WPŁYW TWARDOŚCI I MIKROSTRUKTURY STOPÓW ALUMINIUM NA UDARNOŚĆ

Transkrypt

1 32/8 ARCHIWUM ODLEWNICTWA Rok 2003, Rocznik 3, Nr 8 Archives of Foundry Year 2003, Volume 3, Book 8 PAN - Katowice PL ISSN WPŁYW TWARDOŚCI I MIKROSTRUKTURY STOPÓW ALUMINIUM NA UDARNOŚĆ STRESZCZENIE R. GOROCKIEW ICZ 1 Wydział Mechaniczny Uniwersytetu Zielonogórskiego Zielona Góra, ul. Szafrana 4. Na przykładzie stopów aluminium (bez obróbki cieplnej i obrobionych cieplnie) zbadano wpływ twardości i mikrostruktury na udarność. Key words: the structure, the hardness, the impact resistance 1. WPROWADZENIE Umocnienie roztworu i morfologia faz międzymetalicznych, to jedne z podstawowych cech mikrostruktury stopów aluminium, decydujących o własnościach mechanicznych. Stopień umocnienia roztworu i wiążąca się z nim utrata plastyczności są zależne od rodzaju i ilości składników stopowych wprowadzonych do stopu [1]. W pracy [2] wykazano, że odporność na pękanie eutektycznego stopu Al.-Si jest ściśle powiązana z rozmiarem i morfologią cząsteczek krzemu. Stwierdzono przy tym, że włóknista morfologia krzemu i jego rozdrobnienie, uzyskane przez modyfikowanie ciekłego metalu strontem, podwyższa odporność na pękanie stopu.. Własności wytrzymałościowe większości stopów mogą być poprawiane przez obróbkę cieplną, której efekt też zależy od struktury pierwotnej. W prezentowanej pracy na przykładzie wybranych stopów aluminium odlewniczych i do dalszej obróbki plastycznej wykonano badania nad wpływem twardości i mikrostruktury na udarność. Własności i mikrostrukturę stopów kształtowano obróbką cieplną, tj. przez wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe. 1 dr inż., adiunkt, r.gorockiewicz@iipm.uz.zgora.pl 279

2 2. METODYKA BADAŃ Do badań udarności, twardości i mikrostruktury wykorzystano próbki z karbem typu U wycięte w oparciu o normę PN-EN :1994 z bloków wyprodukowanych w Hucie Aluminium KONIN jako: aluminium EN AW-1050 (AL99,5), stopy przeznaczone do dalszej obróbki plastycznej, tj. AW-8011 (AlFeSi), EN AW-3003 (AlMn1Cu), EN AW-3103 (AlMn1), EN AW-5754 (AlMg3) oraz z wlewków jako stopy odlewnicze: AK9 (AlSi9), 230 (AlSi12), 226 (AlSi9Cu2Fe), EN AW-4343 (Al- Si7Fe). Badania przeprowadzono na próbkach bez obróbki cieplnej (oznaczenie A) oraz na próbkach obrobionych cieplnie. Obróbka cieplna obejmowała: wyżarzanie o C/5,5 godziny, chłodzenie z piecem (B) lub 510 o C/12 godzin, chłodzenie piecem (C) oraz utwardzanie wydzieleniowe - przesycanie w gorącej wodzie po 12 godzinnym wygrzaniu w 510 o C z następnym 6 godzinnym starzeniem w 170 o C (D). Obróbkę cieplną typu B zastosowano do próbek wykonanych z aluminium Al99,5 i stopów: A l- FeSI, AlMn1Cu, AlMn1, AlMg3, natomiast obróbkę cieplną typu C do próbek ze stopów AlSi9, AlSi12 i AlSi9Cu2Fe. Obróbkę cieplną typu D przeprowadzono na pró b- kach wykonanych ze stopu AlSi9Cu2Fe. Obróbkę cieplną próbek przeprowadzono w piecu muflowym w atmosferze powietrza. Pomiar twardości wykonano metodą Brinella w oparciu o normę PN-91/H Na każdej próbce wykonano po trzy odciski, z których wyznaczono wartość średnią. Udarność (średnia z 9 próbek) obliczono w oparciu o wyznaczoną pracę uderzenia, odniesioną do pola powierzchni przekroju w miejscu karbu. Obserwację mikrostruktury materiału przeprowadzono na mikroskopie optyc z- nym NEOPHOT 2. Zgłady trawiono odczynnikiem o składzie: 0,5 ml HF + 99,5 ml H 2 O. 3. WYNIKI BADAŃ Wyniki pomiarów twardości i udarności są przedstawione w tabeli 1 i na rys.1. Widoczna jest ogólna tendencja zmniejszania się udarności ze wzrostem twardości. Stopy przeznaczone do obróbki plastycznej wykazują przy tej samej twardości wyższą udarność od stopów odlewniczych. Można zauważyć obniżenie się twardości i jedn o- czesny wzrost udarności w wyniku zastosowanego wyżarzania. Szczególnie wysoki przyrost udarności dotyczy wyżarzonego stopu AlSi12 (wzrost 10-krotny). Wyżarzanie stopu odlewniczego AlSi9Cu2Fe dosyć znacznie podwyższyło udarność w stosu nku do stanu bez obróbki cieplnej (z 1,2 do 3,8 J/cm^2), jednak przy jednocześnie znacznym obniżeniu twardości (ze 112 do 71 HB). Interesującym jest fakt jednoczesnego przyrostu udarności i twardości tego stopu po zastosowanym przesycaniu i starzeniu (wzrost udarności z 1,2 do 1,5 J/cm^2 i wzrost twardości ze 112 do 130 HB w stosunku do stanu bez obróbki cieplnej). Zaobserwowane zmiany twardości i udarności w wyniku zastosowanej obróbki cieplnej są wynikiem zmian w mikrostrukturze materiałów. W mikrostrukturze stopów przeznaczonych do dalszej obróbki plastycznej domin ującą fazą jest roztwór stały - rys.2, stąd też stopy te wykazują wyższą udarność w porównaniu ze stopami odlewniczymi. Mikrostrukturę stopów odlewniczych w stanie bez obróbki cieplnej (rys.3a, 4a i 5a) tworzą wydzielenia krzemu eutektycznego w postaci 280

3 ARCHIWUM ODLEWNICTWA długich, smukłych płytek na tle roztworu stałego (stop AlSi9) lub iglastej eutektyki ( +Si) stop AlSi12 z widocznymi owalnymi komórkami roztworu stałego. Ponadto w stopie AlSi9 widoczne są iglaste i w postaci chińskich liter wtrącenia faz bogatych w żelazo oraz fazy Mg 2 Si rys.3a. Mikrostrukturę stopu AlSi9Cu2Fe w stanie bez obróbki cieplnej rys.5a stanowi drobnoziarnista eutektyka ( +Si) ulokowana na bardzo dobrze widocznych komórkach roztworu stałego. Występują również krótkie, iglaste i znacznie większe, w postaci chińskich liter wydzielenia faz bogatych w żelazo, a także owalne, ciemne wydzielenia fazy bogatej w Cu. Tabela 1. Wyniki pomiarów twardości i udarności Table 1. Results of measurement of the hardness and of impact resistances Stopy odlewnicze Stopy do obróbki plastycznej Rodzaj stopu i stan obróbki cieplnej Twardość HB Udarność KCU, J/cm^2 Rodzaj stopu i stan obróbki cieplnej Twardość HB Udarność KCU, J/cm^2 AlSi9 (A) 55,2 1,7 EN AW-Al 99,5 (A) 22,9 71,5 AlSi9 (C) 44,9 3,6 EN AW-Al 99,5 (B) 21,5 86,5 AlSi12 (A) 49,0 3,1 EN AW-AlFeSi (A) 38,6 38,3 AlSi12 (C) 39,0 17,0 EN AW-AlFeSi (B) 32,9 50,5 AlSi9Cu2Fe (A) 112,0 1,2 EN AW-AlMn1Cu (A) 44,1 28,4 AlSi9Cu2Fe (C) 71 3,8 EN AW-AlMn1Cu (B) 40,0 31,9 AlSi9Cu2Fe (D) 130 1,5 EN AW-AlMn1 (A) 43,6 33,7 AlSi7Fe (A) 52 5,1 EN AW-AlMn1 (B) 39,9 37,6 EN AW-AlMg3 (A) 58,5 19,5 EN AW-AlMg3 (B) 52,0 22,7 Obróbka cieplna stopów odlewniczych spowodowała zmianę głównie morfologii krzemu eutektycznego rys. 3b, 4b, 5b i 5c. Wysmukłe, cienkie igły przekształciły się w drobne, globularne i bardziej równomiernie rozłożone wydzielenia. W stopach AlSi9 i AlSi9Cu2Fe dominującym procesem tworzenia się globularnych wydzieleń krzemu jest koalescencja, a następnie sferoidyzacja. Wyżarzanie stopu AlSi9Cu2Fe z wolnym chłodzeniem w piecu spowodowało znaczne pogrubienie cząsteczek krzemu rys. 5b. Wyraźniejsze są też iglaste wtrącenia fazy bogatej w żelazo. Wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmieniło morfologii faz bogatych w żelazo. Iglasta faza 281

4 Udarność KCU, kj/m^2 bogata w żelazo jest powodem obniżenia wytrzymałości i zwiększenia kruchości o d- lewniczych stopów Al.-Si [3] Twardość HB stopy odlewnicze stopy do obróbki plastycznej Rys.1. Wpływ twardości na udarność badanych stopów aluminium Fig.1. The influence of the hardness on the impact resistance of examined of alloys the aluminium 282

5 ARCHIWUM ODLEWNICTWA a) b) Rys.2 Mikrostruktura stopu EN AW-AlMg3: a) bez obróbki cieplnej, b) po wyżarzaniu typu B komórki roztworu stałego oraz wydzielenia faz międzymetalicznych na granicach komórek Fig. 2. The microstructure of alloy EN AW-AlMg3: a) without the heat-treatment, b) after annealing B of the cell of the solid solution and release of intermetallic phases on borders of cells a) b) Rys.3. Mikrostruktura stopu AlSi9: a) bez obróbki cieplnej, b) po wyżarzaniu C Fig.3. The microstructure of alloy AlSi9: a) without the heat-treatment, b) after annealing C 283

6 a) b) Rys.4. Mikrostruktura stopu AlSi12: a) bez obróbki cieplnej, b) po wyżarzaniu C Fig.4. The microstructure of alloy AlSi12: a) without the heat-treatment, b) after annealing C a) b) 284

7 ARCHIWUM ODLEWNICTWA c) Rys. 5. Mikrostruktura stopu AlSi9Cu2Fe: a) bez obróbki cieplnej, b) po wyżarzaniu C, c) po utwardzaniu wydzieleniowym Fig.5. The microstructure of alloy AlSi9Cu2Fe: a) without the heat-treatment, b) after annealing C, c) after hardening age 4. PODSUMOWANIE Wyżarzanie badanych stopów aluminium spowodowało znaczny wzrost udarności przy jednoczesnym spadku twardości. W przypadku stopów AlSi9 i AlSi9Cu2Fe wyżarzanie spowodowało fragmentację, a następnie koalescencję i sferoidyzację krzemu eutektycznego i wydzielenie się cząsteczek krzemu z roztworu stałego. W stopie AlSi12 dominującym jest fragmentacja i sferoidyzacja krzemu eutektycznego. Utwa r- dzanie wydzieleniowe stopu AlSi9Cu2Fe spowodowało wzrost twardości, jak również zmianę morfologii krzemu eutektycznego, co wpłynęło na wzrost udarności w poró w- naniu do stanu bez obróbki cieplnej. Wyżarzanie i utwardzanie wydzieleniowe stopów nie zmieniło morfologii faz bogatych w żelazo. LITERATURA [1] Poniewierki Z.: Krystalizacja, struktura i właściwości siluminów, WNT, Warszawa [2] Hafiz M.F., Kobayashi T.: Fracture toughness of eutectic Al-Si casting alloy with different microstructural features, Journals of materiale science, 1996, s [3] Mondolfo L.F.: Aluminium Alloys, Structure and Properties, Butter Worths-London- Boston

8 THE INFLUENCE OF THE HARDNESS AND MICROSTRUCTURES OF ALLOYS THE ALUMINIUM ON THE IMPACT RESISTANCE SUMMARY On the example of alloys the aluminium (without the heat-treatment and of worked thermally) one examined the influence of the hardness and microstructures on their impact resistance. Recenzował: prof. dr hab. inż. Stanisław Pietrowski 286