Εισαγωγή
Στην εποχή της ενεργειακής μετάβασης, οι ελαφρές κατασκευές διαδραματίζουν κεντρικό ρόλο στον τομέα της αυτοκινητοβιομηχανίας, των αερομεταφορών και των μεταφορών. Όσον αφορά την ηλεκτροκίνηση, μια μείωση του βάρους κατά 100 kg μπορεί να εξοικονομήσει έως και 0,64 KW/h ανά 100 km για ένα επιβατικό αυτοκίνητο [1]. Λόγω της υψηλής ειδικής τους αντοχής, τα κράματα αλουμινίου συγκαταλέγονται στις σημαντικότερες ομάδες υλικών στον σχεδιασμό ελαφρών κατασκευών. Εξοικονόμηση βάρους έως και 30% μπορεί να επιτευχθεί με την αντικατάσταση των χαλύβδινων εξαρτημάτων με κράματα αλουμινίου [2].
Τα κράματα AlMgSi είναι υλικά αλουμινίου με μαγνήσιο (0,6 έως 1,2 % μάζας) και πυρίτιο (0,4 έως 1,3 % μάζας) ως κύρια στοιχεία κραμάτωσης [3]. Ανήκουν στην ομάδα των κραμάτων που σκληραίνονται με κατακρήμνιση και μπορούν να ενισχυθούν περαιτέρω - για παράδειγμα, μετά από μια διαδικασία διαμόρφωσης - με ειδική θερμική επεξεργασία. Μια ταξινόμηση των σχετικών συνθηκών θερμικής κατεργασίας βρίσκεται στο DIN EN 515 [4].
Κατά τη θερμική κατεργασία, σχηματίζονται στο υλικό λεπτότατα διασκορπισμένα ιζήματα πυριτίου μαγνησίου. Αυτά παραμορφώνουν το κρυσταλλικό πλέγμα της μήτρας αλουμινίου και δρουν ως εμπόδιο στην κίνηση των μετατοπίσεων. Το αποτέλεσμα της ενίσχυσης που προκύπτει, ωστόσο, εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη μορφολογία των ιζημάτων και την ενσωμάτωσή τους στη μήτρα αλουμινίου (συνοχή). Στην περίπτωση των κραμάτων AlMgSi, υπάρχει η ακόλουθη σειρά κατακρημνίσεων, που παρουσιάζεται στο σχήμα 1, η οποία εμφανίζεται με την αύξηση της θερμοκρασίας [5]:
Οι λεπτές συστάδες και οι ζώνες Guinier-Preston (ζώνες GP1) που σχηματίζονται πρώτα δεν οδηγούν σε σημαντική ενίσχυση του υλικού. Λόγω της συνεκτικής φάσης β" σε σχήμα βελόνας που αναπτύσσεται στη συνέχεια, το σύστημα του κράματος φθάνει στη μέγιστη αντοχή. Στη συνέχεια, αναπτύσσεται η ραβδόμορφη ημισυνεκτική β' φάση. Αυτή στη συνέχεια μεταπίπτει στην φάση ισορροπίας β (Mg2Si), η οποία οδηγεί σε ευθραυστότητα του κράματος λόγω του μεγέθους της (100 nm και άνω) και της ασυνέπειας. [5]
οι ζώνες1Guinier-Prestonσχηματίζονται σε ένα κράμα μετάλλων με διαδικασίες διαχωρισμού κατά τις οποίες - πάνω από συγκεκριμένες θερμοκρασίες - τα άτομα ενός στοιχείου κράματος συγκεντρώνονται για να σχηματίσουν συσσωματώματα σε ατομικό επίπεδο έως και μικροσκοπικά ιζήματα.
Ανάλυση της μορφολογίας του ιζήματος με τη βοήθεια της Διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης
Ο σχηματισμός και η διάλυση των κατακρημνισμάτων αποτελούν εξω- ή ενδοθερμικές διεργασίες που οδηγούν σε απορρόφηση ή απελευθέρωση θερμότητας. Με τη βοήθεια της διαφορικής θερμιδομετρίας σάρωσης (DSC), αυτές οι θερμότητες αντίδρασης μπορούν να καταγραφούν σε συνάρτηση με τη θερμοκρασία. Κατά τη διάρκεια των μετρήσεων DSC, ένα χωνευτήρι με δείγμα και ένα χωνευτήρι αναφοράς που είναι συνήθως άδειο υποβάλλονται σε ένα καθορισμένο πρόγραμμα χρόνου-θερμοκρασίας σε έναν συμμετρικά σχεδιασμένο θάλαμο θερμοκρασίας. Το χωνευτήρι χρησιμεύει για την αποφυγή της μόλυνσης της κυψέλης μέτρησης από το υλικό που αναλύεται. Κατά τη διάρκεια του πειράματος, μετράται τόσο η θερμοκρασία του δείγματος όσο και η θερμοκρασία αναφοράς με τη βοήθεια θερμοστοιχείων. Λόγω της συμμετρικής διάταξης των πλευρών του δείγματος και της αναφοράς και μιας καθορισμένης θερμικής γέφυρας μεταξύ τους, μπορεί να προσδιοριστεί η ροή θερμότητας ή η ενθαλπία αντίδρασης. Έτσι, αφενός, η DSC επιτρέπει τον προσδιορισμό των θερμοκρασιών που απαιτούνται για τον σχηματισμό των φάσεων καταβύθισης και, αφετέρου, επιτρέπει την εξαγωγή συμπερασμάτων σχετικά με την υφιστάμενη κατάσταση της μικροδομής με βάση τις μετρούμενες ενθαλπίες μετασχηματισμού.
Τα μεταλλικά υλικά χαρακτηρίζονται συνήθως σε θερμιδομετρητές διαφορικής σάρωσης υψηλής θερμοκρασίας (άνω των 750°C) για την ανίχνευση των θερμοκρασιών τήξης τους. Ωστόσο, ανάλογα με το υλικό ή το φαινόμενο που πρέπει να αναλυθεί, οι συσκευές χαμηλής θερμοκρασίας μπορεί επίσης να είναι κατάλληλες.
Λόγω των θερμοστοιχείων - συνήθως χρησιμοποιούνται θερμοστοιχεία τύπου Ε - οι συσκευές χαμηλών θερμοκρασιών χαρακτηρίζονται από σημαντικά υψηλότερη ευαισθησία στη ροή θερμότητας στην αντίστοιχη περιοχή μέτρησης σε σχέση με τις συσκευές υψηλών θερμοκρασιών - για παράδειγμα, με θερμοστοιχεία τύπου S. Σύμφωνα με το DIN EN 60584-1 [7], ο τύπος E διαθέτει περίπου οκταπλάσια θερμική διαφορική τάση ανά Kelvin στους 300°C σε σχέση με ένα στοιχείο τύπου S. Αυτό καθιστά τις συσκευές χαμηλών θερμοκρασιών κατάλληλες ιδιαίτερα για την ανάλυση των θερμικών επιδράσεων small.
Στο Σχήμα 2 παρουσιάζεται ένα διάγραμμα ροής θερμοκρασίας-θερμότητας από 30°C έως 450°C ενός ατελώς σκληρυμένου δείγματος AlMgSi, παρόμοιο με μια κατάσταση Τ42 όπως χρησιμοποιείται σε εργασίες διαμόρφωσης. Η μέτρηση πραγματοποιήθηκε υπό ατμόσφαιρα N2 με ρυθμό θέρμανσης 10 K/min και με τη χρήση χωνευτηρίων αλουμινίου Concavus®. Λόγω του θερμοκρασιακού εύρους της έρευνας από 30°C έως 560°C και του στρώματος παθητικοποίησης του δείγματος καθώς και του χωνευτηρίου, μπορεί να υποτεθεί ότι δεν λαμβάνει χώρα καμία αντίδραση μεταξύ των δύο. Ένα άδειο χωνευτήρι χρησιμοποιήθηκε selectως σημείο αναφοράς. Με βάση ένα ημικατεργασμένο φύλλο πάχους 1,0 mm, τα δείγματα παρασκευάστηκαν σε κυλινδρικούς δίσκους με διαδικασία κοπής και επακόλουθης λείανσης. Με βάση τις αναµενόµενες σχετικά small ενθαλπίες µετασχηµατισµού µερικών J/g, το αρχικό βάρος ήταν σχετικά large 25 mg ± 0,5 mg select. Για λόγους στατιστικής ασφάλειας, όλες οι μετρήσεις πραγματοποιήθηκαν τρεις φορές.
2 Κατάσταση Τ4: επεξεργασία με διάλυμα, απόσβεση και φυσική γήρανση σύμφωνα με το DIN EN 515 [3]
Στρώμα παθητικοποίησης
Παθητικοποίηση είναι ο σχηματισμός ενός είδους "προστατευτικού φιλμ" στην επιφάνεια ορισμένων μετάλλων. Αντιδρά στη διάβρωση και προκαλείται από τα ίδια στοιχεία που προκαλούν τη διάβρωση. Το στρώμα παθητικοποίησης πρέπει να διαθέτει υψηλή πυκνότητα και χαμηλό πορώδες. Ταυτόχρονα, για υψηλή συμβατότητα, το στρώμα πρέπει να είναι πολύ λεπτό και ομοιογενώς κατανεμημένο στην επιφάνεια του μετάλλου.
Το NETZSCH DSC χαμηλών θερμοκρασιών διαθέτει αισθητήρα μέτρησης υψηλής ακρίβειας (ακρίβεια ενθαλπίας < 1% για το ίνδιο) και - ανάλογα με το χρησιμοποιούμενο σύστημα ψύξης - επιτρέπει μετρήσεις έως 750°C (ανάλογα με το μοντέλο) και ρυθμούς θέρμανσης και ψύξης μεταξύ 200 και 500 K/min (ανάλογα με τη μονάδα). Είναι επιπλέον εξοπλισμένο με μια στεγανή κυψέλη μέτρησης, η οποία επιτρέπει τη σύνδεση με φασματόμετρο υπερύθρου μετασχηματισμού Fourier (FT-IR) ή φασματόμετρο μάζας (MS), καθώς και τη ρύθμιση καθορισμένων ατμοσφαιρών.
Κατά την πρώτη ενδοθερμική επίδραση από περίπου 150°C έως 240°C, διαλύονται οι συστάδες small και οι ζώνες GP που υπάρχουν στη μικροδομή και δρουν ως πυρήνες (εικ. 2). Επιπλέον, τα ιζήματα larger συνεχίζουν να αναπτύσσονται. Πάνω από ένα κρίσιμο μέγεθος πυρηνοποίησης, εμφανίζεται μια εξώθερμη αντίδραση από τους 240°C έως τους 340°C περίπου- αυτό οφείλεται στο σχηματισμό της συνεκτικής β' και της ημισυνεκτικής β" φάσης. Η άμεση διαφοροποίηση των θερμικών σημάτων δεν μπορεί να πραγματοποιηθεί βάσει της μέτρησης. Τόσο οι Fang et al. [8] όσο και οι Gaber et al. [6] τεκμηριώνουν μια επικάλυψη των δύο κορυφών καταβύθισης που εξαρτάται από την αναλογία μεταξύ Mg και Si, η οποία επίσης εμποδίζει τον διαχωρισμό των θερμιδικών φαινομένων εκεί. Η ακριβής σύνθεση των κραμάτων που διερευνήθηκαν εδώ δεν είναι γνωστή, οπότε δεν μπορούν να εξαχθούν περαιτέρω συμπεράσματα. Ξεκινώντας από τους 410°C περίπου, σχηματίζεται η ασυνεχής β φάση. Αμέσως μετά (ξεκινώντας από τους 500°C περίπου), τα ιζήματα αυτά διαλύονται και πάλι, γεγονός που εξηγεί το τελευταίο ενδοθερμικό φαινόμενο.
Στο σχήμα 3 παρουσιάζεται η επίδραση μιας προηγούμενης ημίωρης θερμικής επεξεργασίας στους 180°C καθώς και στους 220°C σε σύγκριση με την αρχική κατάσταση. Η θερμική επεξεργασία πραγματοποιήθηκε στο DSC - σε προηγούμενη ενότητα προγράμματος που δεν εμφανίζεται εδώ. Το διάγραμμα δείχνει την επακόλουθη θέρμανση στους 560°C. Η επεξεργασία για 30 λεπτά στους 180°C τείνει να μειώσει την ενδοθερμική κορυφή στους 220°C περίπου. Σε σύγκριση με την αρχική κατάσταση, η μέση ενθαλπία μειώνεται από 1,98 ± 0,19 J/g σε 1,77 ± 0,09 J/g (σχήμα 4 α). Επιπλέον, η περιοχή κορυφής της εξώθερμης καταβύθισης της φάσης β' και β" στους 270°C περίπου μειώνεται επίσης ελαφρώς από -5,88 ± 0,26 J/g σε -5,07 ± 0,34 J/g (σχήμα 4 β). Μπορεί να υποτεθεί ότι και οι δύο αντιδράσεις, δηλαδή η διάλυση των ζωνών υποκρίσιμης συστάδας και GP μαζί με το σχηματισμό της φάσης β' ή β", έχουν λάβει χώρα σε μικρό βαθμό κατά την προηγούμενη θερμική κατεργασία στους 180°C.
Αύξηση της θερμοκρασίας στους 220°C με τον ίδιο χρόνο αναμονής enlarges το αποτέλεσμα. Όπως φαίνεται στα σχήματα 4α) και 4β), τόσο η ενδοθερμική κορυφή διάλυσης όσο και ο εξωθερμικός σχηματισμός ιζήματος μειώνονται σημαντικά, σε τιμές 0,84 ± 0,09 J/g και -1,26 ± 0,22 J/g, αντίστοιχα. Συμπερασματικά, στη μικροδομή υπάρχει ήδη ένα ποσοστό large φάσεων β' ή β". Ο βαθμός στον οποίο το εναπομείναν δυναμικό καταβύθισης συμβάλλει στην αύξηση της αντοχής του υλικού ή ο βαθμός στον οποίο μπορεί να βελτιστοποιηθεί το πρόγραμμα θερμοκρασίας θα πρέπει να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας επίσης μηχανικές δοκιμές, όπως δοκιμές εφελκυσμού. Μια σημαντική λεπτομέρεια είναι ότι στην περίπτωση και των δύο θερμοκρασιακών επεξεργασιών, η ενθαλπία αντίδρασης της ανάπτυξης της β φάσης (εξώθερμο φαινόμενο στους 410°C περίπου) και η επακόλουθη ενδοθερμική διάλυση των κατακρημνισμάτων δεν μεταβάλλονται ουσιαστικά (βλέπε σχήμα 3).
Περίληψη
Τα κράματα AlMgSi είναι υλικά αλουμινίου τα οποία μπορούν να ενισχυθούν με σχηματισμό ιζημάτων λόγω θερμοκρασίας. Ο σχηματισμός και η διάλυση των λεπτότατα διασκορπισμένων ιζημάτων πυριτίου μαγνησίου αποτελούν έτσι εξω- και ενδοθερμικά φαινόμενα στην περιοχή μονοψήφιου J/g. Τα διαφορικά θερμιδόμετρα χαμηλής θερμοκρασίας χρησιμοποιούνται συνήθως για την ανάλυση ουσιών χαμηλής τήξης, όπως τα πολυμερή, και διαθέτουν ιδιαίτερα υψηλή ευαισθησία στη ροή θερμότητας. Με τη βοήθεια της DSC χαμηλής θερμοκρασίας, οι επιδράσεις αυτές μπορούν να ποσοτικοποιηθούν με ακρίβεια. Με βάση συγκριτικές μετρήσεις, μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τις θερμοκρασίες σχηματισμού και την προκύπτουσα μορφολογία. Μαζί με τη θεμελιώδη ανάλυση των μηχανισμών που λαμβάνουν χώρα, μπορούν να σχεδιαστούν τόσο ενεργειακά όσο και ως προς την αντοχή βελτιστοποιημένες διατάξεις θερμικής επεξεργασίας σε συνδυασμό με άλλες μεθόδους δοκιμής, όπως οι δοκιμές μονοαξονικού εφελκυσμού.