Wprowadzenie
W dobie transformacji energetycznej lekka konstrukcja odgrywa kluczową rolę w sektorze motoryzacyjnym, lotniczym i transportowym. W odniesieniu do elektromobilności, redukcja masy o 100 kg może zaoszczędzić do 0,64 KW/h na 100 km dla samochodu osobowego [1]. Ze względu na wysoką wytrzymałość właściwą, stopy aluminium należą do najważniejszych grup materiałów w lekkich konstrukcjach. Zastępując elementy stalowe stopami aluminium, można uzyskać oszczędność masy do 30% [2].
Stopy AlMgSi to materiały aluminiowe z magnezem (0,6 do 1,2% mas.) i krzemem (0,4 do 1,3% mas.) jako głównymi pierwiastkami stopowymi [3]. Należą one do grupy stopów utwardzanych wydzieleniowo i mogą być dalej wzmacniane - na przykład po procesie formowania - poprzez określoną obróbkę cieplną. Klasyfikację odpowiednich warunków obróbki cieplnej można znaleźć w normie DIN EN 515 [4].
Podczas obróbki cieplnej w materiale tworzą się drobno rozproszone osady krzemku magnezu. Zniekształcają one sieć krystaliczną matrycy aluminiowej i działają jako przeszkoda dla ruchu dyslokacji. Wynikający z tego efekt wzmocnienia jest jednak silnie uzależniony od morfologii osadów i ich integracji z matrycą aluminiową (koherencja). W przypadku stopów AlMgSi istnieje następująca kolejność wytrącania, przedstawiona na rysunku 1, występująca wraz ze wzrostem temperatury [5]:
Drobne skupiska i strefy Guiniera-Prestona (strefy GP1), które tworzą się jako pierwsze, nie prowadzą do znaczącego wzmocnienia materiału. Ze względu na spójną fazę β" w kształcie igły, która rozwija się później, układ stopowy osiąga maksymalną wytrzymałość. Następnie rozwija się półspójna faza β' w kształcie pręta. Ta następnie przechodzi w fazę równowagi β (Mg2Si), co prowadzi do kruchości stopu ze względu na jego rozmiar (100 nm i więcej) i niespójność. [5]
strefy1Guinier-Prestontworzą się w stopie metalu w wyniku procesów segregacji, w których - powyżej określonych temperatur - atomy pierwiastka stopowego łączą się, tworząc aglomeraty na poziomie atomowym aż do mikroskopijnych osadów.
Analiza morfologii osadu za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej
Tworzenie i rozpuszczanie osadów to procesy egzo- lub endotermiczne prowadzące do pochłaniania lub uwalniania ciepła. Za pomocą różnicowej kalorymetrii skaningowej (DSC) można rejestrować ciepło reakcji w funkcji temperatury. Podczas pomiarów DSC, tygiel z próbką i tygiel referencyjny, który zwykle jest pusty, są poddawane określonemu programowi czasowo-temperaturowemu w symetrycznie zaprojektowanej komorze temperaturowej. Tygiel służy do uniknięcia zanieczyszczenia celi pomiarowej przez analizowany materiał. Podczas eksperymentu zarówno temperatura próbki, jak i temperatura odniesienia są mierzone za pomocą termopar. Ze względu na symetryczne rozmieszczenie strony próbki i strony odniesienia oraz zdefiniowany mostek termiczny pomiędzy nimi, można określić przepływ ciepła lub entalpię reakcji. Tak więc, z jednej strony, DSC pozwala na określenie temperatur wymaganych do tworzenia faz wytrącania; a z drugiej strony, pozwala na wyciągnięcie wniosków na temat istniejącego stanu mikrostruktury na podstawie zmierzonych entalpii transformacji.
Materiały metaliczne są zwykle charakteryzowane w wysokotemperaturowych różnicowych kalorymetrach skaningowych (powyżej 750°C) w celu wykrycia ich temperatur topnienia. Jednakże, w zależności od materiału lub analizowanego efektu, odpowiednie mogą być również urządzenia niskotemperaturowe.
Ze względu na zastosowane termopary - zwykle typu E - urządzenia niskotemperaturowe charakteryzują się znacznie wyższą czułością na przepływ ciepła w odpowiednim zakresie pomiarowym niż urządzenia wysokotemperaturowe - na przykład z termoparami typu S. Zgodnie z normą DIN EN 60584-1 [7], typ E charakteryzuje się około ośmiokrotnie wyższym termicznym napięciem różnicowym na Kelwin w temperaturze 300°C niż element typu S. Sprawia to, że urządzenia niskotemperaturowe dobrze nadają się szczególnie do analizy small efektów termicznych.
Rysunek 2 przedstawia wykres temperatury i przepływu ciepła od 30°C do 450°C niecałkowicie utwardzonej próbki AlMgSi, podobnej do stanu T42 stosowanego w operacjach formowania. Pomiar przeprowadzono w atmosferze N2 przy szybkości nagrzewania 10 K/min i przy użyciu aluminiowych tygli Concavus®. Ze względu na zakres badanych temperatur od 30°C do 560°C oraz warstwę pasywacyjną zarówno próbki, jak i tygla, można założyć, że między nimi nie zachodzi żadna reakcja. Pusty tygiel został selected jako odniesienie. Na podstawie półfabrykatu o grubości 1,0 mm próbki zostały przygotowane w cylindryczne dyski w procesie cięcia, a następnie szlifowania. W oparciu o oczekiwaną względną small entalpię przemiany wynoszącą kilka J/g, przyjęto względną large masę początkową wynoszącą 25 mg ± 0,5 mg selected. Dla bezpieczeństwa statystycznego wszystkie pomiary przeprowadzono trzykrotnie.
2 Stan T4: poddany działaniu roztworu, hartowany i naturalnie starzony zgodnie z normą DIN EN 515 [3]
Warstwa pasywacyjna
Pasywacja to tworzenie się pewnego rodzaju "warstwy ochronnej" na powierzchni niektórych metali. Przeciwdziała ona korozji i jest wytwarzana przez te same elementy, które wywołują korozję. Warstwa pasywacyjna powinna charakteryzować się wysoką gęstością i niską porowatością. Jednocześnie, aby zapewnić wysoką kompatybilność, warstwa musi być bardzo cienka i równomiernie rozłożona na powierzchni metalu.
Niskotemperaturowa spektrometria DSC NETZSCH jest wyposażona w bardzo precyzyjny czujnik pomiarowy (dokładność entalpii < 1% dla indu) i - w zależności od zastosowanego systemu chłodzenia - umożliwia pomiary do 750°C (w zależności od modelu) oraz szybkości ogrzewania i chłodzenia od 200 do 500 K/min (w zależności od modułu). Jest on ponadto wyposażony w gazoszczelną celę pomiarową, umożliwiającą sprzężenie ze spektrometrem podczerwieni z transformacją Fouriera (FT-IR) lub spektrometrem masowym (MS), a także ustawienie określonej atmosfery.
W pierwszym efekcie endotermicznym od ok. 150°C do 240°C, klastry small i strefy GP obecne w mikrostrukturze i działające jako jądra rozpuszczają się (rys. 2). Ponadto osady larger nadal rosną. Powyżej krytycznej wielkości zarodkowania, reakcja egzotermiczna zachodzi od ok. 240°C do 340°C; jest to związane z tworzeniem się koherentnej fazy β' i półkoherentnej fazy β". Bezpośrednie rozróżnienie sygnałów kalorycznych nie może być przeprowadzone na podstawie pomiaru. Zarówno Fang et al. [8], jak i Gaber et al. [6] dokumentują nakładanie się dwóch pików wytrącania zależnych od stosunku Mg do Si, co również uniemożliwia rozdzielenie efektów kalorycznych. Dokładny skład badanych tu stopów nie jest znany, więc nie można wyciągnąć dalszych wniosków. Począwszy od ok. 410°C tworzy się niespójna faza β. Bezpośrednio po tym (począwszy od ok. 500°C) osady te ponownie się rozpuszczają, co wyjaśnia ostatni efekt EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny.
Na rysunku 3 przedstawiono wpływ poprzedzającej półgodzinnej obróbki cieplnej w temperaturze 180°C i 220°C w porównaniu ze stanem początkowym. Obróbka cieplna została przeprowadzona w DSC - w poprzedniej sekcji programu, która nie jest tutaj wyświetlana. Wykres pokazuje późniejsze ogrzewanie do 560°C. Obróbka przez 30 minut w temperaturze 180°C ma tendencję do zmniejszania piku endotermicznego przy około 220°C. W porównaniu do stanu początkowego, średnia entalpia spada z 1,98 ± 0,19 J/g do 1,77 ± 0,09 J/g (rysunek 4 a). Ponadto obszar piku egzotermicznego wytrącania fazy β' i β" w temperaturze około 270°C również nieznacznie spada z -5,88 ± 0,26 J/g do -5,07 ± 0,34 J/g (rysunek 4 b). Można założyć, że obie reakcje, tj. rozpuszczanie podkrytycznego klastra i stref GP wraz z tworzeniem fazy β' lub β", miały miejsce w niewielkim stopniu podczas poprzedzającej obróbki cieplnej w temperaturze 180°C.
Zwiększenie temperatury do 220°C przy tym samym czasie utrzymywania pllarges efektu. Jak pokazano na rysunkach 4a) i 4b), zarówno EndotermicznyPrzemiana próbki lub reakcja jest endotermiczna, jeśli do konwersji potrzebne jest ciepło.endotermiczny pik rozpuszczania, jak i egzotermiczne tworzenie osadu są znacznie zmniejszone, odpowiednio do wartości 0,84 ± 0,09 J/g i -1,26 ± 0,22 J/g. Podsumowując, large proporcja faz β' lub β" jest już obecna w mikrostrukturze. Zakres, w jakim pozostały potencjał wytrącania przyczynia się do wzrostu wytrzymałości materiału lub zakres, w jakim można zoptymalizować program temperaturowy, należy określić również za pomocą testów mechanicznych, takich jak próby rozciągania. Ważnym szczegółem jest to, że w przypadku obu obróbek temperaturowych entalpia reakcji wzrostu fazy β (efekt EgzotermicznyPrzejście próbki lub reakcja jest egzotermiczna, jeśli generowane jest ciepło.egzotermiczny w ok. 410°C) i późniejsze endotermiczne rozpuszczanie osadów nie zmieniają się znacząco (patrz rysunek 3).
Podsumowanie
Stopy AlMgSi to materiały aluminiowe, które mogą być wzmacniane przez indukowane temperaturą tworzenie się osadów. Powstawanie i rozpuszczanie drobno zdyspergowanych osadów krzemku magnezu powoduje efekty egzo- i endotermiczne w zakresie jednocyfrowym J/g. Niskotemperaturowe kalorymetry różnicowe są zwykle stosowane do analizy substancji o niskiej temperaturze topnienia, takich jak polimery, a w szczególności charakteryzują się wysoką czułością na przepływ ciepła. Za pomocą niskotemperaturowego DSC efekty te można precyzyjnie określić ilościowo. Na podstawie pomiarów porównawczych można wyciągnąć wnioski dotyczące temperatur formowania i wynikającej z nich morfologii. Wraz z podstawową analizą zachodzących mechanizmów można zaprojektować układy obróbki cieplnej zoptymalizowane pod względem energetycznym i wytrzymałościowym w połączeniu z innymi metodami testowymi, takimi jak jednoosiowe próby rozciągania.