Materiale Metalice 9

MATERIALE METALICE

Curs 9 ALIAJELE DEFORMABILE CU BAZA

ALUMINIU

ALIAJELE DEFORMABILE CU BAZA ALUMINIU

I. ALIAJE CARE NU SE INTARESC SI DURIFICA PRIN TRATAMENT TERMIC

ALIAJE CARE NU SE INTARESC SI DURIFICA

PRIN TRATAMENT TERMIC ~ Aliaje monofazice, cu buna plasticitate la rece / cald 1. Aluminiul tehnic (cu microalieri) Microalierea pt. imbunatatirea propr. mecanice (Ni, Si, Zr, Sb, Ag, …) + Zr, B, Be >>> deformare + T.T.: Rm < 340MPa; A < 11% Conductori: Ex. aliaj Aldrey (0.4 – 0.7%Si; 0.3 – 0.5%Mg; rest Al); se formeaza compusul Mg2Si (T.T.) – calire + imbatranire >>> creste RM, scade conductivitatea (95-98%) >>> pt. conductori solicitati mecanic + Co (3.8%) >>> ρ = 3.5 μΩ cm la 20˚C; Rm<320MPa; A<8%. Criogenie: + Mg, Ti, Ca >>> A > 40% + Au (max. 0.2%) >>> ρ < 5 x 10-8 μΩ cm la -200˚C >>> conductori

I.2. Aliaje Al-Mn

compus Al6Mn eutectic 1.95%Mn/658.5%Mn α: max.1.82% Mn (temperatura eutectica); max. 0.36% la 500˚C

I.2. Aliaje Al-Mn

Proprietati mecanice mai bune ca Al tehnic; Rezistenta buna la coroziune Industrial: 1 – 1.6%Mn (STAS AlMn1, AlMn1Mg) pt. piese atmosfere corozive si solicitari medii Cresterea continutului de Mn – Crestere Rm, scadere A + Mg >>> proprietati mecanice mai bune prin T.T. + Si (max.0.5%) – tevi sudate pt. transportul apei Impuritati: Si + Fe < 0.45% (formeaza comp. ternari, scad plasticitatea) Si formeaza Mn3Si2Al15 – dizolva mult Fe >>> formarea (FeMn)3Si2Al15 >>> pierderea efectului pozitiv al Mn Fe compus FeMnAl6 , insolubil in Al

I.2. Aliaje Al-Mn

3. Aliaje deformabile Al – Mg

Contin 1 – 7%Mg (STAS AlMg1,2,3,5,7); pt. table subtiri, folii, produse deformate Peste 7% - apare faza β >>> fragilitate Adaos de Mn si Cr – cresterea rezistentei cu 200-250 MPa Ex. aliaje pt. ambutisare adanca (auto / aero) 2-7% Mg, 0.1-0.2%Cr, 0.3-0.5%Mn Proprietatile mecanice depind de continutul de Mg

3. Aliaje deformabile Al – Mg

3. Aliaje deformabile Al – Mg

Adaos de Li: cresterea rezistentei (specifice) Ex. 5-6%Mg; 1.9-2.3%Li; 0.09-0.15%Zr; 0.02-0.3%Bi Rm=400-440 MPa; Rp0.2=250-260 MPa; A=18-19% Pt. piese solicitate la coroziune (ind. petroliera) – aliaje Alclad (placare) Ex. 1.3%Mg, rest Al; 1.2%Mn, 1%Mg; rest Al Adaos mic de Cu – T.T. fara pierderea rezistentei la coroziune: Ex. 1%Mg; 0.25%Cu; 0.6%Si; 0.25%Cr, rest Al Netratat – Rm < 125 MPa Imbatranit Natural – Rm < 240 MPa Artificial – Rm < 310 MPa

ALIAJELE DEFORMABILE CU BAZA ALUMINIU

II. ALIAJE CARE SE INTARESC SI DURIFICA PRIN TRATAMENT TERMIC

ALIAJE CARE SE INTARESC SI DURIFICA PRIN TRATAMENT

TERMIC

Contin elemente care formeaza compusi solubili la cald in solutia α (diagrame cu solubilitate limitata si variabila cu temperatura):

Mg, Cu, Li, (Si),…

>>> TRATAMENT TERMIC:

1. CALIRE PENTRU PUNERE IN SOLUTIE

2. IMBATRANIRE NATURALA

ARTIFICIALA

DURALUMINURI

Aliaje Al-Cu-Mg-Mn: I. slab aliate: 2-3.5%Cu; 0.2-0.5%Mg; 0.2-0.5%Mn; II. mediu aliate: 2.5-4.5%Cu; 0.3-0.8%Mg; 0.3-0.8%Mn; III. inalt aliate: 3.6-5.2%Cu; 0.6-1.8%Mg; 0.6-1.2%Mn; I. plasticitate mare, rezistenta mica; II. compromis intre I si II; cele mai folosite III. rezistenta mare, plasticitate mica Cu, Mg pt. cresterea rezistentei prin formarea de compusi (CuAl2, CuMgAl2, ...) Mn pt. reducerea efectului negativ al Fe (formeaza compusi ternari); creste Rm si rezistenta la coroziune sub 1.2% datorita scaderii plasticitatii

T.T al duraluminului Fe, Si impuritati (mai ales Fe) In suma < 0.5 – 0.6% datorita scaderii propr. mec. si tehnologice Daca Fe > Si se formeaza cu Mn compusi cu efect mai mic (FeMnAl6, CuFeMnAl6) Si mult - formare de siliciuri ternare – scaderea plasticitatii - creste susceptibilitatea la imbatranire artificiala (Mg2Si) Compusii cu Mg si Cu (CuAl2, CuMgAl2, …) se dizolva in α; participa la T.T. Compusii cu Fe si Mn sunt insolubili >>> necesara omogenizare la 480 – 490˚C In stare recoapta: structura α cu separari secundare (CuAl2, CuMgAl2, Mg2Si, CuMg4Al6)

T.T al duraluminului Calire pt. punere in solutie: α ~ omogen (505 – 510˚C) Imbatranire: durificare prin precipitare (tendinta de formare de compusi dispersi metastabili) Mecanismul imbatranirii - precipitare continua in α: I. zone Guinier – Preston II. precipitate intermediare III. precipitate de echilibru

Ex. pentru Al – Cu I. GP (GP1) → II. Θ’’ (GP2) → II. Θ’ → III. Θ Zonele Guinier – Preston: in solutia α suprasaturata, prin germinare omogena Discuri de 8 nm diametru / 0.3-0.6 nm cu ~ 90%Cu Pot fi considerate „clusters” (asocieri preferentiale de atomi) pre-precipitate interfata coerenta cu α

T.T al duraluminului

Θ’’: tetragonal, diferit de Θ de echilibru

platiform, rezultat prin germinare eterogena uniforma pe retelele de dislocatii si pe limite de graunte

interfata coerenta cu matricea

Θ’: > 100 nm, prin germinare eterogena pe dislocatii elicoidale

Interfata semicoerenta

Θ: compusul Al2Cu, necoerent la limitele grauntilor α

T.T al duraluminului

Interfete coerente – tensiuni elastice mari >>> efect de crestere intensa a rezistentei prin interactiunea dintre dislocatii si pre-precipitate

Efectul maxim al T.T. pentru precipitatele coerente (GP1 si GP2); scade pentru

semicoerente si necoerente Aparitia unui pre-precipitat este precedata de dizolvarea celui anterior Ex. pt. Al-Cu: Θ’’ pana la 100-150˚C; Θ’ – pana la 200˚C; peste 200˚C – Θ >>> REVERSIUNEA – incalzire scurta (zeci de secunde) a aliajului imbatranit

>>> dizolvarea precipitatului existent fara sa se formeze altele >>> plasticitate (solutie α)

Plasticitatea optima se pastreaza 2-3 ore de la calire (inainte de inceperea

imbatranirii naturale); rezistenta maxima dupa 4 – 5 ore (pt. duraluminurile mediu aliate)

T.T al duraluminului

T.T al duraluminului

Imbatranire incorecta: subimbatranire / supraimbatranire Rezistenta maxima a duraluminurilor < 440 MPa (~)

DURALUMINURI

Dezavantajele duraluminurilor: rezistenta mica la coroziune (in special sub tensiuni mecanice), proprietati mecanice scazute dupa sudarea prin topire, tensiuni reziduale mari dupa T.T.

Solutii de inlaturare a dezavantajelor: I. Placarea cu aliaje mai rezistente la coroziune (cladding): Al tehnic, … (pt. table 4-8% din grosime) II. Introducerea de elemente stabilizatoare structural (Zr, Cr, Be, Ti, …) + calirea in trepte III. Intarirea prin formarea de compozite ODS cu Al2O3

Ex. 3-6%Cu; 1-3%Mg; 0.1-2%Mn; 0.5-2%Zr; 0.5-2%Cr; 0.05-1%Ti; 0.01-2%Al2O3; 0.0001-0.5%Be; rest Al Dupa TT 20˚C: Rm=500 – 540 MPa; Rp0.2=400 – 460 MPa; A=10-14% 200˚C: Rm=350-380 MPa; Rp0.2=330-370 MPa; A=18-22% IV. Inlocuirea cu alte aliaje durificabile prin dispersie (Al-Zn-Mg, Al-Mg-Si, …)

Aliaje Al-Zn-Mg pt. evitarea dezavantajele duraluminurilor (rezistenta mica la coroziune sub tensiune, fragilizare intensa dupa sudarea prin topire, tensiuni reziduale mari dupa TT) Pentru T.T. Compusi binari: Al8Mg5 (Al3Mg2), ZnAl, … Compusi ternari: Mg3Zn3Al2, Mg2Zn3Al2

Sudabilitate foarte buna: nu sunt sensibile la fisurare, imbatranire naturala a

zonei sudate >>> propr. mecanice bune Dezavantaj: zone sensibile la coroziune la marginile cordonului de

sudura Adaos de Cr – creste rezistenta la coroziune scade sudabilitatea

Aliaje Al-Zn-Mg

Continutul de Zn si Mg – comportamentul la TT I. Aliaje autocalibile - se calesc in aer I.1 insensibile la imbatranire (nu durificare la imbatranire) – aliaje cu Zn putin Rm = 360-380 MPa, Rp0.2 = 170-190 MPa; A = 22-25% I.2 durificare prin imbatranire Rm

max = 380 MPa; Rp0.2max = 320 MPa; A = 15%

II. Aliaje intermediare (propr. mecanice / mediu de calire) Rm = 370-470 MPa; Rp0.2 = 250-400 MPa; A = 17-19% III. Aliaje cu propr. mecanice superioare (se prefera calirea in apa) Rm

max = 500-570 MPa; Rp0.2 = 450-520 MPa; A = 14-19%

Aliaje Al-Zn-Mg

Al-Zn-Mg-Cu – destinate auto / aero

- pt. avioane dest. altitudinii joase (rez. mecanica, tenacitate la propagare de fisuri, rez. la fluaj, comportament criogenic bun) + sudabilitate, aschiabilitate, …

Cu (1 – 1.5%) – blocheaza propagarea fisurilor (crescuta de continuturi mari de Zn / Mg)

+ microalieri (Mn, Cr, Be, Si, Zr, Ag, …) >>> crestere a propr. mecanice

Cel mai rezistent aliaj de Al: 5.5 – 7.5%Zn; 2.3 – 3%Mg; 2 – 2.7%Cu; 0.25 – 1%Zr; 0.2 – 0.4%Mn; + Cr, Ni, Fe, B, Y

Dupa TT: Rm = 790-870 MPa; A = 6-10%

Aliaje Al-Zn-Mg

Aliaje Y

destinate organelor de masini solicitate mecanic la 200 – 250˚C

~ 4%Cu; 0.5%Mg; 2%Ni

Dupa TT: Rmmax = 420 MPa; A = 13%

Aliaje deformabile Al-Mg-Si (Al-Mg2Si)

Proprietati mecanice bune dupa TT;

Rezistenta buna la coroziune fara strat eloxat

Formarea Mg2Si dispers >>> creste rezistenta fara scaderea A

Si mai mult decar cel pt. Mg2Si creste Rm dar scade rezistenta la coroziune

Diagrama pseudobinara Al- Mg2Si : eutectic 13% Mg2Si / 595˚C

Aliaje deformabile Al-Mg-Si (Al-Mg2Si)

Mg2Si

Eutectic

Aliaje deformabile Al-Mg-Si (Al-Mg2Si)

Aliaje deformabile Al-Mg-Si (Al-Mg2Si)

Cele mai cunoscute aliaje – Avial: 0.45-1% Mg; 0.5-1.2% Si; 0.15-0.35%Mn; 0.2-0.6%Cr + Fe, Ti T.T.: Omogenizare 15-30˚C sub solidus / 12 h Extrudare la 460-520˚C + calire in apa Imbatranire 175˚C / 8h Rm = 320-360 MPa; A = 15-17%; 90-100 HB Pt. auto / aero + Cu: formare Cu2Mg8Si6Al5 >>> creste efectul TT Pt. constructii industriale / civile, marina +Mn: impiedica recristalizarea – pastreaza textura = „pressefect” + Bi, Pb (max. 0.5%): creste prelucrabilitatea + Rm

Pt. industria textila

STANDARDIZAREA ALUMINIULUI /

ALIAJELOR DE ALUMINIU SR EN 1780-1:2003 Simbolizarea lingourilor de aluminiu nealiat si aliat pentru

retopire, a prealiajelor si a pieselor turnate. Sistem numeric de simbolizare EN A B xxxxx C M B – brut (pt. retopire); C – piese turnate; M – prealiaj Prima cifra: 1 – Al nealiat; 2 – Cu; 4 – Si; 5 – Mg; 7 – Zn; Daca prima cifra 1: cifra 2 = 0; cifrele 3,4 = zecimalele cont. de Al Pt. aliaje: a doua cifra = grupa de aliaje Ex. 41xxx = Al-Si-Mg-Ti; 42xxx = AlSi7Mg; 43xxx = AlSi10Mg Cifrele 3,4 – nu semnificatie speciala Cifra 5 = 0 – aplicatii generale; ≠ 0 – lingou cu aplicatii speciale

STANDARDIZAREA ALUMINIULUI / ALIAJELOR DE ALUMINIU

SR EN 1780-2:2003 Simbolizarea lingourilor de aluminiu nealiat si aliat pentru retopire, a prealiajelor si a pieselor turnate.

Sistem de simbolizare bazat pe simboluri chimice

Ex. EN AB-AlSi5Cu3 E

EN AB-Al99.7 A

Elementul principal de aliere – continut normal rotunjit sau cu precizie de 0.5% (la nevoie); max. 4 elemente de aliere; E – aplicatii pt. electrotehnica

A, B, C, … (nu E, I, O, Q) – variante

(SR EN 1780-3:2003 Reguli de scriere a compozitiei chimice)

STANDARDIZAREA ALUMINIULUI / ALIAJELOR DE ALUMINIU

SR EN 573-1:2005 Simbolizarea aluminiului si aliajelor de aluminiu deformabile. Simbolizarea numerica

EN AW-xxxx (X) Prima cifra: 1 – Al nealiat (identic al. de turnatorie); 2 – Cu; 3 – Mn; 4 – Si; 5 –

Mg; 6 – Mg si Si; 7 – Zn; 8 – alte elemente; 9 – serii neuzuale A doua cifra : modificarile aliajului Daca prima e 1 – modificari in limitele de impuritati sau microalieri Cifrele 3, 4 – nu semnificatie speciala (nu seria 1) A, B, … - variante nationale Ex. EN AW-5052; EN AW-5154 A (SR EN 573/2:1995 Sistem de simbolizare bazat pe simboluri chimice SR EN 573/3:2004 Compozitia chimica)

STANDARDIZAREA ALUMINIULUI / ALIAJELOR DE ALUMINIU

SR EN 515:1994 Simbolizarea starilor pentru aliajele de aluminiu destinate deformarii F – Brut de fabricatie O – Recopt (rezistenta cea mai mica) O1 – recopt la temperatura ridicata si racit lent O2 – Tratat termomecanic O3 – Omogenizat H – Ecruisat H1x – Ecruisat H2x – Ecruisat si partial recopt H3x – Ecruisat si stabilizat H4x – Ecruisat si vopsit sau lacuit x – indica gradul final de ecruisare: 8 – starile cele mai dure 4 – la jumatate intre O si Hx8 2 – la jumatate intre O si Hx4 6 – la jumatate intre Hx4 si Hx8 1, 3, 5, 7 …. Poate aparea si a treia cifra, pt. variante

STANDARDIZAREA ALUMINIULUI / ALIAJELOR DE ALUMINIU

W – calit pentru punere in solutie (numai pt. aliajele care se imbatranesc natural)

Ex. W ½ h T – tratat termic pt. obtinerea unor stari stabile diferite de F, O sau H T1 – racit dupa prelucrare la cald si imbatranit natural pt. stare stabila T2 - racit dupa prelucrare la cald, defromat la rece si imbatranit natural pt.

stare stabila T3 – Pus in solutie, deformat la rece si imbatranit natural pt. stare stabila T4 – Pus in solutie si imbatranit natural pt. stare stabila T5 - Racit dupa prelucrare la cald si imbatranit artificial T6 - Pus in solutie si imbatranit artificial T7 – Pus in solutie si supraimbatranit / stabilizat T8 - Pus in solutie, deformat si imbatranit artificial T9 - Pus in solutie, imbatranit artificial si deformat la rece Posibil cifre suplimentare pt. variante