برسی تاثیرعناصرالیاژی برروی خواص الومینیم

[zeinab68]

تهیه کننده: حسین صمدی جهاد دانشگاهی مشهد تیر87
برسی تاثیرعناصرالیاژی برروی خواص الومینیم:

الیاژموردمطالعه الیاژ7075

این الیاژ رامیتوان به دو صورت موردمطالعه قرارگیرد.1نورد.2ریختگی

این الیاژ دارای عناصرالیاژی به صورت زیرمیباشد.AL.CU.ZN.FE.SI.CR

که دراین الیاژعناصرzn-cu-mgبه عنوان عناصراصلی الیاژی وعناصرfe-siبه عنوان

عناصردرجه دوم برای دستیابی به یکسری ازخصوصیات استحکامی مورداستفاده قرارمی

گیرند.crعلاوه برخصوصیات استحکامی که ایجادمی کند.به عنوان عناصرجوانه زاهم عمل

میکند.ترکیبات بین فلزی وکمپلکسی که دراین الیاژچه به صورت ریختگی –نوردی میتواند

به وجود بیاید.الیاژریخته گی:fe,cr)AL3-(fe.cr)siAL12-mg2si-crAL7)

الیاژنوردیfe,cr)3siAL12-fecu2AL7-mg2si-cumgAL2-cr2mg3AL18

به طورکلی عناصرZN-MG-CUدارای حلالیت حالت جامد قابل ملاحضه ای درALمی


باشد.عناصرcr-si-feدارای حلالیت حات جامد محدودی درAL بوده ووقتی ازمقادیربیش


ازانحلال وجودداشته باشد.باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی وکمپلکسی می شوند.
کاربرد:

این الیاژ والیاژهایی ازاین نوع که عناصرالیاژی اصلی انها cu-zn-mgباشد.به علت استحکام

بسیارزیادکه ازعملیات حرارتی بوجود می اید.فقط درساختمان هواپیما کاربرددارد.


خصوصیات الیاژ:
1.داری خواص ماشنکاری خوب 2.جزالياژهای عمليات حرارتی پذيرهستند
3.باافزايش دما استحکام تسليم اين الياژ کم ميشود
4.می توان پس ازشکل دادن اوليه برای حصول حداکثر استحکام عمليات حرارتی انحلال وپيرسختی راانجام داد.


مقاومت به خوردگی الياژ7075:
اين نوع الياژ باداشتن مقادیر CU که باعث کاهش مقاومت به خوردگی تنشی م شود که با افزودن crبه اين الياژ باعث افزايش مقاومت به خوردگي مي شود .کرم باتشکیل هسته هايي برای ايجاد رسوب هايي با پخش يکنواخت درداخل ودر مرز دانه ها به عنوان عامل پايدار کننده عمل مي کند.
الياژهای AL-ZN-MG-CUپس از عملیات حرارتی انحلال وسريع سرد شدن درمقايسه با حلتی که به اهستگی سرد شوند دارای مقاومت به خوردگی تنشي بهتری ميشود.
مقاومت به خوردگي الياژ 7075در محيطهای متفاوت
7، هدف از طراحي آلياژ و انجام عمليات حرارتي بر روي آن، دستيابي به xxx در اكثر كاربردهاي آلياژهاي آلومينيم سري
استحكام و تافنس شكست بالا است . البته به غير از پارامتر اندازه دانه ، اثر ساير پارامترهاي ميكرو ساختاري بر روي اين دو معيار در
خلاف جهت يكديگر است . چندين مدل براي تعيين مقدار تافنس به صورت تابعي از پارامترهاي ميكروساختار معرفي شده اند . به طور
6] و نيز مقدار استحكام ، 4] ، كسر رسوب ها بر روي مرزدانه ها [ 5 ، مثال پارامترهايي نظير كسر حجمي رسوب ها درون ساختار آلياژ [ 3
تسليم و توان كار سختي [ 7] از اين جمله اند.
7، تعيين مكانيسم غالب در شكست اين آلياژها كمي مشكل xxx با توجه به پيچيدگي مكانيسم هاي شكست در آلياژهاي سري
مي باشد ، اما مي توان عوامل اصلي كه شكست آلياژهاي آلومينيم با قابليت رسوب سختي را كنترل مي كنند به طور مجزا به شكل زير
خلاصه كرد :
-1 ذرات با ابعاد درشت درون ساختار اين آلياژها، مكانهاي مناسبي براي شروع شكست هستند [ 8]، به نحوي كه خواصي مثل تافنس با
.[ افزايش كسر حجمي اين ذرات كاهش مي يابند [ 9
ها نيز كه در اكثر موارد براي جلوگيري از تبلور مجدد به سا ختار اضافه مي شوند، شرايط مناسبي را براي رشد Despersoid -2
11 ] و البته از سوي ديگر با بهبود ساختار دانه ها، سبب افزايش استحكام و تافنس مي گردند . ، حفره هاي داكتيل فراهم مي آورند [ 10
لذا، به طور كلي اثر اين ذرات بر روي مقدار تافنس شكست مشخص نمي باشد.
-3 مسير اشاعة ترك كه مي تواند بين دانه اي يعني از مرز دانه ها و يا از طريق مناطق نرم (با استحكام پايين ) اطراف مرزها عبور كند .
اين دوگانگي به دليل اثر همزمان رفتار پلاستيك دانه ها (استحكام تسليم و قابليت كارسختي ) و از طرفي استحكام ذاتي مرز دانه ها و
مناطق خالي از رسوب اطراف مرزها است. اين پارامترها به نوبة خود به شيوه اجراي عمليات حرارتي بستگي دارند.
-4 نرخ كونچ پس از حل سازي، به نحوي كه نرخ هاي كم كونچ سبب مي گردد بخشي از رسوب ها با ابعاد درشت در مرز دانه ها
رسوب نموده و با ايجاد تردي در مرز دانه ها سبب كاهش مقاومت به شكست شوند (رسوب هاي مرزدانه اي ).

 

[zeinab68]

به طور كلي عمليات پيرسازي بر روي رفتار پلاستيك ي آلياژها اثر مي گذارد . تمركز كرنش مربوط به برش رسوب ها، اثر بحراني
در تافنس شكست ماده دارد و از طرفي سبب ترويج شكست درون دانه اي (به دليل تمركز تنش در مرزدانه هاي حاضر در جلوي
.[14- باندهاي لغزش) مي شود، [ 12
[15] (PFZ) كه توسط نورد و اكستروژن در نمونه ها ايجاد مي گردد ، حضور مناطق عاري از رسوب ها texture از سوي ديگر
و نيز نحوه توزيع رسوب ها سبب خواهد شد تا علاه بر ناهمساني رفتارپلاستيكي، ترك در جهت ترجيحي رشد كند.
ذرات رسوب با ابعاد درشت ، η (MgZn 7 علاوه بر فاز تعادلي ( 2 xxx نتايج آزمايش ها نشان داده است كه در آلياژهاي سري
0/2 درصد از سطح ) وجود دارد [ 46 ]. اين ) Mg2Si 0/7 درصد از سطح ) و ) Al2CuMg و Al7Cu2Fe موجود درون ساختار آلياژ از نوع
رسوب ها اغلب در مرز دانه هاي تبلورمجدد يافته مشاهده مي شوند كه اين موضوع بيانگر آن است كه تبلور مجدد بيشتر با مكانيسم
.[17، 16،13 ، رخ داده است، [ 10 ( Particle Stimulated Nucleation ) جوانه زني فاز دوم بر روي ذرات
Al3Zr ها به صورت Dispersoid ها جوانه مي زنند . (تركيب شيميايي Disperoid اگر نرخ كونچ آهسته باشد، رسوبات بر روي
تشكيل مي دهند و در سرعت هاي بالاي كونچ كردن اين ذرات ديگر بر روي η (MgZn مي باشد). اغلب اين ذرات را فاز تعادلي ( 2
در حدود 240 نانومتر تخمين زده FEG و SEM ، TEM ها ايجاد نمي شوند . ابعاد اين رسوبات به كمك ميكروسكوپ Dispersoid
شده است. رسوب ها حاصل از عمليات پيرسازي به دو گروه عمده تقسيم مي شوند كه در مرزدانه ها و مرزهاي فرعي رسوب مي كنند:
با ابعاد كوچك و در حدود چند ده نانومتر GP -1 مناطق
جوانه زني كرده و حداكثر تا اندازه 60 نانومتر رشد مي كنند. GP كه بر روي η′ -2 مناطق
7 دخالت چهارمكانيسم متفاوت در زير تشخيص داده xxx در آزمايش شكست توسط نمونه هاي پارگي، در مورد آلياژهاي گروه
: [ شده است، [ 6
. Mg2Si و Al7CuFe -1 شكست يا جدايش ذرات رسوب با ابعاد درشت به طور مثال
-2 شكست داكتيل درون دانه اي كه توسط وجود ديمپل ها شناسايي مي گردد كه در مركز هر يك از اين ديمپل ها ذرات رسوب ريز
واقع مي شوند.
-3 شكست برشي درون دانه اي كه مشخصه اصلي آن سطوح مسطح وسيعي است كه توسط تعداد زيادي خطوط لغزش قطع مي شوند.
-4 شكست بين دانه اي كه به صورت سطوح نسبتاً صاف كه البته تا اندازه اي نشان دهنده ساختار دانه ها است معرفي مي گردد.
به نظر مي رسد كه مكانيسم نوع اول ت أثير عمده اي بر روي مقدار تافنس ماده داشته باشد ، زيرا ذرات رسوب درشت بسيار ترد
، مي باشند و لذا شكست و جدايش آنها مي تواند در مراحل اوليه تغييرشكل و پيش از تشكيل ترك ماكروسكوپي صورت گيرد [ 13
.[18 ،14
----------------------------------------------------
تحلیل گزارش:
با توجه به ساختار مورد نظر وجود لکه های سیاه رنگ در زمینه نشان گر این است که می توان با اضافه کردن عناصر آلیا‍ژی در آلومینیوم استحکام آن را بهبود داد بر اساس تئوری های بیان شده از قبل وجود فاز های سخت مانند باعث افزایش سختی وشکست در الیاژمیگردد

 

[zeinab68]

تئوری آلیاژهای ریختگی AI – Zn – cu
این آلیاژها دارای سختی نسبتاً زیاد ولی تاوکششی متوسطی هستند و معمولاً برای ساخت قطعات ریختگی برای مصارف عمومی و تحت تنش های متوسط و کم نظیر در پوش و سرپوش ماشین های ابزار، بعضی از سرسیلندر موتورهای احتراق داخلی، تجهیزات و جعبه های الکتریکی و مهم تر از همه برای ساخت مدل ها در ریخته گری و قالب فلزی برای سوم ریزی، لاستیک و پلاستیک ریزی و یا مواد سرامیکی بکار می روند. این آلیاژها عموماً در قالب ماسه ای ریخته گری می شوند و با آنکه برای ریخته گری تحت فشار اصولاً نا مناسب هستند ولی ریخته گری آنها در قالب های ویژه نیز معمول است. استفاده از انواع گاززداهای حاوی کلرور روی و یا فلاکس های مختلف در ذوب این نوع آلیاژها معمول است. در جریان ساخت آلیاژ بهتر است که مذاب آلومنیوم را به 700co رسانیده و سپس مقدار cu را از طریق آمیژان آلومنیوم – مس به آن اضافه کرد. (در صورتیکه مقدار cu کمتر از 1% درصد باشد، می توان cu را به صورت ورق نازک و مفتول های سیمی همراه با آلومنیوم ذوب نمود در این حال رسیدن به درجه حرارت حدود 700co و عملیات اکسیژن زدائی الزامی است).
مقدار روی zn لازم نیز در مراحل آخر به مذاب اضافه می شود ولی در محاسبات معمولی صحیح تر آن است که مورد کوره های بوته ای حدود 2% تا 3% وزنی روی و در کوره های شعله ای تا 5% درصد وزنی روی برای تلفات آن منظور نمود. روی zn سنگین تر از آلومنیوم AI بوده و به سهولت در ته کوره و یا بوته می نشیند و لذا بهم زدن مذاب از کف بدون ایجاد تلاطم در سطح آن در جریان ذوب و ریخته گری به یکنواختی مذاب کمک می کند : نکته قابل توجه در ذوب این آلیاژها آن است که بوته ها را پس از ذوب نمی توان به راحتی تمیزکاری نمود و از اینرو لازم است که از بوته هایی که برای ذوب این آلیاژها بکار رفته اند برای ذوب سایر آلیاژهای آلومنیوم استفاده نشود. آلیاژهای «آل رو مس» معمولاً عملیات حرارتی پذیر نیستند، ولی به دلیل پدیده های رسوبی و فازهای ثانویه می توان با عملیات پیرسختی استحکام آنها را افزایش داد.

2- بررسی تاثیر عناصر آلیاژی بر روی خواص آلومنیوم
آلیاژمورد مطالعه آلیاژ 7075
این آلیاژ را می توان به دو صورت مورد مطالعه قرار داد : 1- نورد 2- ریختگی
این آلیاژ دارای عناصر آلیاژی به صورت زیر می باشد : AL. CU. ZN. FE. SI. CR
که در این آلیاژ عناصر Zn. Cu. Mg به عنوان عناصر اصلی آلیاژی و عناصر fe – si به عنوان عناصر درجه دوم برای دستیابی به یک سری از خصوصیات استحکامی مورد استفاده قرار می گیرند. Cr علاوه بر خصوصیات استحکامی که ایجاد می کند به عنوان عناصر جوانه زا هم عمل می کند. ترکیبات بین فلزی و کمپلکسی که در این آلیاژ چه به صورت ریختگی-نوردی می تواند به وجود بیاید آلیاژ ریخته گی :
(fe,cr) AL3-(fe-cr)siAL12-mg2si-crAL7
آلیاژنوردی : (fe,cr)3siAL12-fecu2AL7-mg2si-cumgAL12-cr2mg3AL18
به طور کلی عناصرZN – MG – CU دارای حلالیت حالت جامد قابل ملاحضه ای در AL می باشد. عناصر cr – si – fe دارای حلالیت حات جامد محدودی در AL بوده وقتی از مقادیر بیش از انحلال وجود داشته باشد باعث ایجاد ترکیبات بین فلزی و کمپلکسی می شوند.
کاربرد :
این آلیاژ و آلیاژهایی از این نوع که عناصر آلیاژی اصلی آنها cu – zn – mg باشد به علت استحکام بسیار زیاد که از عملیات حرارتی بوجود می آید فقط در ساختمان هواپیما کاربرد دارد.
3- خصوصیات آلیاژ
1- دارای خواص ماشینکاری خوب
2- جزء آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر هستند.
3- با افزایش دما استحکام تسلیم این آلیاژ کم می شود
4- می توان پس از شکل دادن اولیه برای حصول حداکثر استحکام عملیات حرارتی انحلال و پیرسختی را انجام داد.
4- تئوری آزمایشگاهی :
1-4- آماده سازی نمونه :
بعد از تهیه نمونه های آزمایشی آنها را جهت بررسی به آزمایشگاه متالوگرافی آنتقال داده و موارد زیر را برای آماده سازی نمونه انجام می دهیم .
1- برشکاری 2- نمونه برداری 3- سمباده زنی
4- پولیشکاری 5- اچ کردن 6- بررسی ساختار

2-4- بررسی ساختار آلیاژ :




ساختار میکروسکپی آلیاژ Al-Zn-Cu در بزرگنمایی 100x

5- نتیجه :
فاز سفیدرنگ مشاهده شده در زمینه احتمالاً فاز محلول جامد آلومینیوم روی بوده که احتمالاً کمی نیز مس را در خود حل کرده است اما فاز تیره رنگ موجود در مرزها به احتمال قوی ترکیب بین فلزی آلومینیوم و مس بوده که به احتمال زیاد مقدار روی وآهن و سیلیسم را نیز در خود دارد.
سختی اولیه نمونه نیز نسبتاً بالاست که نشان دهنده ترکیبات سخت در آلیاژ می باشد.

 

[zeinab68]

آلیاژ های Znــ Cu ــ Al :
در این سیستم آلیاژی منطقه اصلی فاز اولیه آلومینیوم بسیار وسیع بوده واز 33درصد مس در صفر درصد روی به تا 5 درصد مس در 90 درصد روی ادامه دارد،بنابر این کلیه آلیاژ های تجاری مهم آلومینیوم در این منطقه واقع میشوند . سایر اجزاء ساختمانی در این منطقه سیستم آلیاژی عبارتند از , یک ترکیب بین فلزی به نام از سیستم ، که میتواند آلومینیوم را در خود حل کند ، و یک فاز سه جزیی به نام که میتواند حاوی 5-56 درصد مس و10-30 درصد روی باشد . اطلاعات زیادی در مورد تاثیر عناصر ناخالصی بر روی این سیستم نیست ولی میتوان گفت که روی به عنوان یک رقیق کننده عمل میکند و اجزاء ساختمانی ناشی از وجود عناصر معمولی چون نیز در قسمت آلیاژ های آورده شده است .
تاثیر عناصر آلیاژی بر آلیاژ آلومینیوم - مس- روی:
1. Si :باعث افزایش سیالیت در ریخته گری ونیز افزیش خواص ماشین کاری میشود.
2. Ag : در آلیاژهای برای بهبود رسوب سختی و مقاومت در برابر خوردگی و تنش به میزان 1% تا 0.5% استفاده میشود
3. Cd : موجب افزایش سرعت پیر سختی و افزایش مقاومت به خوردگی میشود .
4. Mn , Mg :کاهش شکل پذیری آلیاژ و نیز کاهش داکتیلیته حداکثر تا 1%
5. Ni :افزایش سختی و استحکام دمای بالا و کاهش ضریب انبساط را باعث میشود
مکانيزم رسوب سختی :برای سخت کردن یک آلیاژ از طریق فرآیند رسوب سختی ابتدا به فلز یک عمل حرارتی محلول سازي داده می شود . در این عمل حرارتی آلیاژ را به درجه حرارتی که به قدر کافی زیاد است تا عناصر آلیاژی را داخل محلول جامد بنماید حرارت میدهند . درجه حرارت مورد استفاده بستگی به ترکیب شیمیایی آلیاژ دارد . پس از حرارت دادن به درجه حرارت انحلال و نگهداشتن آن به مدت لازم آلیاژ به درجه حرارت پایین تری سریعاسرد میشود تا این عناصر را درمحلول جامد فوق اشباع شده نگه دارد.
قسمت دوم فرآیند رسوب سختی ، پیر کردن است که در خلال آن رسوبات تشکیل میگردد . اگر رسوب گیری که باعث سختی آلیاژ می شود خود به خود در درجه حرارت محیط انجام گیرد گفته میشود آلیاژ به صورت طبیعی پیر شده است در هر حال اگر لازم باشد آلیاژ را حرارت داد (معمولا در 260 ــ93 درجه سانتیگراد به مدت چندین ساعت ) تا رسوب گیری انجام شود در آن صورت آن را پیر سختی مصنوعی می نامند .آلیاژ های آلومینیوم که قابل سخت شدن از طریق رسوب سختی هستند را بنا به تعریف " آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر" می نامند .
فرآیند رسوب سختی آلیاژ های الومینیوم را میتوان به صورت زیر خلاصه کرد :
1. گرم کردن تا رسیدن به درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال ( حل کردن ) :
درجه حرارت عملیات حرارتی طوری انتخاب میگردد که بالاتر از منحنی حلالیت جامد باشد ولی خطر ذوب اجزای یوتکتیکی با نقطه ذوب پایین وجود نداشته باشد و حدود دقت 5.5 درجه سانتیگراد نگه داشته میشود و آلیاژ هایی که بیشتر از حد معین حرارت داده میشود بطور جزیی ذوب شده و درآن صورت فلز مربوطه را باید به دلیل ازدست دادن خواص مکانیکی به صورت قراضه وضایعات درآورد .
2. حرارت دادن در آن درجه حرارت برای مدت زمان کافی :
زمان لازم برای عملیات حرارتی به آلیاژ و نوع محصول بستگی دارد بطور کلی قطعات کار شده احتیاج به زمان کمتری نسبت به قطعات ریختگی داشته و قطعات کار سرد شده زمان کمتری نسبت به قطعات کار گرم شده دارند . قطعات ریختگی در ماسه به علت درشت بودن اجزای ساختمانی آنها زمان بیشتری نسبت به قطعات ریختگی در قالب دائمی دارند .
3. سریع سرد کردن به درجه حرارت نسبتا پایین :
معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژ های آلومینیوم آب داغ (برای قطعات پتکاری شده و ریختگی که مقاومت به خوردگی درآنها مهم نیست بکار میرود و دمای آن بین 66 تا 88 درجه سانتیگراد است)و آب سرد (برای مواد نازک مانند ورق ، قطعات فشار کاری شده ، لوله وقطعات پتکاری شده کوچک به کار میرود و دمای آن 29 درجه سانتیگراد است ،سرد شدن ناگهانی حد اکثر مقاومت در برابر خوردگی را به آلیاژ میدهد ولی ممکن است موجب اعوجاج گردد . ماده ای که سرد میگردد باید تا حد امکان سریع از کوره خارج و به مخزن سرد کننده انتقال یابد . برای ورق ساخته شده از آلیاژ های 2017 و 2024 زمان انتقال نباید از 10 ثانیه تجاوزکند در غیر این صورت این آلیاژ ها ممکن است آمادگی برای خوردگی بین دانه ای را پیدا کنند .
4. پیر کردن برای رسوب سختی از طریق :
الف- پیر کردن طبیعی در درجه حرارت محیط ( پیر کردن طبیعی )
ب- پیرکردن مصنوعی به وسیله حرارت دادن در یک درجه حرارت پایین 93ــ 260 درجه سانتیگراد به مدت لازم .
به عنوان مثال عملیات حرارتی یک آلیاژ را درنظر بگیرید . ابتدا آلیاژ به 504 درجه سانتیگراد حرارت داده میشود تا تمام مس وارد محلول جامد گردد سپس آلیاژ در آب سرد سریعا سرد میشود تا به درجه حرارت محیط برسد . اگر آلیاژ به درجه حرارت 171 درجه به مدت ده ساعت حرارت داده شود از طریق پیر کردن مصنوعی سخت میگردد . البته اگر این آلیاژ حاوی 0.5 درصد منیزیم باشد میتواند در درجه حرارت محیط بصورت طبیعی پیر سخت شود .
ناخالصي آلیاژ های ریختگی آلومینیوم - مس- روی:
مس سیالیت آلیاژ را به مقدار کمی کاهش میدهد ، اغلب آلیاژهای آلومینیوم ــ مس کمتر از 10% مس دارند و آلیاژهای صنعتی آنها حدود 2% تا 5% مس دارند . مس همچنین شدت اکسیداسیون مذاب و همچنین درصد حلالیت هیدروژن را کاهش میدهد .
مس به دلیل نقطه ذوب بالا (1083درجه سانتیگراد)به صورت خالص به آلیاژ اضافه نمی شود و بیشتر از آمیژان 50 ــ50 و آمیزان یوتکتیک 33 ــ 67 استفاده میشود. برای ساخت آمیژانها ابتدا مس را ذوب کرده و از فوق ذوب جلوگیری میکنند و آلومینیوم را در قطعات کوچک و به دفعات 4 تا 5 مرتبه به آن می افزایند . کلیه عملیات کیفی مذاب بعد از افزایش آمیژان مس همراه به شارژ به بوته داده میشود
متالوگرافی:پس از اینکه نمونه ها را برش داده و سطوح آنها را صاف کردیم مرحله سمباده زنی را شروع کرده واز سمباده درشت تا ریز سنباده زنی را ادامه دادیم شماره های سنباده های استفاده شده به قرار زیر است :
120 ، 180 ، 220 ، 320 ، 400 ، 600 ، 800 ، 1200
سپس به مرحله پولیش رفته و سطح نمونه ها را پولیش کردیم . ولی با توجه به مدت زمان مناسب و دقت لازم در مرحله پولیش کاری باز هم مقداری خش بر روی سطح باقی ماند.
پس از شستشو و خشک نمودن نمونه آن را متالوگرافی کرده و از سطح نمونه ها عکس گرفته و در زیر ضمیمه شده کردیم .

نتیجه گیری:

پس از عملیات رسوب سختی ،سختی آلیاژ و خواص مکا نیکی ان بعد از عملیات حرارتی محلولی افزایش می دهد.در عملیات حرارتی محلولی باعث ایجاد محلول جامد فوق اشباع وحذف فاز تتا میشود.