Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 10 – Normalizacija 1

Vježba 11

TOPLINSKA OBRADA ALUMINIJEVIH LEGURA Unatoč činjenici da kod aluminija nema modifikacije rešetke, kao što je to bio slučaj kod željeza, neke legure aluminija mogu se toplinski obraditi i na taj način postići veću tvrdoću i čvrstoću. Aluminijeve legure koje su prikladne za toplinsku obradu su obično one kod kojih topivost legirnih elemenata naglo opada sa snižavanjem temperature npr. Cu, Si ili kombinacija Mg-Si, Mg-Zn, i slično. Princip očvršćivanja ovdje se temelji na promjeni topivosti legirnih elementa u rešetci aluminija, odnosno na izlučivanju koherentnih (GP zone), polukoherentnih (metastabilne faze θ''

i θ') ili nekoherentnih precipitata (stabilne faze intermetalnih spojeva, kao što su: Al2Cu, Al2CuMg, Mg2Si, MgZn2 i slično) u obliku submikoskopskih čestica.

α

α + T

α + eutektik

100 9095

0 5 10

Al

Cu

Sastav u %

Tem

pera

tura

Te

mpe

ratu

ra

Vrijeme

X

B C DA

α+

ΑC

ul2

Slika 11.1 Toplinsko očvršćavanje Al-Cu legure [1]

Toplinski očvrstive legure aluminija su na sobnoj temperaturi u heterogenom području, kada se u mikrostrukturi nalaze kristali mješanci aluminija i legirnih elemenata te intermetalni spojevi. Proces toplinske obrade Al-legura objasniti će se na primjeru Al-Cu legure čiji je tok toplinskog očvršćivanja shematski prikazan na slici 11.1. Na povišenim temperaturama te se legure nalaze u homogenom području (stanje X na slici 11.1.) kada se u mikrostrukturi nalaze samo kristali mješanci u kojima je otopljena sva količina legirnih elemenata. Stoga se toplinska obrada izvodi zagrijavanjem u homogeno područje nakon čega slijedi naglo hlañenje čime se na sobnoj temperaturi u rešetci aluminija prisilno zadrži sva količina legirnih elementa koja je u njoj bila otopljena prethodnim zagrijavanjem u homogeno područje (stanje B na slici 11.1.). Takvo neravnotežno stanje rezultira izlučivanjem precipitata, prvo u vidu Guinier-Prestonovih (GP) zona (stanje C na slici 11.1.) koje prethode precipitiranju metastabilnih faza, te stabilne faze intermetalnog spoja (stanje D na slici 11.1.). GP zone su vrlo sitne nakupine atoma legirnih elementa u obliku diska reda veličine desetak nanometara fino rasporeñene po osnovnoj matrici, s tim da im gustoća može dosegnuti i 1025 m-3. Metastabilne faze su nešto veće od GP zona, a sastav im se nešto razlikuje od stabilne faze intermetalnog spoja. Gusti raspored ovih faza i njihova submikroskopska veličina su razlozi povećanja čvrstoće i tvrdoće navedenih aluminijevih legura. Ovaj proces izlučivanja precipitata nakon naglog hlañenja naziva se dozrijevanje ili starenje koje se može odvijati na sobnoj temperaturi, pa se naziva prirodno, ili na povišenim temperatura, kada se naziva umjetno. Prirodno dozrijevanje može početi odmah nakon naglog hlañenja ili nakon nekog

Materijali 2

Vježba br. 10 – Normalizacija 2

perioda inkubacije, a postizanje potpune ravnoteže može trajati nekoliko dana do nekoliko godina, ovisno o kemijskom sastavu legure. Ovisno o leguri, postupak precipitiranja može se ubrzati zagrijavanjem proizvoda na temperaturu od 120 do 185°C te njegovim zadržavanjem na toj temperaturi najčešće nekoliko sati. Na slici 11.2. prikazan je učinak temperature i trajanja umjetnog dozrijevanja na granicu razvlačenja aluminijske legure EN AW 6063.

Slika 11.2. Ovisnost granice razvlačenja o temperaturi i vremenu dozrijevanja za

leguru EN AW 6063 [2]

Iz slike 11.1 vidljivo je da treba pronaći optimum izmeñu temperature i vremena dozrijevanja u cilju postizanja maksimalnih željenih svojstava. Takoñer je vidljivo da se dugotrajnim dozrijevanjem može dogoditi i tzv. prekomjerno dozrijevanje kada čvrstoća i tvrdoća počinju padati zbog koagulacije precipitata. ZADATAK 1

Potrebno je toplinski obraditi dva uzorka izrañena od dvije toplinski očvrstive legure aluminija: AlCu6BiPb (EN AW 2011) i AlMg0,7Si (EN AW 6063). Temperatura rastopnog žarenja za obje legure je 500°C, a trajanje zadržavanje na toj temperaturi iznosi 20 minuta. Oba uzorka potrebno je umjetno dozrijevati na temperaturi od 200°C u trajanju od 30 min. Prije i nakon toplinske obrade izmjeriti tvrdoću uzorka te rezultate mjerenja upisati u tablicu 11.1. Tablica 11.1. Rezultati mjerenja tvrdoće

Tvrdoća (HV) Legura Toplinska obrada

1 2 3 Prosjek Bez T.O.

Nakon gašenja EN AW 2011 Nakon umjetnog dozrijevanja

Bez T.O. Nakon gašenja EN AW 6063

Nakon umjetnog dozrijevanja

Upute za laboratorijske vježbe

Vježba br. 10 – Normalizacija 3

Odgovorite na slijedeća pitanja 1. Koji je fizikalni princip očvršćavanja kod toplinske obrade aluminijevih legura? 2. Od kojih se faza sastoji toplinska obrada aluminijevih legura? 3. Objasnite kako dozrijevanje utječe na mehanička svojstva aluminijevih legura? REFERENCE [1] Igor Duplančić, Materijali 2, Skripta, FESB, Split, 2010. [2] C.R.Brooks, Heat treating of aluminum alloys, ASM Handbook, 1991. [3] Ivo Alfirević, Inženjerski priručnik IP4: Proizvodno strojarstvo, Školska knjiga d.d., Zagreb, 1998.