Transcript رسوب-سختی-آلیاژهای

‫رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم‬
‫تاريخچه‪:‬‬
‫‪ ‬فرآیند رسوب سختی (پیرسختی) در سال ‪ 1906‬بوسيله ‪Dr.A.Wilm‬آلمانی کشف گردید‪.‬‬
‫‪ ‬دك تر ‪Wilm‬یک آلیاژ ‪ 4‬درصد مس و ‪ 0/5‬درصد منیزیم رآ حرآرت دآده و پس آز آن به سرعت سرد‬
‫نمود و سپس سختی آلیاژ رآ آندآزه گرفت‪ .‬آو متوجه شد که با گذشت زمان به مدت چند روز در درجه‬
‫حرآرت محیط سختی نمونه ها به مقدآر قابل مالحظه آی آفزآیش یافت‪.‬‬
‫آصول رسوب سختی ‪:‬‬
‫‪ ‬برآی سخت کردن یک آلیاژ آلومینیوم آز طریق فرآیند رسوب سختی آبتدآ فلز رآ عمليات حرآرتی مي كنند‪.‬‬
‫‪ ‬درجه حرآرت مورد آستفاده بستگی به ترکیب شیمیائی آلیاژ دآرد‪.‬‬
‫‪ ‬پس آز حرآرت دآدن به درجه حرآرت آنحالل و نگه دآشتن در آن درجه حرآرت به مدت الزم ‪ ،‬آلیاژ رآ‬
‫سریعاً سرد می كنند‪.‬‬
‫‪ ‬در آین حالت محلول جامد فوق آشباع )‪ (ssss‬تشكيل مي شود‪.‬‬
‫‪ ‬قسمت بعدي فرآیند رسوب سختی‪ ،‬پیر کردن آست که به دو صورت آنجام می گردد‪.‬‬
‫‪ ‬آگر در دماي محيط پير شد به آن پی ًريً طبیعی )‪(Natural Ageing‬مي گويند‪.‬‬
‫‪ ‬و يا آگر الزم باشد آلیاژ رآ حرآرت دآد (معموالً در ‪ 93-260‬درجه سانتی گرآد به مدت چندین ساعت) تا رسوب‬
‫گیریً آنجام گیرد در آن صورت آن رآ پیر سختی مصنوعی )‪ (Artificial Ageing‬مينامند‪.‬‬
‫‪‬‬
‫آلیاژهای آلومینیوم که قابل سخت شدن آز طریق رسوب سختی هستند رآ بنا به تعریف آلیاژهای عملیات‬
‫حرآرتی پذیر می نامند‪.‬‬
‫شرآیط مورد نیاز جهت رسوب سختي ‪:‬‬
‫‪ ‬آول آین که آلیاژ باید دآرآی حاللیت حالت جامد قابل توجهی در درجات حرآرت باال و حاللیت حالت جامد‬
‫ناچیز در درجات حرآرت پائین باشند‪.‬‬
‫‪ ‬دوم آین كه آست که عنصر یا ترکیبی که در محلول جامد فوق آشباع نگه دآشته می شود باید رسوب کرده و‬
‫تولید تغییر فرم ها و آعوجاج شبکه آی در آلومینیوم بنماید‪.‬‬
‫‪ ‬معموالً رسوب آین عناصر یا ترکیبات بتدریج باعث سخت تر شدن آلیاژ شده تا آین که سختی آن به یک مقدآر‬
‫حدآک ثر برسد‪ .‬آدآمه عملیات رسوب گیر ًی پس آز آین نقطه باعث کاهش سختی می گردد‪.‬‬
‫‪ ‬آلیاژهائی که به مقدآر کافی پیر نشده و به سختی حدآک ثر نرسیده باشند رآ کم پیریً (‪)underaged‬و‬
‫آلیاژهائی که آز سختی حدآک ثر رد شده باشنديا بمدت طوالنی تر پیر شده باشند رآ پرپی ًریً )‪(overaged‬‬
‫می نامند‪.‬‬
‫منحني پير شدن برآي يك آلياژ آلومينيوم‬
‫فرآیند رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم رآ می توآن بصورت زیر خالصه نمود ‪:‬‬
‫‪(1‬‬
‫گرمًکردنًبهًدرجهًحرآرتًعملیاتًحرآرتیًآنحاللً(حلًکردن)‪.‬‬
‫‪(2‬‬
‫حرآرتًدآدنًدرًآنًدرجهًحرآرتًبرآیًمدتًزمانًکافی‪.‬‬
‫‪(3‬‬
‫سريعًسردًكردنًبهًدرجهًحرآرتًنسبتاًپايين‪.‬‬
‫‪(4‬‬
‫پیرًکردنًبرآیًرسوبًسختیًآزًطریق ‪:‬‬
‫آلف ‪ :‬پیرکردنًطبیعیًدرًدرجهًحرآرتًمحیط‪.‬‬
‫ب ‪ :‬پیرکردنًمصنوعیًبوسیلهًحرآرتًدآدنًدرًیکًدرجهًحرآرتًپائین‪ 93-260‬درجهًسانتیًگرآدًبمدتًالزم‪.‬‬
‫‪ -1‬عمل حرآرتی آنحالل)‪:(Solution Heat Treatment‬‬
‫‪ ‬زمان الزم برآی عملیات حرآرتی آنحالل بستگی به آلیاژ و نوع محصول دآرد‪.‬‬
‫‪ ‬بطورً کلی قطعات کار شده آحتیاج به زمان کمتریً نسبت به قطعات ریختگی دآشته و قطعات کار سرد شده‬
‫زمان کمتریً نسبت به قطعات کار گرم شده دآرد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫قطعات در ماسه به علت درشت بودن آجزآء ساختمانی آنها زمان بیشتریً نسبت به قطعات ریختگی در‬
‫قالب دآئمی دآرد‪.‬‬
‫‪‬‬
‫در مورد آغلب محصوالت صفحه آی ورق‪ ،‬نیم ساعت تا دو ساعت زمان کافی برآی عملیات حرآرتی آنحالل‬
‫آست‪ ،‬آز طرف دیگر برخی آز قطعات ریختگی ممکن آست تا ‪ 12‬ساعت حرآرت دآدن نیاز دآشته باشند‪.‬‬
‫‪ -2‬سریع سرد کردن (‪:)Quenching‬‬
‫‪ ‬پس آز آین که آجزآء ساختمانی وآرد محلول جامد گردیدند آلیاژ آلومینیوم به سرعت به درجه‬
‫حرآرت پائینی سرد می شود تا آین آجزآء در محلول باقی بمانند‪.‬‬
‫‪ ‬معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژهای آلومینیوم آب دآغ و آب سرد آست ‪.‬سریع سرد‬
‫کردن در آب سرد برآی موآد نازکی چون ورق‪ ،‬قطعات فشار کاریً شده‪ ،‬لوله و قطعات پتکاریً‬
‫شده کوچک بکار می رود‪.‬‬
‫‪ ‬درجه حرآرت آب زیر ‪ 29‬درجه سانتی گرآد نگه دآشته می شود و آجازه آفزآیش بیش آز ‪ 11‬درجه‬
‫سانتی گرآد به آن دآده نمی شود‪ .‬آین سرد شدن ناگهانی حدآک ثر مقاومت در مقابل خوردگی رآ‬
‫به آلیاژ می دهد ولی ممکن آست باعث آعوجاج قطعه گردد‪.‬‬
‫‪ -3‬پیرسازی (‪:) Ageing‬‬
‫‪‬آلیاژهای آلومینیوم پس آز عملیات حرآرتی آنحالل و سریع سرد کردن پیر می شوند تا رسوب دهند‪.‬‬
‫‪‬آلیاژهای آلومینیوم قابل سخت شدن آز طریق رسوب گیر ًی در حالت سریع سرد شده ناپایدآر‬
‫هستند‪.‬‬
‫‪‬در آثر پیر شدن‪ ،‬ذرآت بسیار ریز میکروسکوپ ی تشکیل می گردند که به عنوآن مانع در دآنه ها و‬
‫مرزدآنه ها عمل می نمایند‪.‬‬
‫‪‬آلیاژهای آلومینیوم قابل پیر شدن طبیعی آستحکام کامل خود رآ پس آز ‪ 4‬تا ‪ 5‬روز در درجه حرآرت‬
‫محیط بدست می آورند ‪.‬در حدود ‪ 90‬درصد حدآک ثر آستحکام قابل حصول در آین آلیاژها پس آز ‪24‬‬
‫ساعت حاصل می گردد‪.‬‬
‫رسوب سختی آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم‪:‬‬
‫‪ -1‬آلیاژهای ‪: Al-Cu‬‬
‫‪‬عمليات حل سازي درمنطقه محلول جامدآلفا آنجام شود(حدود ‪:(515˙c‬‬
‫آلياژآلومينيوم با ‪ %4‬مس بايد تا حدود ‪ 515‬درجه سانتي گرآد گرم شود تا آينكه آتم هاي مس و‬
‫آلومينيوم به طورً تصادفي به دآخل محلول جامد همگن آلفا نفوذ كند‪ .‬آلياژ در آين م ًرحله آز محلول‬
‫جامد آلفا تشكيل شده آست‪.‬‬
‫‪ ‬تا دماي آتاق يا كمتر به سرعت آبدهي شوند‪:‬‬
‫آين عمليات يك محلول جامد فوق آشباع مس در آلومينيوم آيجاد ميكند‪ .‬آلياژآلومينيوم با ‪ %4‬مس‬
‫در آين شرآيط پايدآر نيست و سعي ميكند با ساختن فازهاي نيمه پايدآر آنرژيً سيستم رآ كاهش‬
‫دهد‪.‬نيروي محركه فازهاي نيمه پايدآر‪،‬آنرژيً زياد محلول جامد فوق آشباع ناپايدآر مس در آلومينيوم‬
‫آست‪.‬‬
‫‪ ‬در گستره دماي ي ‪ 130‬تا ‪ 190‬درجه سانتي گرآد به طور مصنوعي پير شوند‪:‬‬
‫آگرًچهًبرخيًآزًآلياژًهاًدرًدمايًآتاقًت اًآس تحكامًم وردًنظ رًپي رًس ختًم يًش وند‪ً،‬ول يًآغل بًآلياژه اً‬
‫باي دًدرًدم ايًبيش ترًپي رًش وند‪ .‬درًم وردًآلي اژًآلوميني ومًب اً‪ %4‬م سًدم ايًپي رًس ختيًمص نوعيًب ينً‬
‫‪ 130‬تاً‪ 190‬درجهًسانتيًگرآدًآست‪.‬‬
‫نمايشًپيرًسختيًبرآيًآلياژًآًلومينيومًباً‪ %4‬مسً‬
‫‪‬‬
‫ساختار هاي ي كه به هنگام پيرشدن آلياژهاي آلومينيوم مس تشكيل مي شوند عبارتند آز ‪:‬‬
‫‪ ‬آلفً‪ :‬محلولًجامدًفوقًآشباعً‪.‬‬
‫‪ ‬بً‪ :‬مناطقً ‪. GP1‬‬
‫‪ ‬پً‪ :‬مناطقً‪ ( GP2‬ياًفازً"‪.)θ‬‬
‫‪ ‬تً‪ :‬فازً'‪.θ‬‬
‫‪ ‬ثً‪ :‬فازً‪.θ‬‬
‫آرتباطًبينًساختارًوًسختيًآلياژآلومينيومًباً‪ %4‬مس كهًدرً‪ 130‬تاً‪ 190‬درجهًسانتيگرآدًپيرًشدهًآست‪.‬‬
‫مناطق ‪: GP1‬‬
‫‪ ‬آين مناطق در دما هاي پايين تشكيل مي شونديعني كمتر آز ‪ 130‬درجه سانتي گرآد ‪ ،‬و با‬
‫جدآيش آتمهاي مس در محلول جامد فوق آشباع آلياژهاي آلومينيوم مس بوجود مي آيند‪.‬‬
‫‪ ‬مناطق ‪GP1‬شامل ديسكهاي ي به ضخامت ‪ 4‬تا ‪ 6‬آنگستروم و قطر ‪ 80‬تا ‪ 100‬آنگستروم‬
‫آست كه بر سطوح مكعبي {‪ }100‬زمينه ساخته مي شوند‪.‬‬
‫‪ ‬طبق نظريه دآلگرين مناطق ‪ GP1‬درصد كمي مس دآرد‪ .‬آين مناطق آز حركت نابجاييها‬
‫جلوگيريً مكنند و باعث كاهش شكل پذيريً و آفزآيش آستحكام مي شوند‪.‬آين مناطق دآرآي‬
‫ساختار تترآگونال مي باشد‪.‬‬
‫آلياژً‪ 2024‬كهًحلًسازيًشدهً‪ً،‬آبًدآدهًشدهً‬
‫بهًمدتً‪ 12‬ساعتًدرً‪190‬درجهًسانتيگرآد پيرً‬
‫شدهًآست‪.‬ساختارًشاملًمناطقً‪ GP‬وًصفحاتًاليهً‬
‫آيًدرشتً'‪ θ‬ميًباشد‪.‬‬
‫آلياژ ‪ 2024‬كه حل ساز ًي شده ‪ ،‬آب دآده شده و‬
‫‪ %6‬تحت نورد سرد قرآرگرفته و به‬
‫مدت ‪ 12‬ساعت در ‪ 190‬پير شده آست‪ .‬ساختار‬
‫شامل مناطق ‪ GP‬و صفحات كوچك درشت '‪θ‬‬
‫مي باشد‪.‬‬
‫مناطق ‪ ( GP2‬يا فاز "‪:)θ‬‬
‫‪ ‬مثل مناطق ‪ ، GP1‬مناطق ‪ GP2‬نيز ساختاريً تترآگونال دآرند و با صفحات {‪ }100‬زمينه‬
‫آلومينيوم با ‪ %4‬مس يا آلياژ هاي مشابه همدوس هستند‪.‬‬
‫‪ ‬در مرآحل آوليه تشكيل مناطق ‪GP2‬به نظر مي رسد كه مقدآر مس كم آست ولي با آفزآيش‬
‫زمان پير شدن هم مقدآر مس و هم آندآزه رسوب ها آفزآيش مي يابد‪.‬‬
‫‪ ‬قتي كه پير شدن در دماي ‪ 130‬تا ‪ 190‬درجه سانتي گرآد آنجام شود مناطق ‪GP2‬سختي‬
‫آلياژ آلومينيوم با ‪ %4‬مس رآ بيشتر آفزآيش مي دهد ‪.‬‬
‫فاز '‪: θ‬‬
‫‪ ‬فرآ پيريً آلياژ آلومينيوم با ‪ %4‬مس زماني رخ مي دهدكه فاز كامال نامربوط‪ ،‬نا همدوس و نيمه پايدآر‬
‫'‪ θ‬به وجود آيد‪.‬‬
‫‪ ‬آين فاز به صورت ناهمگن مخصوصا روي نابه جاي ي ها جوآنه مي زند‪ .‬آندآزه فاز '‪ θ‬به مدت زمان و‬
‫دماي پيريً بستگي دآرد ‪.‬‬
‫‪ ‬وقتي آين فاز به تنهاي ي ظاهر شود آلياژ در فرآ پيريً آست‪.‬‬
‫فاز ‪: θ‬‬
‫‪ ‬پير كردن در دماي ‪ 190‬درجه سانتي گرآد يا بيشتر برآي مدت خيلي طوالني فاز تعادلي نا همدوس‬
‫'‪Cu Al2 ،θ‬رآ آيجاد مي كند‪.‬‬
‫‪ ‬آين فاز دآرآي ساختار ‪ BCT‬بوده و وقتي كه آلياژ در شرآيط فرآ پيريً شديد باشد بوجود مي آيد‪.‬‬
‫‪ ‬فاز ‪ θ‬با آز بين رفتن فاز '‪ θ‬بوجود مي آيد‪.‬‬
‫‪-2‬آلیاژهای ‪: Al-Mg-Si‬‬
‫‪‬همانًگونهًکهًقبالًگ فتهًشدًجزءًآصلیًسختًکنن دهًدرًآی نًآلیاژه اًآس تًک هًب هًمق دآرًی کً‬
‫تاًدوًدرصدًموجودًآست‪ .‬حدًحاللیتًجامدًدرًدرجهًحرآرتًیوتک تیکًدرًح دودً‪ 1/85‬درص دً‬
‫بودهًبهًتدریجًباًکاهشًدرجهًحرآرتًبهًتاًدرجهًحرآرتًمح یطًب هًح دودً‪0/1‬درص دًک اهشًم یً‬
‫یابد‪.‬‬
‫‪‬مکانیزمًرسوبًگیریًهنوزًموردشکًوًتردی دًم یًباش دًول یًآعتق ادًب رًآی نًآس تًک هًرس وباتً‬
‫بصورتًرشتهًهایًکوچکیًرسوبًمیًکنندًکهًبعدآًبصورتًورقهًهایًکوچکًرشدًمیًنمایند ‪.‬‬
‫‪‬آینًآلیاژهاًعموماًدرً‪ 521‬درجهًسانتیًگرآدًعملیاتًحرآرتیًآنح اللًم یًش وند‪ً،‬ول یًدر وآق عً‬
‫آس تحکامًآنه اًب اًآف زآیشًدرج هًح رآرتًعملی اتًحرآرت یًآنح اللًب هًت اً‪ 522‬درج هًس انتیًگ رآدً‬
‫آفزآیشًمیًیابد‪.‬‬
‫نمودآرًتعادلي ‪Al-Mg-Si‬‬
‫‪ ‬برآی حصول حدآک ثر آستحکام‪ ،‬آلیاژهای ‪Al-Mg-Si‬باید آز درجه حرآرت عملیات‬
‫حرآرتی آنحالل سریعاً سرد شوند‪.‬‬
‫‪ ‬آین آلیاژها بصورت طبیعی پیر نمی شوند زیرآ درجه حرآرت محیط خیلی آهسته و بتدریج پیر‬
‫سخت می گردند‪.‬‬
‫‪ ‬پیر کردن در درجات حرآرت پائین تر و برآی مدت زمان های طوالنی تر باالترین آستحکام رآ‬
‫آیجاد می نماید‪ .‬آلیاژ ‪ 6061‬معموالً آز طریق عملیات حرآرتی آنحالل‪ ،‬سریع سرد کردن و پیر‬
‫سختی مصنوعی ساخته می شود‪.‬‬
‫‪ ‬ترتيب عمومي رسوب در آين آلياژ بصورت زير آست‪:‬‬
‫محلول جامد فوق آشباع ← مناطق ‪( GP‬سوزنها) ←‬
‫‪MgSi2‬‬
‫آلياژ ( ‪ )Al-1/3 Mg 2 Si‬كه عمليات حل سازيً‬
‫شده وآب دآده شده و به مدت ‪ 24‬ساعت در ‪ 160‬درجه‬
‫سانتيگرآد پير شده آست ‪ .‬ساختار شامل مناطق‪ GP‬و‬
‫رسوبات مي باشد‪.‬‬
‫آلياژ ( ‪ )Al-1/3 Mg 2 Si‬كه عمليات حل ساز ًي‬
‫شده آب دآده شده و به مدت ‪ 24‬ساعت در ‪ 160‬درجه‬
‫سانتيگرآد پير شده آست‪ .‬مجددآ به مدت ‪ 15‬دقيقه در‬
‫‪ 275‬درجه سانتيگرآد گرم شده آست‪ .‬ساختار سو ًز ًن هاي‬
‫درشت رسوب هاي رآ نشان مي دهد‪.‬‬
‫‪-3‬آلیاژهای ‪: Al-Zn-Mg-Cu‬‬
‫‪ ‬مهمترین فازهای رسوبی که باعث سختی می شوند ذرآت ‪ Al3Zn3Mg3‬و ‪MgZn2‬‬
‫مي باشند‪.‬ذرآت ‪ MgZn2‬در آین آلیاژها که حاوی روی بیشتریً نسبت به منیزیم هستند‬
‫موثرتر می باشند ‪.‬بنظر می رسد که رسوب گیریً در آلیاژهای ‪Al-Zn-Mg‬بصورت زیر‬
‫آنجام می گیرد‪:‬‬
‫‪← ‬فاز وآسطه ←مناطق ‪ G.P‬در آلومینیم‬
‫‪ ‬با آفزآیش مس به آلیاژهای ‪Al-Zn-Mg‬فازهای ‪CuAl2‬و‪ Al2CuMg‬تشکیل‬
‫می شود ولی به نظر می رسدکه در آينجا نیز فاز آصلی سخت کننده رسوبات ‪MgZn2‬‬
‫باشند‪.‬‬
‫‪ ‬چون آین آلیاژها دآرآی یوتک تیکهای نقطه ذوب پایینی هستند باین جهت آنها رآ در ‪443-477‬‬
‫درجه سانتی گرآد عملیات حرآرتی آنحالل می نمایند‪.‬‬
‫‪ ‬پیر سخت شدن طبیعی آلیاژهای ‪Al-Zn-Mg-Cu‬گرچه باعث آفزآیش آستحکام می‬
‫گردد ولی تولید فلز ناپایدآریً کرده وبنا برآین آین آلیاژها فقط به حالت پیر سخت شدن‬
‫مصنوعی مورد آستفاده قرآر میگردد‪.‬‬
‫منابع‪:‬‬
‫‪-1‬آلياژ هاي مهندسي – دك تر آكرمي و دك تر سيد ريحاني‪ -‬آنتشارآت دآنشگاه شريف‬
‫‪ -2‬آلومينيوم – آردشير طهماسبي‪ -‬آنتشارآت آزآده‬