Úvod
V době energetického přechodu hrají lehké konstrukce ústřední roli v automobilovém průmyslu, letectví a dopravě. Pokud jde o elektromobilitu, snížení hmotnosti o 100 kg může u osobního automobilu ušetřit až 0,64 KW/h na 100 km [1]. Hliníkové slitiny se díky své vysoké měrné pevnosti počítají mezi nejdůležitější skupiny materiálů v lehkých konstrukcích. Nahrazením ocelových součástí hliníkovými slitinami lze dosáhnout až 30% úspory hmotnosti [2].
Slitiny AlMgSi jsou hliníkové materiály s hořčíkem (0,6 až 1,2 % hm.) a křemíkem (0,4 až 1,3 % hm.) jako hlavními legujícími prvky [3]. Patří do skupiny srážecího vytvrzování slitin a lze je dále zpevňovat - například po tváření - specifickým tepelným zpracováním. Klasifikaci příslušných podmínek tepelného zpracování lze nalézt v normě DIN EN 515 [4].
Během tepelného zpracování se v materiálu tvoří jemně rozptýlené sraženiny silicidu hořečnatého. Ty narušují krystalovou mřížku hliníkové matrice a působí jako překážka pohybu dislokací. Výsledný zpevňující účinek však silně závisí na morfologii precipitátů a jejich integraci do hliníkové matrice (koherenci). V případě slitin AlMgSi existuje následující pořadí precipitace, uvedené na obr. 1, které se vyskytuje s rostoucí teplotou [5]:
Jemné klastry a Guinier-Prestonovy zóny (GP zóny1), které se tvoří jako první, nevedou k významnému zpevnění materiálu. Díky koherentní jehlicovité fázi β", která vzniká následně, dosahuje systém slitiny maximální pevnosti. Poté se vyvine tyčinkovitá polokoherentní fáze β'. Ta následně přechází v rovnovážnou fázi β (Mg2Si), která vede ke křehnutí slitiny v důsledku své velikosti (100 nm a více) a nesoudržnosti. [5]
1Guinierovy-Prestonovyzóny vznikají v kovové slitině segregačními procesy, při nichž se - nad určitou teplotou - atomy legujícího prvku shlukují a vytvářejí aglomeráty na atomární úrovni až mikroskopické precipitáty.
Analýza morfologie sraženiny pomocí Diferenciální skenovací kalorimetrie
Vznik a rozpouštění sraženin představují exo- nebo endotermní procesy vedoucí k absorpci nebo uvolňování tepla. Pomocí diferenční skenovací kalorimetrie (DSC) lze tato reakční tepla zaznamenat jako funkci teploty. Při měření DSC se kelímek se vzorkem a referenční kelímek, který je obvykle prázdný, podrobí definovanému časově-teplotnímu programu v symetricky navržené teplotní komoře. Kelímek slouží k zamezení kontaminace měřicí komory analyzovaným materiálem. V průběhu experimentu se teplota vzorku i referenčního kelímku měří pomocí termočlánků. Díky symetrickému uspořádání strany vzorku a referenční strany a definovanému tepelnému mostu mezi nimi lze určit tepelný tok nebo reakční entalpii. DSC tak na jedné straně umožňuje stanovit teploty potřebné pro vznik precipitačních fází a na druhé straně umožňuje na základě naměřených transformačních entalpií vyvodit závěry o stávajícím stavu mikrostruktury.
Kovové materiály se obvykle charakterizují ve vysokoteplotních diferenčních skenovacích kalorimetrech (nad 750 °C) za účelem zjištění jejich teplot tání. V závislosti na analyzovaném materiálu nebo účinku však mohou být vhodné i nízkoteplotní přístroje.
Díky použitým termočlánkům - obvykle typu E - se nízkoteplotní přístroje vyznačují výrazně vyšší citlivostí na tepelný tok v příslušném měřicím rozsahu než vysokoteplotní zařízení - například s termočlánky typu S. Podle normy DIN EN 60584-1 [7] se typ E vyznačuje přibližně osminásobkem tepelného rozdílu napětí na kelvin při teplotě 300 °C oproti prvku typu S. Díky tomu jsou nízkoteplotní zařízení vhodná zejména pro analýzu small tepelných jevů.
Na obrázku 2 je znázorněn diagram teplotního a tepelného toku od 30 °C do 450 °C neúplně vytvrzeného vzorku AlMgSi, podobného stavu T42 , který se používá při tváření. Měření bylo provedeno v atmosféře N2 při rychlosti ohřevu 10 K/min a za použití hliníkových kelímků Concavus®. Vzhledem k rozsahu zkoumaných teplot od 30 °C do 560 °C a pasivační vrstvě vzorku i kelímku lze předpokládat, že mezi nimi neprobíhá žádná reakce. Jako referenční byl zvolen prázdný kelímek. Na základě polotovaru o tloušťce 1,0 mm byly vzorky připraveny do podoby válcových kotoučů procesem řezání a následného broušení. Na základě očekávaných relativně small transformačních entalpií v řádu několika J/g byla zvolena relativně large počáteční hmotnost 25 mg ± 0,5 mg. Pro statistickou bezpečnost byla všechna měření provedena třikrát.
2 Stav T4: ošetřeno roztokem, kaleno a přirozeně stárnuto v souladu s normou DIN EN 515 [3]
Pasivační vrstva
Pasivace je tvorba jakési "ochranné vrstvy" na povrchu některých kovů. Působí proti korozi a je vyvolána stejnými prvky, které korozi vyvolávají. Pasivační vrstva by měla mít vysokou hustotu a nízkou pórovitost. Současně musí být tato vrstva kvůli vysoké kompatibilitě velmi tenká a homogenně rozložená po povrchu kovu.
Nízkoteplotní DSC NETZSCH je vybaven vysoce přesným měřicím senzorem (přesnost entalpie < 1 % pro indium) a - v závislosti na použitém chladicím systému - umožňuje měření do 750 °C (podle modelu) a rychlosti ohřevu a chlazení mezi 200 a 500 K/min (podle modulu). Dále je vybaven plynotěsnou měřicí kyvetou, která umožňuje připojení k infračervenému spektrometru s Fourierovou transformací (FT-IR) nebo hmotnostnímu spektrometru (MS) a nastavení definovaných atmosfér.
Při prvním EndotermickéPřechod vzorku nebo reakce je endotermická, pokud je k přeměně zapotřebí tepla.endotermickém efektu od cca 150 °C do 240 °C se rozpouštějí small klastry a GP zóny, které jsou přítomny v mikrostruktuře a působí jako jádra (obr. 2). Dále pokračuje růst větších precipitátů. Nad kritickou velikostí nukleace dochází od cca 240 °C do 340 °C k exotermické reakci, která je způsobena vznikem koherentní β' a semikoherentní β" fáze. Přímé rozlišení kalorických signálů nelze na základě měření provést. Jak Fang et al [8], tak Gaber et al [6] dokumentují překrývání obou srážecích píků v závislosti na poměru Mg a Si, což zde rovněž brání oddělení kalorických efektů. Přesné složení zde zkoumaných slitin není známo, takže nelze vyvozovat další závěry. Od teploty přibližně 410 °C se vytváří nesoudržná fáze β. Bezprostředně poté (od cca 500 °C) se tyto precipitáty opět rozpouštějí, což vysvětluje poslední endotermický efekt.
Na obr. 3 je prezentován vliv předchozího půlhodinového tepelného zpracování při 180 °C i 220 °C ve srovnání s výchozím stavem. Tepelné zpracování bylo realizováno v DSC - v předchozí části programu, která zde není zobrazena. Na obrázku je znázorněn následný ohřev na teplotu 560 °C. Ošetření po dobu 30 minut při 180 °C má tendenci snížit endotermický pík při přibližně 220 °C. Oproti výchozímu stavu se průměrná entalpie sníží z 1,98 ± 0,19 J/g na 1,77 ± 0,09 J/g (obr. 4 a). Kromě toho se mírně snižuje i plocha píku ExotermickéPřechod vzorku nebo reakce je exotermická, pokud při ní vzniká teplo.exotermického srážení fáze β' und β" při cca 270 °C z -5,88 ± 0,26 J/g na -5,07 ± 0,34 J/g (obr. 4 b). Lze předpokládat, že obě reakce, tj. rozpouštění podkritického klastru a zóny GP spolu s tvorbou fáze β' nebo β", proběhly v menší míře během předchozího tepelného zpracování při 180 °C.
Zvýšením teploty na 220 °C při stejné době udržování se účinek zvětší. Jak ukazují obrázky 4a) a 4b), endotermický rozpouštěcí pík i exotermická tvorba sraženin se výrazně sníží na hodnoty 0,84 ± 0,09 J/g, resp. -1,26 ± 0,22 J/g. Závěrem lze konstatovat, že v mikrostruktuře je již přítomen large podíl fází β' nebo β". Do jaké míry přispívá zbývající precipitační potenciál ke zvýšení pevnosti materiálu, resp. do jaké míry lze optimalizovat teplotní program, by mělo být stanoveno také pomocí mechanických zkoušek, např. tahových zkoušek. Důležitým detailem je, že v případě obou teplotních úprav se reakční entalpie růstu fáze β (exotermický efekt při cca 410 °C) a následného EndotermickéPřechod vzorku nebo reakce je endotermická, pokud je k přeměně zapotřebí tepla.endotermického rozpouštění precipitátů podstatně nemění (viz obr. 3).
Souhrn
Slitiny AlMgSi jsou hliníkové materiály, které lze zpevnit teplotně indukovanou tvorbou sraženin. Tvorba a rozpouštění jemně rozptýlených precipitátů silicidu hořečnatého tak představuje exo- a endotermické účinky v rozsahu jednociferných hodnot J/g. Nízkoteplotní diferenční kalorimetry se obvykle používají pro analýzu látek s nízkou teplotou tání, jako jsou polymery, a vyznačují se zejména vysokou citlivostí na tepelný tok. Pomocí nízkoteplotního DSC lze tyto efekty přesně kvantifikovat. Na základě srovnávacích měření lze vyvodit závěry o teplotách vzniku a výsledné morfologii. Spolu se základní analýzou probíhajících mechanismů lze navrhnout jak energeticky, tak pevnostně optimalizované uspořádání tepelného zpracování v kombinaci s dalšími zkušebními metodami, jako jsou jednoosé tahové zkoušky.