Introducere
În era tranziției energetice, construcțiile ușoare joacă un rol central în sectorul automobilelor, al aviației și al transporturilor. În ceea ce privește electromobilitatea, o reducere a greutății cu 100 kg poate economisi până la 0,64 KW/h pe 100 km pentru un autoturism [1]. Datorită rezistenței lor specifice ridicate, aliajele de aluminiu se numără printre cele mai importante grupuri de materiale în proiectarea structurilor ușoare. Economii de greutate de până la 30% pot fi obținute prin înlocuirea componentelor din oțel cu aliaje de aluminiu [2].
Aliajele AlMgSi sunt materiale din aluminiu cu magneziu (0,6 până la 1,2 % în masă) și siliciu (0,4 până la 1,3 % în masă) ca principale elemente de aliere [3]. Acestea aparțin grupului de aliaje care se întăresc prin precipitare și pot fi consolidate suplimentar - de exemplu, după un proces de formare - printr-un tratament termic specific. O clasificare a condițiilor relevante de tratament termic poate fi găsită în DIN EN 515 [4].
În timpul tratamentului termic, în material se formează precipitații de siliciură de magneziu fin dispersate. Acestea denaturează rețeaua cristalină a matricei de aluminiu și acționează ca un obstacol în calea mișcării dislocațiilor. Cu toate acestea, efectul de întărire rezultat depinde în mare măsură de morfologia precipitatelor și de integrarea lor în matricea de aluminiu (coerență). În cazul aliajelor AlMgSi, există următoarea ordine de precipitare, prezentată în figura 1, care apare odată cu creșterea temperaturii [5]:
Clusterele fine și zonele Guinier-Preston (zonele GP1) care se formează primele nu conduc la nicio întărire semnificativă a materialului. Datorită fazei β" coerente în formă de ac care se dezvoltă ulterior, sistemul de aliaj atinge rezistența maximă. Apoi, se dezvoltă faza semicoerentă β' în formă de tijă. Aceasta trece ulterior în faza β de echilibru (Mg2Si), care duce la fragilizarea aliajului din cauza dimensiunii (100 nm și mai mult) și incoerenței sale. [5]
zonele1Guinier-Prestonse formează într-un aliaj metalic prin procese de segregare în care - peste anumite temperaturi - atomii unui element de aliere se reunesc pentru a forma aglomerate la nivel atomic până la precipitate microscopice.
Analiza morfologiei precipitatului prin intermediul Calorimetrie de scanare diferențială
Formarea și dizolvarea precipitațiilor constituie procese exo- sau EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice care conduc la absorbția sau eliberarea de căldură. Cu ajutorul calorimetriei diferențiale cu baleiaj (DSC), aceste călduri de reacție pot fi înregistrate în funcție de temperatură. În timpul măsurătorilor DSC, un creuzet cu o probă și un creuzet de referință, care este de obicei gol, sunt supuse unui program definit timp-temperatură într-o cameră de temperatură proiectată simetric. Creuzetul are rolul de a evita contaminarea celulei de măsurare cu materialul analizat. În timpul experimentului, atât temperatura probei, cât și cea a referinței sunt măsurate cu ajutorul termocuplurilor. Datorită dispunerii simetrice a laturilor probei și de referință și a unei punți termice definite între acestea, se poate determina fluxul de căldură sau entalpia reacției. Astfel, pe de o parte, DSC permite determinarea temperaturilor necesare pentru formarea fazelor de precipitare și, pe de altă parte, permite să se tragă concluzii cu privire la starea microstructurii existente pe baza entaliilor de transformare măsurate.
Materialele metalice sunt de obicei caracterizate în calorimetre cu scanare diferențială la temperaturi înalte (peste 750°C) pentru detectarea temperaturilor lor de Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică). topire. Cu toate acestea, în funcție de material sau de efectul care trebuie analizat, pot fi adecvate și dispozitive de joasă temperatură.
Datorită termocuplurilor - de obicei de tip E utilizate - dispozitivele de temperatură joasă se caracterizează printr-o sensibilitate semnificativ mai mare la fluxul de căldură în intervalul de măsurare respectiv decât echipamentele de temperatură înaltă - de exemplu, cu termocupluri de tip S. În conformitate cu DIN EN 60584-1 [7], tipul E prezintă o tensiune termică diferențială per Kelvin la 300°C de aproximativ opt ori mai mare decât un element de tip S. Acest lucru face ca dispozitivele cu temperatură scăzută să fie potrivite în special pentru analizarea efectelor termice small.
Figura 2 prezintă o diagramă de flux temperatură-caldă de la 30°C la 450°C a unei probe de AlMgSi incomplet întărită, similară cu o stare T42 utilizată în operațiunile de formare. Măsurarea a fost efectuată în atmosferă de N2, la o viteză de încălzire de 10 K/min și folosind creuzete de aluminiu Concavus®. Datorită intervalului de temperatură investigat de la 30°C la 560°C și a stratului de pasivare al probei, precum și al creuzetului, se poate presupune că nu are loc nicio reacție între cele două. Un creuzet gol a fost selectat ca referință. Pe baza unei foi semifabricate cu o grosime de 1,0 mm, probele au fost pregătite în discuri cilindrice printr-un proces de tăiere și rectificare ulterioară. Pe baza entalpiilor de transformare preconizate relativ small de câțiva J/g, a fost selectată o greutate inițială comparativ large de 25 mg ± 0,5 mg. Pentru siguranță statistică, toate măsurătorile au fost efectuate de trei ori.
2 Stare T4: tratată prin dizolvare, călire și îmbătrânire naturală în conformitate cu DIN EN 515 [3]
Stratul de pasivare
Pasivarea este formarea unui fel de "film protector" pe suprafața anumitor metale. Aceasta contracarează coroziunea și este fomată de aceleași elemente care declanșează coroziunea. Stratul de pasivare trebuie să prezinte o DensitateDensitatea masică este definită ca raportul dintre masă și volum. densitate ridicată și o porozitate redusă. În același timp, pentru o compatibilitate ridicată, stratul trebuie să fie foarte subțire și distribuit omogen pe suprafața metalului.
DSC cu temperatură scăzută NETZSCH dispune de un senzor de măsurare extrem de precis (precizie entalpică < 1% pentru indiu) și - în funcție de sistemul de răcire utilizat - permite măsurători până la 750°C (în funcție de model) și rate de încălzire și răcire între 200 și 500 K/min (în funcție de modul). În plus, este echipat cu o celulă de măsurare etanșă la gaze, care permite cuplarea la un spectrometru infraroșu cu transformată Fourier (FT-IR) sau la un spectrometru de masă (MS), precum și setarea unor atmosfere definite.
În primul efect EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic de la aproximativ 150°C la 240°C, grupurile small și zonele GP care sunt prezente în microstructură și acționează ca nuclee se dizolvă (fig. 2). În plus, precipitate mai mari continuă să crească. Dincolo de o dimensiune critică a nucleării, are loc o reacție ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură.exotermică de la aprox. 240°C la 340°C; aceasta se poate atribui formării fazei coerente β' și semicoerente β". Diferențierea directă a semnalelor calorice nu poate fi efectuată pe baza măsurătorilor. Atât Fang et al. [8], cât și Gaber et al. [6] documentează o suprapunere a celor două vârfuri de precipitare dependente de raportul dintre Mg și Si, ceea ce împiedică, de asemenea, separarea efectelor calorice de acolo. Compoziția exactă a aliajelor investigate aici nu este cunoscută, astfel încât nu pot fi trase concluzii suplimentare. Începând de la aprox. 410°C, se formează faza β incoerentă. Imediat după aceasta (începând de la aprox. 500°C), aceste precipitate se dizolvă din nou, ceea ce explică ultimul efect EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic.
În figura 3 este prezentată influența unui tratament termic anterior de o jumătate de oră la 180°C, precum și la 220°C în comparație cu starea inițială. Tratamentul termic a fost realizat în DSC - într-o secțiune de program anterioară care nu este prezentată aici. Diagrama arată încălzirea ulterioară la 560°C. Tratamentul timp de 30 de minute la 180°C tinde să reducă vârful EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermic la aprox. 220°C. Comparativ cu starea inițială, entalpia medie scade de la 1,98 ± 0,19 J/g la 1,77 ± 0,09 J/g (figura 4 a). În plus, zona de vârf a precipitației exoterme a fazei β' și β" la aproximativ 270°C scade, de asemenea, ușor, de la -5,88 ± 0,26 J/g la -5,07 ± 0,34 J/g (figura 4 b). Se poate presupune că ambele reacții, și anume dizolvarea clusterului subcritic și a zonelor GP împreună cu formarea fazei β' sau β", au avut loc într-o mică măsură în timpul tratamentului termic anterior la 180°C.
Creșterea temperaturii la 220°C cu același timp de menținere amplifică efectul. După cum se arată în figurile 4a) și 4b), atât vârful de dizolvare endotermală, cât și formarea de precipitații exoterme sunt reduse semnificativ, la valori de 0,84 ± 0,09 J/g și, respectiv, -1,26 ± 0,22 J/g. În concluzie, o proporție large de faze β' sau β" sunt deja prezente în microstructură. Măsura în care potențialul de precipitare rămas contribuie la creșterea rezistenței materialului sau măsura în care programul de temperatură poate fi optimizat ar trebui să fie determinată utilizând și teste mecanice, cum ar fi testele de tracțiune. Un detaliu important este că, în cazul ambelor tratamente termice, entalpia de reacție a creșterii fazei β (efect ExotermicO tranziție de probă sau o reacție este exotermă dacă generează căldură. exotermal la aprox. 410 °C) și dizolvarea endotermă ulterioară a precipitatelor nu se modifică substanțial (a se vedea figura 3).
Rezumat
Aliajele AlMgSi sunt materiale din aluminiu care pot fi consolidate prin formarea de precipitate induse de temperatură. Formarea și dizolvarea precipitatelor de siliciură de magneziu fin dispersate constituie astfel efecte exo- și EndotermiceO tranziție de probă sau o reacție este endotermă dacă este nevoie de căldură pentru conversie.endotermice în intervalul de o cifră J/g. Calorimetrele diferențiale la temperatură joasă sunt de obicei utilizate pentru analiza substanțelor cu Temperaturile și entalpiile de topireEntalpia de fuziune a unei substanțe, cunoscută și sub denumirea de căldură latentă, este o măsură a aportului de energie, de obicei căldură, care este necesară pentru a transforma o substanță din stare solidă în stare lichidă. Punctul de topire al unei substanțe este temperatura la care aceasta își schimbă starea din solid (cristalin) în lichid (topitură izotropică).punct de topire scăzut, cum ar fi polimerii, și prezintă în special o sensibilitate ridicată la fluxul termic. Cu ajutorul DSC la temperatură joasă, aceste efecte pot fi cuantificate cu precizie. Pe baza măsurătorilor comparative, pot fi trase concluzii privind temperaturile de formare și morfologia rezultată. Pe lângă analiza fundamentală a mecanismelor care au loc, se pot proiecta scheme de tratament termic optimizate din punct de vedere energetic și al rezistenței, în combinație cu alte metode de testare, cum ar fi testele de tracțiune uniaxială.