Вікове зміцнення сплавів d; алюміній - MetalBlog

Блог експертів з металургії

Вікове зміцнення алюмінієвих сплавів AlSi7Mg0.3 - чисельна модель.

Вікове зміцнення дозволяє отримати оптимальні механічні властивості (Rp0,2, подовження, твердість) багатьох алюмінієвих сплавів, зокрема ливарних сплавів. Дійсно, якщо зупинитися на останньому, на гравітаційне лиття припадає близько 50% тоннажу литих алюмінієвих сплавів і близько 65% обороту. Однак багато алюмінієвих сплавів (Al Si7Mg, Al Si10Mg та ін.) Містять мідь та/або кремній та магній, елементи, що дозволяють проводити термічну обробку (T4, T64, T6, T7) і, таким чином, підвищувати механічні властивості завдяки до механізмів структурного зміцнення, які є предметом цієї статті.

Механічні властивості литої деталі залежать від кількох факторів, які можна широко класифікувати на чотири родини. Ми виділяємо насамперед чистоту сплаву (відсутність включень та оксидів), потім компактність деталей, тонкість структури (розмір зерен, евтектика, інтерметалідні сполуки тощо) і, нарешті, затвердіння атмосферними опадами.

Починаючи з 1909 р. Та роботи А. Вільма, відомо, що алюміній можна загартовувати невеликими добавками сторонніх елементів (мідь, магній, кремній, цинк, ...) та застосовуючи термічну обробку. Механізмом зміцнення алюмінієвих сплавів є вікове загартовування, походження якого було незалежно визначено Гіньє та Престоном. Для дуралюмінієвих сплавів (Al-Cu-Mg) затвердіння отримують із скупчень (зони G.P.), які еволюціонують у бік все більших і некогерентних осадів (Al2Cuq ’, тоді Al2Cu-Q). Багато досліджень стосуються властивостей литих алюмінієвих сплавів, зокрема впливу вмісту заліза, швидкості охолодження, взаємозв'язку між мікроструктурою та механічними характеристиками або ефекту термічної обробки. Подібним чином добре описано затвердіння сплавів та різні задіяні механізми.

Деформація сплавів вводить у дію структурний дефект: дислокації. Затвердіння отримується, якщо нам вдається «уповільнити» або «перекрити» ці вивихи. Можна розглянути чотири режими затвердіння:

Не мають вивиху в сплаві. Однак дислокації є термодинамічно стійкими і природними дефектами кристалізованого матеріалу. Отже, цей "екзотичний" метод зміцнення можна знайти лише у виняткових випадках, наприклад, у вусах (ідеальні монокристали);
Помножте кількість вивихів так, щоб вони взаємодіяли і блокували одне одного: це принцип деформаційного зміцнення;
Уповільнення руху шляхом спотворення кристалічної решітки. Це затвердіння досягається ефектом твердого розчину або введенням дрібних когерентних осадів. У цьому випадку дислокація повинна скоротити осади;
Уповільнення вивихів шляхом створення перешкод, які дислокації повинні обійти: 
- Деформуючись, утворюючи петлі, які залишаються закріпленими на осадах (петлі або механізм Орована); 
- В обхід опадів, за допомогою «підйому» (механізм «Підйом»);
- В обхід опадів, зміна площини ковзання.

Механізми обведення осаду.

Консистенція осадів з матрицею, серед іншого, є функцією розміру осадів. Чим вони більші, тим вони менш послідовні. Під час термічної обробки спостерігається розподіл осадів за розмірами, а також орієнтація дислокацій. Таким чином, механізм зсуву та три байпасні механізми повинні бути враховані, якщо хочеться моделювати структурне зміцнення.

Обробка опадів складається з піддавання сплаву трьом послідовним обробкам. Спочатку проводиться обробка розчином, метою якої є розчинення максимальної кількості легуючих елементів при температурі, врахованій для обробки. Потім проводиться загартування, як правило, водою, що дозволяє пересиченому твердому розчину зберігатись при кімнатній температурі. Нарешті, обробка завершується витримкою при досить низькій температурі (160 ° C - 200 ° C), метою якої є контрольоване утворення осадів субмікронних розмірів. Ці осади становитимуть перешкоди для руху дислокацій і, таким чином, зміцнюватимуть матеріал. Залежно від температури та тривалості обробки осади прийматимуть різні метастабільні форми, щоб нарешті привести до стабільної форми.

У сплавах Al Si7Mg, як і у сплавах серії 6000 (наприклад, 6061), загальноприйнятою послідовністю опадів є: SSS -> GP -> β '' -> β '-> β-Mg2Si, де SSS позначає перенасичену тверду речовину рішення і GP позначає зони Гіньє Престона. У сплавах, що містять Cu на додаток до Si та Mg, осадження θ '' та θ '(метастабільна форма θ-Al2Cu) через наявність Cu та S' (Al2CuMg) та β '' через додавання Mg і Si вже згадували. Однак ідентифікація осадів є дуже складною, оскільки θ ’, S’ і β ’’ - все це голкоподібні частинки, вирівняні в напрямках матриці. Робота Ескіна показала, що найкращі механічні властивості відповідають наявності всіх цих осадів. Однак цей результат підтверджується не ідентифікацією за допомогою електронної фазової дифракції, а морфологією осадів.

В обхід осаду дислокацією - механізм Орована.

Рейф та ін. таким чином показали, що на сплавах AlSi9Cu3,5Mg0,5 максимальне затвердіння було отримано одночасною присутністю осадів θ 'у вигляді тромбоцитів, вирівняних у напрямках матриці, що досягає довжини 200 нм та осадів S' ( Al2CuMg) максимум 80 нм. Як зазначалося раніше, осади є перешкодою для руху дислокацій. Коли осади дуже малі і відповідають матриці, їх можна зрушити дислокаціями. Коли вони стають більшими і непослідовними, дислокації обходять їх стороною за механізмом Орована.

Внесок у межу пружності (Rp0,2 або YS англійською мовою) внаслідок зсуву осадів (ΔYSs, s як «зсувні частинки») та їх обходу (ΔYSb, b як «обхідних частинок») подано відповідно ΔYSs = cs. (Fv.r) 1/2 та ΔYSb = cb. (Fv) 1/2/r, де cs і cb - характерні константи матеріалу, fv - об'ємна частка осадів, а r - середній радіус кинувся. Зсув осадів, таким чином, призводить до збільшення межі пружності з часом старіння, оскільки розмір і об'ємна частка осадів потім збільшуються.

Байпас, який відбувається практично тоді, коли утворюються всі осади (fv = константа), призводить до зменшення межі текучості з плином часу через збільшення осадів. Однак ці два внески відбуваються одночасно. Потім Шеркліфф та Ешбі пропонують взяти середнє гармонічне значення цих двох внесків, щоб визначити загальний внесок осадів: ΔYSppt = [1/ΔYSs + 1/ΔYSc] -1

На сьогоднішній день не існує універсальної моделі загартовування, тому така модель була б дуже корисною як у промисловому плані, так і в наукових дослідженнях. Це пояснює поширення науково-дослідних проектів у галузі зміцнення, зокрема алюмінієвих сплавів. Для того, щоб передбачити твердість, подовження, межу міцності на розрив, межу пружності тощо, така модель повинна враховувати хімічний склад, тривалість і температуру розчину, умови загартування (швидкість гартування) і нарешті час старіння та температуру. Рівняння механізмів зміцнення є дуже складним, і для вирішення рівнянь за допомогою чисельного моделювання потрібні розрахункові потужності, які донедавна були неіснуючими або дорогими. Тим не менше, були запропоновані прості та оперативні підходи, і в останні роки були вивчені більш фундаментальні моделі.

Серед простих (макроскопічних) моделей ми знаходимо взаємозв'язки, встановлені Дорузі та ін. (CTIF) в 1970-х роках для термічно обробленого Al Si7Mg:
Q = Rm + 150 log (A%). Q - показник якості
Rp0,2 = Rm-60 log (A%) - 13
Rp0,2 = 3 * HB-80
Rp0,2 = M *
M = 147 * ln [ln (100 * Mg%)] - 48
t150 = t * 2 (θ/10-15) де θ - температура витримки (у ° C) і t час витримки (год). Встановлено, що ці взаємозв'язки є дуже корисними для інтерпретації випробувань на розтяг.

Поняття індексу якості було сприйнято та розвинене нещодавно, серед них Кемпбелл і Тірякоглю, а також Касерес. Ці роботи показують, що співвідношення Q = Rm + 150 log (A%) можна вивести із закону Голломона: s = K e n, де n - коефіцієнт твердіння. Закон Голломона нехтує пружною частиною, закон Людвіка узагальнює закон Голломона, враховуючи пружну частину: s = s e + K e n. Запропоновано ще одне співвідношення між твердістю та межею текучості, отриманими із закону Голломона: Rp0,2 = 2,95 * HB * (0,065) n, де n - коефіцієнт деформаційного зміцнення. Це відношення походить від "історичного" відношення Rp0,2 = 3HB. У цьому посиланні автори повідомляють значення коефіцієнта деформаційного зміцнення, 0,088 для сплаву A356 (Al Si7Mg0,3) та 0,078 для сплаву A357 (Al Si7Mg0,6).

З іншого боку, поширення цих відносин на інші сплави, Al Cu або Al SiCu, не виглядає оптимістичним. Випробування проводили Печіней на низькому вмісті заліза AlSi7Cu1Mg без успіху. Аналогічно, на основі свого теоретичного підходу Касерес вважає, що поняття індексу якості добре застосовується до структурного зміцнення Mg2Si, але не Al2Cu або Al2CuMg.

Розглянута тут модель спочатку була запропонована Caceres та ін. Для сплавів типу Al-Si7-Mg, підданих старіючій загартовувальній обробці. Цю модель взяли на озброєння і розробили Ромець і Шаффер. Прогнози цієї моделі базуються на методології, запропонованій Шеркліффом та Ешбі для кованих сплавів, переважно 6061. Межа текучості (YS) сплаву Al Si7Mg є сумою різних внесків. Застосована до сплавів типу Al-Si7-Mg, ця модель призводить до:
YSt = YS0 + ΔYSSi + ΔYSFe + ΔYSss, Si + ΔYSss, Mg + ΔYSppt, Si + ΔYSppt, Mg-Si де
YS0 - «властива» межа пружності чистого алюмінію, ΔYSSi - внесок частинок евтектичного кремнію, ΔYSFe - внесок різних інтерметалідних сполук, багатих Fe, ΔYSss, Si - внесок кремнію в затвердіння твердого розчину, ΔYSss, Mg - внесок магнію в затвердіння твердого розчину,
ΔYSppt, Si - внесок осадів кремнію в алюмінієву матрицю і, нарешті, ΔYSppt, Mg-Si - внесок осадів Mg2Si в алюмінієву матрицю.

Rp0,2 вимірюється та прогнозується за моделлю Рометша та Шаффера.

Хоча основи стосунків, встановлених Кемпбеллом, Касересом чи Ромешем та Шаффером, фізично міцніші, ніж ті, що встановлені Друзі та ін., Останні стосунки залишаються простішими у використанні. І індекс якості застосовується донині у всьому світі.