Je třeba mít na paměti, že tyto poměry odpovídají podmínkám rovnováhy, ke kterým dochází, když jsou difúzní procesy dokončeny.
Spolu s neomezenými roztoky tvoří řada kovů a prvků mezi sebou omezené pevné roztoky, kdy roztoky vznikají pouze v určitém koncentračním rozmezí a při vyšších koncentracích vznikají další strukturní útvary.
Specifikem omezených pevných roztoků je, že oblast pevných roztoků sousedí s čistými složkami (malé koncentrace legujícího prvku) na stavových diagramech. Tyto pevné roztoky si zachovávají strukturu čistých kovů a dalších strukturních útvarů na stavovém diagramu, tzv mezifáze nebo intermetalické sloučeniny, mají strukturu, která se liší od základního a legujícího kovu. Na Obr. 13 je jako příklad znázorněn dvoustavový diagram hliník - hořčík (levá strana diagramu). Limitní rozpustnost hořčíku v hliníku při teplotě 449 °C je 17,4 % (hmotn.) a minimální rozpustnost při teplotě 20 °C je pouze 1,4 % Mg (pro rovnovážný stav). Pouze v tomto rozmezí tvoří hořčík s hliníkem pevný roztok - a. Nad výraznými limitními koncentracemi rozpustnosti hořčíku v hliníku se objevuje mezifáze (intermetalická sloučenina) přibližného chemického složení.
|
|
|
Rýže. 13. Levá strana stavového diagramu Al-Mg |
|
|
|
Rýže. 14. Stavový diagram Al-Si |
Intermetalické sloučeniny zpravidla zvyšují tvrdost a snižují tažnost slitiny.
Eutektický stavový diagram je tvořen dvěma kovy, které v kapalném stavu tvoří vzájemné roztoky, ale v pevném stavu jsou prakticky nerozpustné. V pevném stavu je struktura takových slitin eutektická - mechanická směs zrn dvou kovů.
Příkladem diagramu eutektického typu je fázový diagram hliník-křemík. Takový systém slitin se vyznačuje přítomností čistě eutektického složení - u slitiny Al-Si je eutektické složení 11,7 % Si + Al - zbytek.
Eutektické slitiny mají přesně definovanou teplotu solidu; zejména u slitin Al-Si je teplota solidu 588 °C.
Právě při této teplotě nastává konec tuhnutí při všech koncentracích křemíku. Čistě eutektická slitina tohoto systému má koncentraci křemíku 11,7 %, k jeho tuhnutí dochází při konstantní teplotě 588°C (bez intervalu tuhnutí). Litá slitina Ak12 je považována za čistě eutektickou slitinu. Slitiny s koncentrací křemíku nižší než 11,7 % Si jsou hypoeutektické a mají strukturu: a + eutektické, kde a je pevný roztok křemíku v hliníku, má velmi nízkou koncentraci křemíku a je téměř čistým hliníkem. Slitiny s koncentrací křemíku vyšší než 11,7 % jsou hypereutektické a vyznačují se strukturou: křemík + eutektikum. Hypoeutektické a hypereutektické slitiny tuhnou v rozmezí teplot, ale při stejné teplotě solidu 588°C.
Podstatně menší využití v technologii mají slitiny charakterizované stavovými diagramy peritektického typu; stejně jako slitiny s fázovými diagramy s chemickými sloučeninami.
Většina slitin je navíc vícesložková, tzn. neobsahují jeden, ale několik legujících prvků. V tomto případě nemůže být stavový diagram reprezentován plochým obrázkem. Slitiny tří prvků jsou tedy reprezentovány stavovým diagramem v trojrozměrném obrázku: rovnostranný trojúhelník určuje složení slitin a kolmice v rozích k rovině trojúhelníku odrážejí hodnotu teploty; fázové přeměny v třísložkové slitině jsou reprezentovány plochami nad rovinou rovnostranného trojúhelníku. Pro plochý obraz se při analýze takových diagramů používají polytermální řezy (řez svislou rovinou) a izotermické řezy (řez vodorovnou rovinou). Nejčastěji je však vícesložková slitina považována za dvousložkovou slitinu s plochým znázorněním fázového diagramu. Legující prvky v jejich účinku na fázové přechody jsou zohledněny zavedením redukčních faktorů do hlavního legujícího prvku.
Na Obr. je znázorněn fázový diagram Al-Mg. Střední část diagramu je zobrazena zvětšená.
V systému se tvoří fáze β(Al3Mg2), γ(Al12Mgl7), ζ(Al52Mg48), ε(Al30Mg23). Fáze β a γ tají kongruentně při teplotách 453 a 460 °C. Fáze ε a ζ vznikají peritektickými reakcemi při teplotách 450 a 452 °C.
V systému existují tři eutektické rovnováhy: L ↔Mg+ γ při 438 °C, L ↔(A1) + β při 450 °C, L ↔ε + β při 448 °C, stejně jako dvě eutektoidní rovnováhy ββ + ε↔ . ζ při -428 °C a ζ↔β + y při 410 °C.
Rozpustnost Mgv (A1) byla studována v mnoha pracích.
Rozpustnost Mg:
% (v.) ......................
% (hmot.) ..............
Maximální rozpustnost Mg v (A1) byla stanovena na 16,5 % (at.), stejně jako v řadě dalších prací, kde nebyla použita metoda rentgenové analýzy. Údaje o rozpustnosti AI v (Mg) získané v různých studiích se také liší. Nejpravděpodobnější hodnoty jsou následující:
Rozpustnost Al:
% (v.) .....................
% (hmot.) ..............
Prameny:
- Stavové diagramy binárních a vícesložkových systémů na bázi železa. Bannykh O. A., Budberg P. B., Alisova S. P. a kol. Metalurgie, 1986
- Dvousložkové a vícesložkové systémy na bázi mědi. vyd. Shukhardina S.V. Věda, 1979
- Stavové diagramy binárních kovových systémů ed. Lyakisheva N.P. Strojírenství, 1996-2000
Hliník je jedním z nejdůležitějších materiálů používaných v elektronickém průmyslu, a to jak ve své čisté formě, tak v mnoha typech slitin na jeho bázi. Čistý hliník nemá žádné alotropní modifikace, má vysokou tepelnou a elektrickou vodivost, což je 62-65 % vodivosti mědi. Teplota tání hliníku je 660 °C, bod varu 2500 °C. Tvrdost čistého hliníku je 25 HB Brinell. Hliník se snadno zpracovává řezáním, tažením, tlakem.
Při kontaktu se vzduchem se na povrchu hliníku vytvoří neporézní ochranný oxidový film o tloušťce přibližně 2 nm (20 A), který jej chrání před další oxidací. Hliník má nízkou odolnost proti korozi v alkalických roztocích, kyselině chlorovodíkové a sírové. Organické kyseliny a kyselina dusičná na něj nepůsobí.
Průmysl vyrábí několik druhů hliníku: speciální čistota, vysoká čistota a technická čistota. Vysoce čistý hliník třídy A999 neobsahuje více než 0,001 % nečistot; stupně vysoké čistoty A995, A99, A97 a A95, v tomto pořadí - ne více než 0,005; 0,01; 0,03 a 0,05 % nečistot; stupeň technické čistoty A85 - ne více než 0,15 % nečistot.
V elektronice se čistý hliník používá při výrobě elektrolytických kondenzátorů, fólií a také jako terče při vytváření hliníkových vodivých drah mikroelektronických zařízení pomocí tepelných, iontově-plazmových a magnetronových metod naprašování.
Největší zájem elektroniky je o slitiny založené na systémech „hliník-měď“ a „hliník-křemík“, které tvoří dvě velké skupiny tvářených a litých slitin používaných jako konstrukční materiály.
Na Obr. 2.7 ukazuje rovnovážný diagram stavu systému "hliník - měď" ze strany hliníku. Eutektická slitina v tomto systému obsahuje 33 % mědi a má bod tání 548 °C. S nárůstem obsahu intermetalických látek ve slitině roste pevnost slitiny, ale zhoršuje se její obrobitelnost. Rozpustnost mědi v hliníku při pokojové teplotě je 0,5 % a při eutektické teplotě dosahuje 5,7 %.
Slitiny s obsahem mědi do 5,7 % lze převést do jednofázového stavu kalením z teploty nad linkou B.D. Vytvrzená slitina má přitom dostatečnou tažnost se střední pevností a je zpracovatelná deformací. Pevný roztok vzniklý po kalení je však nerovnovážný a dochází v něm k procesům srážení intermetalických sloučenin doprovázených zvýšením pevnosti slitin. Při pokojové teplotě tento proces trvá 4-6 dní a nazývá se přirozené stárnutí slitiny. Urychlení procesu stárnutí materiálu je zajištěno jeho udržováním na zvýšené teplotě, tento proces se nazývá umělé stárnutí.
Rýže. 2.7. Stavový diagram systému hliník-měď Jiná skupina slitin hliníku, nazývané hliníkové odlévací slitiny nebo siluminy, jsou slitiny založené na systému hliník-křemík. Stavový diagram tohoto systému je na Obr. 2.8.
Rýže. 2.8.
Eutektická slitina obsahuje 11,7 % křemíku a má teplotu tání 577 °C. Tento systém netvoří intermetalické sloučeniny. Eutektické slitiny mají dobré odlévání a vyhovující mechanické vlastnosti, které se zlepšují zavedením až 1 % sodíkových sloučenin do slitiny.
Na bázi hliníku se vyrábí velké množství různých slitin, vyznačujících se nízkou hustotou (do 3 g / cm 3), vysokou odolností proti korozi, tepelnou vodivostí, elektrickou vodivostí, tepelnou odolností, pevností a tažností za nízkých teplot a dobrá odrazivost světla. Ochranné a dekorativní nátěry se snadno nanášejí na výrobky z hliníkových slitin, snadno se opracovávají a svařují kontaktním svařováním.
Slitiny hliníku mohou spolu s hliníkem základního kovu obsahovat jednu nebo více z pěti hlavních legujících složek: měď, křemík, hořčík, zinek a mangan, stejně jako železo, chrom, titan, nikl, kobalt, stříbro, lithium, vanad. , zirkon, cín, olovo, kadmium, vizmut atd. Legující složky se zcela rozpouštějí v tekutém hliníku při dostatečně vysoké teplotě. Rozpustnost v pevném stavu s tvorbou tuhého roztoku pro všechny prvky je omezená. Nerozpuštěné částice buď tvoří samostatné, nejčastěji tvrdé a křehké krystaly ve struktuře slitiny, nebo jsou přítomny ve formě čistých prvků (křemík, cín, olovo, kadmium, vizmut), případně ve formě intermetalických sloučenin s hliníkem ( A 2 Cu; Al 3 mg2 ; Al 6 Mn; AlMn; Al 3 Fe; A 7 Cr; Al3Ti; Al3Ni; AlLi).
Ve slitinách se dvěma nebotři legující složky, intermetalické sloučeniny jsou součástí dvojitého ( mg2 Si, Zn 2 , Mg), ternární [ a (AlFeSi )] a složitější fáze.
Výsledný pevný roztok a přítomnost heterogenních strukturních složek určují fyzikální, chemické a technologické vlastnosti slitin. Vliv legování na strukturu slitin popisuje fázový diagram, který určuje charakter průběhu procesu tuhnutí, složení výsledných fází a možnost různých přeměn v tuhém stavu. Na Obr. Uvažuje se 1 - 9 stavových diagramů binárních a ternárních slitin hliníku.
Slitina Al-Cu systémy. Z diagramu je vidět, že když je obsah mědi od 0 do 53 %, existuje jednoduchý eutektický systém Al(α ) - Al 2 Cu(θ) s eutektikem při teplotě 548°C a obsahu 33% Cu. Maximální rozpustnost (při eutektické teplotě) mědi v α -pevný roztok - 57%. Rozpustnost mědi klesá s klesající teplotou a při teplotě 300°C je 0,5%. Nerozpuštěná měď je v rovnováze ve formě fáze A 2 Cu. Při středních teplotách se v důsledku rozkladu přesyceného pevného roztoku tvoří metastabilní mezifáze (θ " a θ ").
Slitina Al systémy -Si. Systém je čistě eutektický, existuje při teplotě 577 °C a obsahu 12,5 % Si. V α -pevný roztok se při této teplotě rozpustí 1,6 % Si . Krystalizaci eutektického křemíku lze ovlivnit mírným přídavkem sodíku. V tomto případě dochází k podchlazení závislému na rychlosti tuhnutí a posunutí eutektického bodu s odpovídajícím zjemněním eutektické struktury.
Slitina systémový Al-Mg. Rozsah obsahu hořčíku ve slitině od 0 do 37,5 % je eutektický. Eutektikum existuje při teplotě 449 °C a obsahu 34,5 % mg . Rozpustnost hořčíku při této teplotě je maximální a je 17,4 %. Při teplotě 300°C in α - pevný roztok se rozpouští 6,7% Mg; při 100 °C - 1,9 % Mg . Nerozpuštěný hořčík se nachází ve struktuře nejčastěji ve forměβ-fáze (Al 3 Mg 2 ).
Slitina Al-Zn systémy. Slitiny tohoto systému tvoří eutektický systém při teplotě 380 °C s eutektikem bohatým na zinek s obsahem 97 % Zn . Maximální rozpustnost zinku v hliníku je 82 %. V oblasti α -pevný roztok pod teplotou 391°C je mezera. obohacený o zinek α -fáze při teplotě 275°C se rozkládá za vzniku eutektické směsi hliníku s 31,6% Zn a zinek s 0,6 % Al. Dále se snižuje rozpustnost zinku a při teplotě 100 °C je pouze 4 %.
Diagramy stavu slitiny Systémy Al-Mn, Al - Fe naznačují existenci eutektik při velmi nízkých koncentracích legujících prvků. S výjimkou manganu je rozpustnost prvků v pevném stavu zanedbatelná, např. železo< 0,05%.
ve slitinách Systémy Al-Ti (viz obr. 1.14), Al- C rrozpustnost prvků je v desetinách procenta.
V slitina Al-Pb systémy S klesající teplotou se složky oddělují již v tavenině za vzniku dvou kapalných fází. Tuhnutí začíná téměř při teplotě tání hliníku a končí při teplotě tání legujícího prvku (monoeutektická krystalizace).
Slitina Systémy Al - Mg - Si sestává ze dvou trojitých eutektik. Trojité eutektikum Al - Mg 2 Si - Si obsahující 12 % Si a 5 % Mg taje při 555 °C. eutektický Al - Mg 2 Si-AlbMg2 s teplotou tání 451°C se téměř neliší od binárního systému Al - Al 3 Mg2 . Linie likvidu spojující oba trojité eutektické body prochází maximem při teplotě 595°C přesně po kvazibinárním průřezu (8,15% Mg a 4,75 % Si ). Kvůli přebytku hořčíku (ve vztahu k mg 2 Si ) rozpustnost křemíku v α -pevný roztok je značně snížen. Slitiny Al - Mg , zejména slévárny, obsahují několik desetin procenta křemíku a patří tedy do dílčího systému Al - Mg 2 Si - Al 3 Mg 2 .
Slitina Systémy Al-Cu-Mg. Stavový diagram tohoto systému ukazuje, že spolu s dvojitými fázemi A 3 Mg 2 (β ) a Al 2 Cu(θ) v rovnováze s pevným roztokem α může obsahovat dvě trojité fáze S a T. Za peritektickou transformací při vysokém obsahu mědi vzniká průřez blízký kvazibinárnímu A l-S (eutektická teplota 518°C) a částečná eutektická oblast Al - S - Al 2 Cu (eutektická teplota 507°C). Fáze T bohatá na hořčík ( Al 6 Mg 4 Cu ) vzniká na základě fáze S jako výsledek peritektické čtyřfázové reakce při teplotě 467 °C. Při teplotě 450 °C nastává následná peritektická čtyřfázová reakce, podle které se fáze T přemění na β.
Slitina Systémy Al-Cu-Si. Stavový diagram slitiny ukazuje, že hliník tvoří s křemíkem a fází A 2 Cu jednoduchý ternární eutektický parciální systém (eutektická teplota 525°C). Společná přítomnost mědi a křemíku neovlivňuje jejich vzájemnou rozpustnost v α - pevný roztok.
Slitina Systémy Al-Zn-Mg. Na konstrukci hliníkového rohu systému se podílejí dvojité fáze Al 3 Mg 2 , MgZn 2 a ternární fáze T, odpovídající průměrnému chemickému složení Al 2 Mg 3 Zn 3 . Průřezy Al - MgZn 2 a Al -T zůstávají kvazibinární (eutektická teplota 447°C). V částečné oblasti Al-T-Zn při teplotě 475°C probíhá peritektická čtyřfázová reakce, podle které se fáze T přeměňuje na fázi MgZn 2 . Následně během průchodu čtyřfázové reakce při teplotě 365 °C z fáze MgZn2 při vysokém obsahu zinku vzniká fáze MgZn 5 , který spolu s hliníkem a zinkem krystalizuje eutektickou reakcí při teplotě 343°C.
U slitin na bázi hliníku je legování s hlavními složkami zajištěno tak, že jejich celkový obsah je pod maximální rozpustností. Výjimkou je křemík, který se pro příznivé mechanické vlastnosti eutektika používá v eutektických a hypereutektických koncentracích.
Nečistoty a přísady mohou změnit fázový diagram jen nepatrně. Tyto prvky jsou nejčastěji málo rozpustné v tuhém roztoku a tvoří ve struktuře heterogenní sraženiny.
V důsledku neúplného vyrovnání koncentrace v primárních krystalech tuhého roztoku hliníku během jeho tuhnutí se eutektické oblasti mohou objevit ve struktuře v koncentraci pod maximální rozpustností, zejména v litém stavu. Jsou umístěny podél hranic primárních zrn a narušují obrobitelnost.
Protože se legující přísady rozpouštějí v tuhém roztoku, lze heterogenní strukturní složky eliminovat prodlouženým ohřevem při vysokých teplotách (homogenizací) difúzí. Během deformace za tepla jsou křehké precipitáty podél hranic zrn mechanicky zničeny a distribuovány ve struktuře v liniovém režimu. Tento proces je charakteristický pro přeměnu odlévané struktury na deformovanou.
Slitiny hliníku se podle způsobu zpracování dělí na tvářené a lité.
V současné době se vyvíjejí nové desky na bázi hliníku, které dále rozšiřují rozsah těchto materiálů. Pro projekt ekologického letadla na kapalný vodík (jeho teplota je -253 °C) byl tedy vyžadován materiál, který při tak nízkých teplotách nekřehne. Slitina O1420 na bázi hliníku legovaného lithiem a hořčíkem, vyvinutá v Rusku, tyto požadavky splňuje. Navíc, vzhledem k tomu, že oba legující prvky v této slitině jsou lehčí než hliník, je možné snížit měrnou hmotnost materiálu a tím i letovou hmotnost strojů. Spojením dobré pevnosti duralu a nízké hustoty má slitina také vysokou odolnost proti korozi. Moderní věda a technika tak směřuje k vytváření materiálů, které spojují maximální možnou sadu užitných vlastností.
Je třeba také poznamenat, že v současné době existuje vedle tradičního alfanumerického značení nové digitální značení hliníkových slitin - viz obr. 3 a tabulka. deset.
Obrázek 3 - Princip digitálního značení hliníkových slitin
Tabulka 10
Příklady označení pomocí nového značení
|
legující prvky |
Označení |
|
|
Tradiční | ||
|
Al (čistý) | ||
Bibliografie
1. Kolachev B.A., Livanov V.A., Blagin V.I. Nauka o kovech a tepelné zpracování neželezných kovů a slitin. M.: Hutnictví, 1972.-480 s.
2. Lakhtin Yu.M., Leontieva V.P. Věda o materiálech. M.: Mashinostroenie, 1990.-528 s.
3. Guljajev A.P. Věda o kovech. M.: Hutnictví, 1986.-544 s.
4. Encyklopedie anorganických materiálů. Svazek 1.: Kyjev: Šéfredaktor ukrajinského Sov.Enc., 1977.-840 s.
5. Encyklopedie anorganických materiálů. Svazek 2.: Kyjev: Šéfredaktor ukrajinského Sov. Enc., 1977.-814 s.
6. Nauka o materiálech a technologie materiálů. Fetisov G.P., Karpman M.G., Matyunin V.M. atd. M. - V.Sh., 2000.- str.182
Příloha 1
Stavový diagram Al-Mg (a) a závislost mechanických vlastností
slitiny s obsahem hořčíku (b)
Příloha 2
stavový diagramAl - Cu:
přerušovaná čára - teplota kalení slitin
Dodatek 3
stavový diagramAl – Sia) a účinek křemíku
na mechanické vlastnosti slitiny
Úvod. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………čtyři
1 hliník. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….čtyři
2 Slitiny na bázi hliníku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……5
2.1 Tvářené hliníkové slitiny,
nevytvrzené tepelným zpracováním. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......6
2.2 Tvářené hliníkové slitiny,
vytvrzené tepelným zpracováním. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .......7
2.3 Slitiny litého hliníku. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ......jedenáct
2.4 Slitiny vyrobené práškovou metalurgií………...……..…..14
Závěr………………………………………………………………………………..……..16
Reference………………………………………………………………………………... 17
Příloha 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …. . . . . . . . . . . . . . . . . . . ….19
Příloha 2. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….. dvacet
Příloha 3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . . . . . . . . . . . . . . . ….21
Katedra teoretických základů nauky o materiálech
