od 4 do 10% Si,
Opracował: Marek Mazur
262
eutektyczne, zawierające od 10 do 13% Si, np. AlSi11,
nadeutektyczne, zawierające od 17 do 30% Si.
Siluminy pod- i nad- eutektyczne są zwykle wieloskładnikowe, oprócz krzemu za-
wierają dodatki Cu, Mg, Mn i Ni (np. AlSi21CuNi, AlSi5Cu1), co pozwala obrabiać je
cieplnie (przesycanie i stażenie) zwiększając ich wytrzymałoSć.
Na podstawie wykresu równowagi
t i
fazowej Al-Si (rys. 31.1) można stwier-
dzić, że stopy aluminium z krzemem przy 4
4
zawartoSci 11,6% Si krzepną jako stopy
eutektyczne. Charakteryzują się one do-
L
brymi własnoSciami odlewniczymi, nie
wykazują skłonnoSci do pękania na go-
rąco. Eutektyka składa się z gruboigla-
L + i
stych kryształów roztworu (prawie czy-
sty Si) na tle kryształów roztworu stałego
i
7 L + ą
ą. W stopach nadeutektycznych wystę-
77
pują na tle eutektyki doSć duże, wydzie-
ą
ą + i
lone pierwotnie, ostrokątne kryształy .
4
W stopach podeutektycznych spotykamy
rozetkowate wydzielenia eutektyki ( )
,
,
na tle roztworu stałego . Występowa-
4
nie dużych i ostrokątnych kryształów
l g i i
(prawie czysty Si) w stopach eutektycz-
nych i nadeutektycznych wpływa nega- Rys. 31.1. Wykres równowagi Al-Si
tywnie na ich własnoSci mechaniczne.
W wyniku dodatku do stopu eutektycznego bezpoSrednio przed jego odlaniem małej
iloSci sodu lub soli sodu (tzw. zabieg modyfikowania), skład eutektyki ulega przesu-
nięciu do większego stężenia Si, tj. ok. 13%, a temperatura przemiany eutektycznej
obniża się do 564C (rys. 31.2), przez co stopy takie mają budowę charaktrystyczną
dla stopów podeutektycznych (drobnoziarnista eutektyka na tle roztworu stałe-
go ). Siluminy nadeutektyczne modyfikowane są fosforem przez co w ich strukturze
występuje eutektyka i drobne cząstki dyspersyjnie wydzielonego roztworu .
Siluminy wyróżniają się dobrymi własnoSciami odlewniczymi, mają mały skurcz
i dużą rzadkopłynnoSć, co umożliwia wykonywanie cienkoSciennych wyrobów. Poza
tym jako stopy eutektyczne krzepną przy stałej temperaturze, nie wykazując przy tym
skłonnoSci do segregacji. Siluminy dznaczają się dobrą odpornoScią na korozję atmos-
feryczną pod warunkiem, że nie mają nadmiernej iloSci zanieczyszczeń, a zwłaszcza
żelaza. Są one odporne również na działanie wody morskiej, wód mineralnych, a na-
wet sody, amoniaku i kwasu azotowego, stężonego i rozcieńczonego. Siluminy pod-
i eutektyczne stosowane są głównie na skomplikowane i wysoko obciążone odlewy
częSci maszyn, silników, statków itp. Siluminy nadeutektyczne są stopami stosowany-
263
mi do wyrobu głowic i tłoków do silników
spalinowych, gdyż mają mały współczyn-
nik rozszerzalnoSci cieplnej i dobrą odpor-
noSć na Scieranie.
Oprócz siluminów na odlewy stosuje
się stopy aluminium - miedx i aluminium -
magnez, o składzie zapewniającym im
strukturę podeutektyczną, która składa się
z kryształów roztworu stałego i eutek-
tyki. Stopy Al-Cu zawierają do 5% Cu
i niekiedy dodatek Ti wpływający na roz-
Rys. 31.2.
drobnienie ziarna. Ustępują one siluminom
Wpływ modyfikowania na układ równowagi
pod względem własnoSci, są jednak mniej
Al-Si
skłonne do tworzenia warstewek tlenków
przy topieniu, dzięki czemu odlewanie ich jest łatwiejsze. Charakteryzują się dobrą
lejnoScią, odpornoScią na uderzenia oraz niezmienną wytrzymałoScią przy podgrzaniu
do temperatury 200C. Nie wykazują jednak dobrej odpornoSci na korozję, gdyż wy-
dzielenia CuAl2 stwarzają ogniwa lokalne. Stopy te obrabia się cieplnie podobnie jak
siluminy (przesycanie i stażenie). Są stosowane na wszelkiego rodzaju odlewy o doSć
dobrych własnoSciach mechanicznych i dobrej obrabialnoSci.
Stopy aluminium z magnezem zawierają zwykle od 4 do 11% Mg i Si (np. AlMg10,
AlMg5Si1) oraz w niewielkich stężeniach: Mn, Cr, Cu, Ti, Li. Są one, po siluminach,
najczęSciej stosowanymi stopami odlewniczymi aluminium. Charakteryzują się gor-
szymi własnoSciami odlewniczymi niż stopy Al-Si i Al-Cu przy dobrych własnoSciach
mechanicznych. Ważną ich cechą jest dobra odpornoSć na korozję, szczególnie w sta-
nie przesyconym. Stosowane są na odlewy armatury morskiej, aparaturę chemiczną,
częSci silnie obciążone i narażone na uderzenia, elementy dekoracyjne.
2.1.2. Stopy aluminium do przeróbki plastycznej
Ze względu na podatnoSć do obróbki cieplnej stopy te można podzielić na:
a) nie obrabiane cieplnie,
b) obrabiane cieplnie.
Teoretyczną granicę podziału stanowi największa zawartoSć rozpuszczonego skład-
nika w roztworze stałym przy temperaraturze pokojowej (rys. 31.3). Stopy aluminium
nie obrabiane cieplnie mają strukturę roztworu stałego a przez co charakteryzują się
bardzo dobrą plastycznoScią w temperaturze otoczenia i dobrą, zależnie od zawartoSci
zanieczyszczeń, odpornoScią na korozję. Wadą ich jest stosunkowo niska wytrzyma-
łoSć. Można ją zwiększyć przez umocnienie zgniotem, równoczeSnie jednak ulegają
obniżeniu własnoSci plastyczne. Stosowane są na elementy głębokotłoczne i kute o zło-
żonych kształtach. Należą do nich odporne na korozję stopy Al-Mg (do 5% Mg, Si,
264
Mn, Cr) zwane hydronalium, np. AlMg1,
AlMg1SiMn, oraz stopy z manganem (do
2% Mn) tzw.alumany, np. AlMn1.
Stopy do przeróbki plastycznej obrabia-
ne cieplnie są oparte na układach równo-
wagi podwójnej: Al-Zn i Al-Cu (durale),
Al-Si (stop AVIA) oraz Al-Mg (Antico-
rodal i Aldrey). Dzięki obróbce cieplnej
uzyskują one wysoką wytrzymałoSć; mają
jednak gorszą plastycznoSć od stopów nie
obrabianych cieplnie (przeróbka plast. na
l B,
gorąco).
Durale to stopy Al-Cu-Mg-Mn, tzw.
Rys. 31.3.
durale miedziowe, (np. AlCu4Mg1, Al-
Podział stopów: a) przerabiane plastycznie:
Cu2Mg) i durale cynkowe Al-Zn-Mg- a1 nie obrabiane cieplnie, a2 obrabiane ciepl-
nie, b) odlewnicze. B drugi składnik stopu
Cu (np. AlZn6Mg2Cu). Ze względu na
wysokie, po obróbce cieplnej, własnoSci
wytrzymałoSciowe przeznaczone są do wyrobu szczególnie odpowiedzialnych ele-
mentów. Rozróżnia się durale o podwyższonej wytrzymałoSci z 4 do 5% Cu i o pod-
wyższonej plastycznoSci o zawartoSci poniżej 3% Cu. Po utwardzeniu wydzielenio-
wym wytrzymałoSć durali cynkowych sięga Rm = 650 MPa, czyli jest zbliżona do
wytrzymałoSci stali typu SSPW. Wadą durali miedziowych jest ich mała odpornoSć na
korozję, zwłaszcza w wodzie morskiej, dla uniknięcia której trzeba częSci konstrukcji
pokryć farbą, metalizować lub platerować. Durale cynkowe mają dobrą spawalnoSć i
większą odpornoSć korozyjną.
Wieloskładnikowe stopy Al z Cu zawierające oprócz Mg, Si i Mn także Fe, Ni, Ti
lub Zn (np. AlCu2Mg2NiSi, AlCu4SiMn) charakteryzują się w temperaturze pokojo-
wej nieco gorszymi własnoSciami mechanicznymi niż durale miedziowe jednakże nie-
zmiennoSć własnoSci pozwala na stosowanie ich w temperaturach podwyższonych tj.
do 350C. Mają przy tym dobrą odpornoSć na korozję gazową i erozję.
Obróbka cieplna durali polega na wyżarzaniu rekrystalizującym po zgniocie na
zimno oraz utwardzaniu wydzieleniowym.
Stopy aluminium z krzemem (AVIA) cechuje dobra skrawalnoSć, odpornoSć na
korozję i Scieranie. Podobne własnoSci ma stop Anticorodal (Al-Mg-Si-Mn) przy
czym jego odpornoSć na korozję jest dużo większa. Inny stop z rodziny stopów Al-Mg
Aldrey , z uwagi na nieco tylko gorszą niż aluminium przewodnoSć elektryczną, przy
dwukrotnie większej wytrzymałoSci, jest stosowany jako materiał na druty i przewody
elektryczne. Stopy aluminium z manganem (do 1,5% Mn) i niewielkimi dodatkami Ta,
Ti, Zr lub B mają dobrą odpornoSć na korozję przez co znajdują zastosowanie na
elementy pracujące w agresywnych oSrodkach korozyjnych, np. w przemySle che-
micznym i spożywczym oraz na spawane zbiorniki na ciecze i gazy techniczne.
t r
te er
265
Wszystkie stopy aluminium z miedzią, magnezem lub cynkiem mają dużą skłon-
noSć do korozji międzykrystalicznej (zwłaszcza przy działaniu naprężeń).
Obecnie prowadzone są prace nad optymalizacją składu chemicznego przerabia-
nych plastycznie stopów aluminium - lit (do 2,7% Li) z niewielkimi dodatkami Mg, Cu
i Zr. Lit ma pięciokrotnie niższą gęstoSć od aluminium a wysoka wartoSć modułu
sprężystoSci jego stopu z Al pozwala na zmniejszenie masy konstrukcji np. samolotu o
ok. 7,5% w stosunku do konstrukcji z duralu.
2.2. Stopy magnezu
Stopy magnezu mają ciężar właSciwy nieco większy od ciężaru właSciwego czy-
stego magnezu. Dzięki wyjątkowej lekkoSci stopy te często noszą nazwę ultralekkich.
Według własnoSci technologicznych dzieli się je na stopy odlewnicze i stopy przera-
bialne plastycznie.
2.2.1. Odlewnicze stopy magnezu
Odlewnicze stopy magnezu można podzielić na dwie grupy, a to:
" dwuskładnikowe z dodatkiem 1,2% Si lub 2% Mn,
" czteroskładnikowe na bazie Mg-Al-Zn-Mn.
Stopy grupy pierwszej mają niskie własnoSci mechaniczne przy dużej odpornoSci
na korozję. Odlewy z nich są bardzo Scisłe i dlatego bywają stosowane na zbiorniki na
benzynę, oleje oraz armaturę chemiczną o podwyższonej odpornoSci na korozję.
Stopy grupy drugiej zwane elektronami zawierają oprócz magnezu: 2,5 do 11% Al,
0,5 do 3% Zn, 0,10 do 0,5% Mn. Stopy z małą zawartoScią aluminium nie są obrabiane
cieplnie i używa się ich na proste odlewy o dobrej szczelnoSci. Elektrony o zawartoSci
powyżej 6% Al poddaje się utwardzaniu wydzieleniowemu. WłasnoSci wytrzymało-
Sciowe elektronów pozwalają na stosowanie ich na Srednio lub silnie obciążone częSci
samolotów, samochodów, obudowy przyrządów, korpusy wiertarek, przy czym ich
odpornoSć na działanie atmosfery jest prawie taka sama jak aluminium. Stosunkowo
wysoką odpornoSć wykazuje elektron na działanie silnych zasad oraz związków orga-
nicznych, natomiast mniejszą na działanie kwasów.
2.2.2. Stopy magnezu do przeróbki plastycznej
Są to przeważnie stopy czteroskładnikowe Mg-Al-Zn-Mn, tj. elektrony o mniej-
szych zawartoSciach aluminium niż w stopach odlewniczych (poniżej 3% Al) oraz
stopy trójskładnikowe: Mg-Zn-Zr, Mg-Mn-Cu. Ze względu na strukturę krystaliczną
magnezu (typu A3) własnoSci plastyczne stopów magnezu są znacznie gorsze od
stopów żelaza, miedzi czy aluminium. Dlatego też przeróbka plastyczna na zimno jest
w ich przypadku ograniczona, zwłaszcza, że zjawisko zgniotu jeszcze bardziej utrudnia
266
ten proces. W wyższych temperaturach, pmiędzy 230 a 450C, plastycznoSć stopów
magnezu wzrasta (przeróbka plast. na gorąco). Obróbka cieplna stopów przerabia-
nych plastycznie daje małe efekty i jest rzadko stosowana.
Czteroskładnikowe stopy Mg są odporne na korozję, dobrze spawalne i skrawalne.
Nie wykazują one skłonnoSci do korozji naprężeniowej, jednakże wraz ze wzrostem
temperatury ich własnoSci mechaniczne obniżają się. Wady tej nie mają stopy trój-
składnikowe z Zr lub Ce. Podczas spawania stopów Mg należy stosować specjalne
topniki i atmosfery ochronne gdyż stopy ulegają silnemu utlenieniu.
Stopy magnezu do przeróbki plastycznej stosowane są na blachy, pręty, odkuwki,
kształtowniki do budowy samolotów, Smigła, zawieszenia silników lotniczych itp.
Podobnie jak w przypadku stopów aluminium prowadzi się badania nad stopami
Mg-Li.
2.2.3. Uwagi ogólne
Stopy magnezu nie dorównują własnoSciami wytrzymałoSciowymi stopom alumi-
nium. Jeżeli jednak porównać wytrzymałoSci ciężarowe, to otrzymuje się wartoSci
bardzo zbliżone, na przykład:
Rm/ł: dla stopów Al 40/2,8 = 14
dla stopów Mg 24/1,8 = 13,5
Dlatego też nie jest celowe zastępowanie częSci ze stopów aluminium przez ele-
menty większe wykonane ze stopów magnezu. Natomiast celowe jest stosowanie
stopów magnezu tam, gdzie nie są zbyt wysokie wymagania wytrzymałoSciowe, a ob-
niżenie ciężaru konstrukcji pozwala na znaczną oszczędnoSć pracy związanej z prze-
noszeniem elementów o małej masie (np. pojazdy, samoloty).
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
1. Mikroskop metalograficzny.
2. Komplet zgładów metalograficznych.
3. Komplet przexroczy mikrostruktur stopów Al, Mg.
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
1. Omówienie celu ćwiczenia z równoczesnym prezentowaniem na przeżroczach
charakterystycznych mikrostruktur i odpowiadającym im fragmentów układów rów-
nowagi fazowej.
2. Obserwacje mikroskopowe zgładów.
3. Narysowanie wskazanych przaz prowadzącego mikrostruktur z zaznaczeniem skład-
ników strukturalnych.
267
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Rysunki mikrostruktur.
2. Krótkie informacje dotyczące związku pomiędzy charakterem mikrostruktury a wła-
snoSciami stopów.
6. LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
[1] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1994.
[2] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1976.
[3] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd.
Politechniki Rląskiej, Gliwice 1993.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
wstępne badania mikroskopowe 20159 BADANIA MIKROSKOPOWE ŻELIW BIAŁYCH, SZARYCH I CIĄGLIWYCHTERMOGRAFICZNE BADANIA MIKROSKOPOWE ELEMENTÓW LASERÓW PÓŁPRZEWODNIKOWYCHBadania mikroskopowe stali niestopowychbadania mikrospokowe stali stopowych konstrukcyjnych27 BADANIA MIKROSKOPOWE STALI I STOPÓW SPECJALNYCHBADANIA KOROZYJNE ALUMINIOWYCH KOMPOZYTÓW ZBROJONYCH SIC WYKORZYSTYWANYCH DO PRODUKCJI TARCZ HAMULCOMetody mikroskopowe w badaniach struktury produktów żywnościowychMikroskopia świetlna i elektronowa w badaniach naukowychwięcej podobnych podstron