رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم

2. رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم

3. :تاريخچه • فرآیند رسوب سختی (پیرسختی) در سال 1906 بوسيله Dr.A.Wilmآلمانی کشف گردید. • دكتر Wilmیک آلیاژ 4 درصد مس و 0/5 درصد منیزیم را حرارت داده و پس از آن به سرعت سرد نمود و سپس سختی آلیاژ را اندازه گرفت. او متوجه شد که با گذشت زمان به مدت چند روز در درجه حرارت محیط سختی نمونه ها به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش یافت.

4. اصول رسوب سختی : • برای سخت کردن یک آلیاژ آلومینیوم از طریق فرآیند رسوب سختی ابتدا فلز را عمليات حرارتی ميكنند. • درجه حرارت مورد استفاده بستگی به ترکیب شیمیائی آلیاژ دارد. • پس از حرارت دادن به درجه حرارت انحلال و نگه داشتن در آن درجه حرارت به مدت لازم ، آلیاژ را سریعاً سرد می كنند. • در این حالت محلول جامد فوق اشباع (ssss)تشكيل مي شود. • قسمت بعدي فرآیند رسوب سختی، پیر کردن است که به دو صورت انجام می گردد.

5. اگر در دماي محيط پير شد به آن پیري طبیعی(Natural Ageing) مي گويند. • و يا اگر لازم باشد آلیاژ را حرارت داد (معمولاً در 260-93 درجه سانتی گراد به مدت چندین ساعت) تا رسوب گیری انجام گیرد در آن صورت آن را پیر سختی مصنوعی(Artificial Ageing) مينامند. • آلیاژهای آلومینیوم که قابل سخت شدن از طریق رسوب سختی هستند را بنا به تعریف آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر می نامند.

6. شرایط مورد نیاز جهت رسوب سختي : • اول این که آلیاژ باید دارای حلالیت حالت جامد قابل توجهی در درجات حرارت بالا و حلالیت حالت جامد ناچیز در درجات حرارت پائین باشند. • دوم این كه است که عنصر یا ترکیبی که در محلول جامد فوق اشباع نگه داشته می شود باید رسوب کرده و تولید تغییر فرم ها و اعوجاج شبکه ای در آلومینیوم بنماید. • معمولاً رسوب این عناصر یا ترکیبات بتدریج باعث سخت تر شدن آلیاژ شده تا این که سختی آن به یک مقدار حداکثر برسد. ادامه عملیات رسوب گیری پس از این نقطه باعث کاهش سختی می گردد. • آلیاژهائی که به مقدار کافی پیر نشده و به سختی حداکثر نرسیده باشند را کم پیری (underaged)و آلیاژهائی که از سختی حداکثر رد شده باشنديا بمدت طولانی تر پیر شده باشند را پرپیری (overaged) می نامند.

7. منحني پير شدن براي يك آلياژ الومينيوم

8. فرایند رسوب سختی آلیاژهای آلومینیوم را می توان بصورت زیر خلاصه نمود : • گرم کردن به درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال (حل کردن). • حرارت دادن در آن درجه حرارت برای مدت زمان کافی. • سريع سرد كردن به درجه حرارت نسبتا پايين. • پیر کردن برای رسوب سختی از طریق: الف :پیرکردن طبیعی در درجه حرارت محیط.ب : پیرکردن مصنوعی بوسیله حرارت دادن در یک درجه حرارت پائین260-93 درجه سانتی گراد بمدت لازم.

9. 1- عمل حرارتی انحلال :(Solution Heat Treatment) • زمان لازم برای عملیات حرارتی انحلال بستگی به آلیاژ و نوع محصول 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 دارد. • قطعات در ماسه به علت درشت بودن اجزاء ساختمانی آنها زمان بیشتری نسبت به قطعات ریختگی در قالب دائمی دارد. • در مورد اغلب محصولات صفحه ای ورق، نیم ساعت تا دو ساعت زمان کافی برای عملیات حرارتی انحلال است، از طرف دیگر برخی از قطعات ریختگی ممکن است تا 12 ساعت حرارت دادن نیاز داشته باشند.

10. 2- سریع سرد کردن (Quenching): • پس از این که اجزاء ساختمانی وارد محلول جامد گردیدند آلیاژ آلومینیوم به سرعت به درجه حرارت پائینی سرد می شود تا این اجزاء در محلول باقی بمانند. • معمولی ترین محیط های سرد کردن آلیاژهای آلومینیوم آب داغ و آب سرد است. سریع سرد کردن در آب سرد برای مواد نازکی چون ورق، قطعات فشار کاری شده، لوله و قطعات پتکاری شده کوچک بکار می رود. • درجه حرارت آب زیر 29 درجه سانتی گراد نگه داشته می شود و اجازه افزایش بیش از 11 درجه سانتی گراد به آن داده نمی شود. این سرد شدن ناگهانی حداکثر مقاومت در مقابل خوردگی را به آلیاژ می دهد ولی ممکن است باعث اعوجاج قطعه گردد.

11. 3- پیرسازی (Ageing ): • آلیاژهای آلومینیوم پس از عملیات حرارتی انحلال و سریع سرد کردن پیر می شوند تا رسوب دهند. • آلیاژهای آلومینیوم قابل سخت شدن از طریق رسوب گیری در حالت سریع سرد شده ناپایدار هستند. • در اثر پیر شدن، ذرات بسیار ریز میکروسکوپی تشکیل می گردند که به عنوان مانع در دانه ها و مرزدانه ها عمل می نمایند. • آلیاژهای آلومینیوم قابل پیر شدن طبیعی استحکام کامل خود را پس از 4 تا 5 روز در درجه حرارت محیط بدست می آورند. در حدود 90 درصد حداکثر استحکام قابل حصول در این آلیاژها پس از 24 ساعت حاصل می گردد.

12. :رسوب سختی آلیاژهای کار پذیر آلومینیوم 1- آلیاژهای Al-Cu : • عمليات حل سازي درمنطقه محلول جامدآلفا انجام شود(حدود˙c515:( آلياژآلومينيوم با 4% مس بايد تا حدود 515 درجه سانتي گراد گرم شود تا اينكه اتم هاي مس و آلومينيوم به طور تصادفي به داخل محلول جامد همگن آلفا نفوذ كند. آلياژ در اين مرحله از محلول جامد آلفا تشكيل شده است.

13. تا دماي اتاق يا كمتر به سرعت آبدهي شوند: اين عمليات يك محلول جامد فوق اشباع مس در آلومينيوم ايجاد ميكند. آلياژآلومينيوم با 4% مس در اين شرايط پايدار نيست و سعي ميكند با ساختن فازهاي نيمه پايدار انرژي سيستم را كاهش دهد.نيروي محركه فازهاي نيمه پايدار،انرژي زياد محلول جامد فوق اشباعناپايدار مس در آلومينيوم است. • در گستره دمايي 130 تا 190 درجه سانتي گراد به طور مصنوعي پير شوند: اگر چه برخي از آلياژ ها در دماي اتاق تا استحكام مورد نظر پير سخت مي شوند، ولي اغلب آلياژها بايد در دماي بيشتر پير شوند. در مورد آلياژ آلومينيوم با 4% مس دماي پير سختي مصنوعي بين 130 تا 190 درجه سانتي گراد است.

14. نمايش پير سختي براي آلياژ آلومينيوم با 4% مس

15. ساختار هايي كه به هنگام پيرشدن آلياژهاي آلومينيوم مس تشكيلمي شوند عبارتند از : • الف : محلول جامد فوق اشباع . • ب : مناطق GP1 . • پ : مناطق GP2 ( يا فاز "θ). • ت : فاز 'θ. • ث : فاز θ.

16. ارتباط بين ساختار و سختي آلياژآلومينيوم با 4% مس كه در 130 تا 190 درجه سانتيگراد پير شده است.

17. مناطق GP1 : • اين مناطق در دما هاي پايين تشكيل مي شونديعني كمتر از 130 درجه سانتي گراد ، و با جدايش اتمهاي مس در محلول جامد فوق اشباع آلياژهايآلومينيوم مس بوجود مي آيند. • مناطق GP1شامل ديسكهايي به ضخامت 4 تا 6 آنگستروم و قطر 80 تا 100 آنگستروم است كه بر سطوح مكعبي {100} زمينه ساخته مي شوند. • طبق نظريه دالگرين مناطق GP1 درصد كمي مس دارد. اين مناطق از حركت نابجاييها جلوگيري مكنند و باعث كاهش شكل پذيري و افزايش استحكام مي شوند.اين مناطق داراي ساختار تتراگونال مي باشد.

18. آلياژ 2024 كه حل سازي شده ، آب داده شده • به مدت 12 ساعت در 190درجه سانتيگرادپير • شده است.ساختار شامل مناطق GP و صفحات لايه اي درشت 'θ مي باشد. • آلياژ 2024 كه حل سازي شده ، آب داده شده و 6% تحت نورد سرد قرارگرفته و به • مدت 12 ساعت در 190 پير شده است. ساختار شامل مناطق GP و صفحات كوچك درشت 'θ مي باشد.

19. مناطق GP2 ( يا فاز "θ): • مثلمناطق GP1 ، مناطق GP2 نيز ساختاري تتراگونال دارند و با صفحات {100} زمينه آلومينيوم با 4% مس يا آلياژ هاي مشابه همدوس هستند. • در مراحل اوليه تشكيل مناطق GP2به نظر مي رسد كه مقدار مس كم است ولي با افزايش زمان پير شدن هم مقدار مس و هم اندازه رسوب ها افزايش مي يابد. • قتي كه پير شدن در دماي 130 تا 190 درجه سانتي گراد انجام شود مناطق GP2سختي آلياژ آلومينيوم با 4% مس را بيشتر افزايش مي دهد .

20. فاز 'θ : • فرا پيري آلياژ آلومينيوم با 4% مس زماني رخ مي دهدكه فاز كاملا نامربوط،نا همدوس و نيمه پايدار 'θ به وجود آيد. • اين فاز به صورت ناهمگن مخصوصا روي نابه جايي ها جوانه مي زند. اندازه فاز 'θ به مدت زمان و دماي پيري بستگي دارد . • وقتي اين فاز به تنهايي ظاهر شود آلياژ در فرا پيري است.

21. فاز θ : • پير كردن در دماي 190 درجه سانتي گراد يا بيشتر براي مدت خيلي طولاني فاز تعادلي نا همدوس 'θ، Cu Al2 را ايجاد مي كند. • اين فاز داراي ساختار BCT بوده و وقتي كه آلياژ در شرايط فرا پيري شديد باشد بوجود مي آيد. • فاز θ با از بين رفتن فاز 'θبوجود مي آيد.

22. 2-آلیاژهای : Al-Mg-Si • همان گونه که قبلاً گفته شد جزء اصلی سخت کننده در این آلیاژها است که به مقدار یک تا دو درصد موجود است. حد حلالیت جامد در درجه حرارت یوتکتیک در حدود 1/85 درصد بوده به تدریج با کاهش درجه حرارت به تا درجه حرارت محیط به حدود 0/1درصد کاهش می یابد. • مکانیزم رسوب گیری هنوز موردشک و تردید می باشد ولی اعتقاد بر این است که رسوبات بصورت رشته های کوچکی رسوب می کنند که بعداً بصورت ورقه های کوچک رشد می نمایند. • این آلیاژها عموماً در 521 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می شوند، ولی در واقع استحکام آنها با افزایش درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال به تا 522 درجه سانتی گراد افزایش می یابد.

23. نمودار تعادليAl-Mg-Si

24. برای حصول حداکثر استحکام، آلیاژهای Al-Mg-Siباید از درجه حرارت عملیات حرارتی انحلال سریعاً سرد شوند. • این آلیاژها بصورت طبیعی پیر نمی شوند زیرا درجه حرارت محیط خیلی آهسته و بتدریج پیر سخت می گردند. • پیر کردن در درجات حرارت پائین تر و برای مدت زمان های طولانی تر بالاترین استحکام را ایجاد می نماید. آلیاژ 6061 معمولاً از طریق عملیات حرارتی انحلال، سریع سرد کردن و پیر سختی مصنوعی ساخته می شود. • ترتيب عمومي رسوب در اين آلياژ بصورت زير است: محلول جامد فوق اشباع ← مناطق GP (سوزنها) ←MgSi2

25. آلياژ (Al-1/3 Mg 2 Si ) كه عمليات حل سازي شده وآب داده شده وبه مدت 24 ساعت در 160 درجه سانتيگراد پير شده است .ساختار شامل مناطق GPو رسوبات مي باشد. • آلياژ (Al-1/3 Mg 2 Si ) كه عمليات حل سازي شده آب داده شده و به مدت 24 ساعت در 160 درجه سانتيگراد پير شده است. مجددا به مدت 15 دقيقه در 275درجه سانتيگراد گرم شده است. ساختار سوزن هاي درشت رسوب هاي را نشان مي دهد.

26. 3-آلیاژهای : Al-Zn-Mg-Cu • مهمترین فازهای رسوبی که باعث سختی می شوند ذراتAl3Zn3Mg3و MgZn2مي باشند.ذرات MgZn2در این آلیاژها که حاوی روی بیشتری نسبت به منیزیم هستند موثرتر می باشند .بنظر می رسد که رسوب گیری در آلیاژهای Al-Zn-Mgبصورت زیر انجام می گیرد: • ←فاز واسطه ←مناطق G.Pدر آلومینیم • با افزایش مس به آلیاژهای Al-Zn-MgفازهایCuAl2وAl2CuMg تشکیل می شود ولی به نظر می رسدکه در اينجا نیز فاز اصلی سخت کننده رسوبات MgZn2 باشند. • چون این آلیاژها دارای یوتکتیکهای نقطه ذوب پایینی هستند باین جهت آنها را در 477-443 درجه سانتی گراد عملیات حرارتی انحلال می نمایند. • پیر سخت شدن طبیعی آلیاژهای Al-Zn-Mg-Cuگرچه باعث افزایش استحکام می گردد ولی تولید فلز ناپایداری کرده وبنا براین این آلیاژها فقط به حالت پیر سخت شدن مصنوعی مورد استفاده قرار میگردد.

27. منابع: 1-آلياژ هاي مهندسي – دكتر اكرمي و دكتر سيد ريحاني- انتشارات دانشگاه شريف 2- آلومينيوم – اردشير طهماسبي- انتشارات آزاده