Αλουμίνιο - τα κράματα - προηγμένα υλικά

Transcript

1 Αλουμίνιο - τα κράματα - προηγμένα υλικά Εισαγωγή Έλαση χαμένου κεριού Σύνθετα Κράματα Al-Li

2 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Αλουμίνιο Ελαφρύ Ε.Β=2,7g/cm 3 (χάλυβας=7,8g/cm 3 ) Σημείο τήξης = 658 ο C Ηλεκτρική αγωγιμότητα = m/ohm*mm 2. Καλός αγωγός του ηλεκτρισμού (σχεδόν όσο ο χαλκός) Έχει μεγάλη αντοχή στη διάβρωση Έχει αντανακλαστικότητα (αρχιτεκτονικές λύσεις) Τα κράματα του αλουμινίου μπορούν να φτάσουν ή και να ξεπεράσουν τις αντοχές του χάλυβα Έχει μεγάλη ελαστικότητα (σημαντικό πλεονέκτημα σε κατασκευές που δέχονται φορτίσεις υπό μορφή χτυπήματος) Κρατά τη στιβαρότητα του και την αντοχή του σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες χωρίς να γίνεται εύθραυστο Κατεργάζεται πολύ εύκολα και μορφοποιείται (αλουμινόχαρτο)

3 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Κρυσταλλώνεται στο FCC (εδροκεντρωμένο κυβικό). Η ολίσθηση επιπέδων ατόμων πάνω σε ένα γειτονικό επίπεδο είναι ο μηχανισμός της πλαστικής ς Διεύθυνση Ολίσθησης Μετατόπιση της διαταραχής δύο επίπεδα δεξιά. Παραμόρφωση της περιοχής γύρω από τη διαταραχή

4 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Διάχυση ατόμων, κενών Διαλυτότητα κραματικών στοιχείων στους κόκκους αλουμινίου. Δεύτερη φάση στα κράματα. Όρια κόκκων Τριπλό σημείο

5 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Μηχανισμοί ενίσχυσης Πως εμποδίζεται η κίνηση των διαταραχών; Στερεό διάλυμα Μηχανισμός Ενίσχυσης Ποιο κραματικό στοιχείο ενισχύει περισσότερο; Διαλυτότητα κραματικών στοιχείων στους κόκκους αλουμινίου. Πλαστική διαμόρφωση Μηχανισμός της ενίσχυσης με πλαστική διαμόρφωση

6 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Μηχανισμοί ενίσχυσης Ενίσχυση με ελάττωση του μεγέθους του κόκκου. Hall-Petch

7 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Μηχανισμοί ενίσχυσης Θερμική κατεργασία με διαλυτοποίηση και κατακρήμνιση Διαλυτοποίηση Υπερβαφή Ελεγχόμενη κατακρήμνιση Περιοχές μονοφασικής ισορροπίας και διφασικής ισορροπίας Διάγραμμα που εμφανίζει τη μεταβολή του ορίου διαρροής σε συνάρτηση με το χρόνο για τα κράματα Al-Cu. Κράματα Al-Cu, Al-Mg 2 Si, Al-Li τα πλέον γνωστά Κράματα Al-Li τρίτης γενιάς

8 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα - Κράματα ς Έλαση Το σύστημα σχεδιασμού και ονοματολογίας των κραμάτων διαμόρφωσης αλουμινίου περιλαμβάνει τέσσερα ψηφία όπου: Το πρώτο ψηφίο δείχνει τα κύρια κραματικά στοιχεία. Το δεύτερο ψηφίο δείχνει τις διάφορες μορφές του αρχικού κράματος. Το τρίτο και τέταρτο ψηφίο τις διαφορετικές μορφές του κάθε κράματος. 1xxx Καθαρό Al (Al >99,00%) 2xxx Κράματα Al-Cu 3xxx Κράματα Al-Mn 4xxx Κράματα Al-Si 5xxx Κράματα Al-Mg 6xxx Κράματα Al-Mg-Si 7xxx Κράματα Al-Zn 8xxx Κράματα Al με άλλα στοιχεία 9xxx Μη χρησιμοποιούμενη σειρά.

9 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Έλαση Στην έλαση η μπιγιέτα υφίσταται πλαστική παραμόρφωση καθώς διέρχεται μέσα από το άνοιγμα μεταξύ δύο αντίθετα περιστρεφόμενων ραούλων (τυμπάνων). Αποτέλεσμα της έλασης είναι η παραγωγή αντίστοιχου προϊόντος με μικρότερη διατομή και μεγαλύτερο μήκος. Αλουμινόχαρτο: Τενεκεδάκι: 3D Animation Έλασης Η έλαση μπορεί να πραγματοποιηθεί και ως ψυχρή και ως θερμή κατεργασία. Έλαση εν θερμώ, εν ψυχρώ Διαδοχικές ελάσεις για επίτευξη του τελικού στόχου: Πάχος φύλλου, ενίσχυση

10 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Κατά τη διέλαση (extrusion) το τεμάχιο συμπιέζεται μέσω ενός εμβόλου μέσα σε μεταλλικό θάλαμο, στο άλλο άκρο του οποίου ευρίσκεται κατάλληλα διαμορφωμένη μήτρα, και αναγκάζεται να εξέλθει από το άνοιγμα της μήτρας αποδίδοντας προϊόν με μικρότερη διατομή και μεγαλύτερο μήκος, Άμεση Έμμεση Υδροστατική Κρουστική

11 Εισαγωγή φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Σε μεταλλικό μετ/λικό καλούπι Σύνθετα Σύνθετα Κράματα Al-Li Υλικά Κρουστική διέλαση (Impact extrusion) Για να επιτευχθούν υψηλής ποιότητας εξαρτήματα απαιτείται η χρήση κραμάτων με μεγάλη ομοιογένεια και ινώδη ή λεπτόκοκκη δομή. Κράματα Al-MgSi είναι τα πλέον γνωστά. Κύλινδροι αερίων, κύλινδροι φρέ νων αυτοκινήτων, πιστόνια κλπ Κατασκευή Εναλλάκτη θερμότητας

12 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα

13 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Δείγματα σφυρήλατων εξαρτημάτων κραμάτων αλουμινίου, Τομή τροχού αεροσκάφους από κράμα 2014 μετά από λείανση και προσβολή. Improved blast protection: The hull could provide approximately two times better blast protection than traditional hulls. Stronger solid structure: A single-piece hull would eliminate welded seams used in today s manufacturing processes, covering the entire lower section of any combat vehicle. Efficient design: Forging hulls as one unit facilitates threedimensional shaping, allowing Alcoa to tailor the thickness where needed to maximize protection and allow for weight savings. Cost savings: The structure is expected to reduce costs over the life of the vehicle by increasing fuel efficiency through lightweighting and eliminating assembly time and complexity.

14 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Κράματα ς Το σύστημα σχεδιασμού και ονοματολογίας των κραμάτων χύτευσης αλουμινίου περιλαμβάνει τέσσερα ψηφία όπου: Το πρώτο ψηφίο δείχνει τα κύρια κραματικά στοιχεία. Το δεύτερο και τρίτο ψηφία δείχνουν τις διάφορες μορφές του κράματος. Το τέταρτο ψηφίο δείχνει αν είναι χυτό (casting) (0) η χελώνα (ingot) (1,2) 1xx.x Καθαρό Al (Al >99,00%) 2xx.x Κράματα Al-Cu 3xx.x Κράματα Al-Si + Cu και / η Mg. 4xx.x Κράματα Al-Si 5xx.x Κράματα Al-Mg 6xx.x Μη χρησιμοποιούμενη σειρά 7xx.x Κράματα Al-Zn 8xx.x Κράματα Al-Sn με άλλα στοιχεία 9xx.x Κράματα Al-με άλλα στοιχεία

15 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα - στο χώμα Συνδυασμός μεταλλικού καλουπιού και καρδιάς «χώματος»

16 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα στο χώμα Engine Blocks

17 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα - με τη μέθοδο του χαμένου κεριού OH0

18 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα - σε μεταλλικό καλούπι Alloy Wheels Χυτόπρεσσα animation Μεταλλουργικά μέτρα για διασφάλιση ποιότητας χυτών 99,9%Al χωρίς εκλέπτυνση κόκκου. Μέγεθος κόκκου 4500 μm. 99,9%Al μετά από εκλέπτυνση κόκκου με ράβδο Al5%Ti1%B (H2252). Μέγεθος κόκκου 120 μm. Σωματίδια Si που δεν έχουν υποστεί τροποποίηση (modification). Η μορφή τους είναι βελονοειδής κάτι που μειώνει την ολκιμότητα του κράματος Πλήρως τροποποιημένα σωματίδια Si. Το κράμα έχει υποστεί τροποποίηση με Sr 0,018%. Η ινώδης μορφή προσφέρει στο κράμα μεγαλύτερη ολκιμότητα

19 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα είναι η δυνατότητα κάποιων πολυκρυσταλλικών υλικών να δέχονται πολύ μεγάλη πλαστική διαμόρφωση κάτω από ειδικές συνθήκες θερμοκρασίας και φόρτισης. Η απαιτεί εξαιρετική ομοιογένεια, ισοτροπία, λεπτόκοκκη δομή, η οποία δεν επιτυγχάνεται με τη συνηθισμένη παραγωγή φύλλου με έλαση. Σε μονοαξονική φόρτιση επιτυγχάνονται επιμηκύνσεις της τάξης του 200% και μερικά υλικά μπορούν να φτάσουν και το 1000%. Οι μεγαλύτερες επιμηκύνσεις που έχουν αναφερθεί είναι μεγαλύτερες από 8000%

20 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Μηχανισμός Η ολίσθηση των ορίων των κόκκων είναι ο μηχανισμός της υπερπλαστικής παραμόρφωσης. Οι κόκκοι πρέπει να έχουν ισοτροπία ώστε να δεχθούν διατμητική τάση και να επιτρέψουν να συμβεί η υπερπλαστική ροή Η επιβολή τάσης ροής σε υλικά με υπερπλαστική συμπεριφορά είναι μια ευαίσθητη λειτουργία εξαρτώμενη από τον ρυθμό επιβολής τάσης, τη θερμοκρασία και το μέγεθος κόκκου. Αυτό όμως που είναι το σημαντικό είναι ότι η συμπεριφορά των υπερπλαστικών υλικών είναι εντελώς διαφορετική από εκείνη των συμβατικών υλικών Παράγοντες για την παραγωγή υπερπλαστικών υλικών Πολύ μικροί κόκκοι 2μm< d <10μm Μεγάλη αντίσταση στην ανάπτυξη των κόκκων Ο ρυθμός επιβολής της τάσης έχει πολύ σημαντικό ρόλο Μεγάλη αντίσταση στον σχηματισμό πόρων Πολλά κράματα αλουμινίου παρουσιάζουν υπερπλαστική συμπεριφορά με προσθήκη ζιρκονίου. Σχημτίζεται η φάση ZrAl 3 με πολύ μικρό μέγεθος και πλούσια διασπορά, η οποία προλαμβάνει την αύξηση του μεγέθους του κόκκου κατά την ανακρυστάλλωση ισχυρά παραμορφωμένης μήτρας αλουμινίου Τεχνολογικές απαιτήσεις για την διαμόρφωση υπερπλαστικών υλικών Τ u > 0,5T s όπου Τ u η θερμοκρασία κατεργασίας και T s η θερμοκρασία τήξης Χαμηλός ρυθμός επιβολής τάσης

21 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Μορφοποίηση Πούδρας Πυροσυσωμάτωση

22 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Ιδιότητες: χαμηλό βάρος, ικανότητα απορρόφησης ενέργειας και ήχου, επίσης είναι άφλεκτοι. Πιθανές εφαρμογές μεταλλικών αφρών: Ελαφριές κατασκευές, ηχομόνωση, θερμομόνωση και εφαρμογές απορρόφησης ενέργειας. Συγκριτικά με τα συνθετικά υλικά (πλαστικά, αφρούς πολυουρεθάνης) οι αφροί αλουμινίου έχουν κάποια ιδιαίτερα προτερήματα: την καλή αντοχή στην θερμότητα, μεγαλύτερη αντοχή, είναι άφλεκτοι και μπορούν να ανακυκλωθούν εύκολα. Έως τώρα οι αφροί αλουμινίου έχουν μικρή εφαρμογή, κυρίως για επίδειξη και δοκιμές, αλλά διάφορες ιδέες εξετάζονται και μερικές εμπορικές χρήσεις γίνονται ήδη. Επειδή οι μεταλλικοί αφροί είναι σχετικά ακριβοί, η χρήση τους παρακινείται από το άθροισμα των ιδιαίτερων ιδιοτήτων τους. Βέβαια αναμένεται ότι η τιμή τους θα πέσει.

23 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Σύνθετα AA 359 matrix with 20 vol.-% SiC Osprey process Spray Atomisation / Codeposition Τα σύνθετα μήτρας θεωρούνται ανταγωνιστικά του αλουμινίου αλλά και άλλων υλικών που απαιτούν ακαμψία, αντίσταση στην φθορά και αντοχή. Συνηθισμένα υλικά που χρησιμοποιούνται ως ενισχύσεις είναι τα Οξείδιο του, Καρβίδιο του Πυριτίου, γραφίτης κλπ. Όλα τα ανωτέρω μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε μια μεγάλη ποικιλία κραμάτων. Κύριες κατηγορίες συνθέτων μήτρας αλουμινίου είναι τα ενισχυμένα με «πούδρα» και με «ίνες» Φύλλο sandwich αλουμινίου Ο Υλίτης (Hylite) είναι ένα έλασμα που αποτελείται από δύο λεπτά φύλλα αλουμινίου με ένα φύλλο πολυπροπυλενίου στη μέση. Για την ίδια τιμή ακαμψίας ο υλίτης έχει σημαντικά χαμηλότερο βάρος από ένα φύλλο χάλυβα αλλά και από ένα φύλλο αλουμινίου

24 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Εφαρμογές για μηχανές Το κράμα RSA-Al-Si20X χρησιμοποιείται για πιστόνια Σε δίχρονεςαγωνιστικές μηχανές 50,125 και 250cm3. Λόγωτης βελτιωμένης αντοχής των κραμάτωνrsa το βάρος των πιστονιών μειώθηκε κατά 10-20% σε σχέση με τα συμβατικά. Τα κράματα τεστάρονται και για τις μηχανές diesel νέας γενιάς.

25 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Σύνθεση κραμάτων Al-Li (wt. %) Alloy Cu Li Zr Others Mg Weldalite Ag Mg Ιδιότητες Το Li είναι το ελαφρύτερο μέταλλο και κάθε 1% Li μειώνει την πυκνότητα κατά 3% ενώ αυξάνει το μέτρο ελαστικότητας κατά 6% α)σχετικώς χαμηλότερη πυκνότητα, 7-10% β) υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας, 10-15% γ) εξαιρετική αντοχή σε κόπωση και κρυογονική αντοχή δ) μεγάλη αντίσταση σε ανάπτυξη ρωγμών λόγω κόπωσης ε) μειωμένη ολκιμότητα στ)μικρή δυσθραυστότητα τι μετά από θερμική επεξεργασία, οι μηχανικές ιδιότητες παρουσιάζουν ανισοτροπία. Μηχανικές ιδιότητεςκραμάτων AL-Li Alloy Density (g/cm3) Ductility ( El % ) Elastic Modulus (GPa) Tensile Strength (MPa) Longitudinal Klc (MPa m1/2) Melting Temperature (oc) >

26 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Το κράμα 2090 αντικαταστάτης του 7075-Τ6, 8% χαμηλότερη πυκνότητα και 10% υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας μεγαλύτερη αντίσταση στη διάβρωση σε θαλάσσιο περιβάλλον από ό, τι το 7075-Τ6. Το κράμα 2091 αντικαταστάτης του συμβατικού 2024-T3, 8% χαμηλότερη πυκνότητα και 7% υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας Το κράμα 8090 ως αντικαταστάτης του 2014 και του % μικρότερη πυκνότητα και 11% υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας, και εμφανίζει ανώτερες μηχανικές ιδιότητες σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Το Weldalite 049, είναι ένα συγκολλήσιμο κράμα Al-Li αντικαταστάτης του 2219 και του 2014 στα συστήματα εκτόξευσης διαστημικών οχημάτων. Η πυκνότητα των Weldalite 049 είναι 2,7 g / cm3 (περίπου το ίδιο με τα 2219 και 2014), έχει περίπου 5% υψηλότερο μέτρο ελαστικότητας από ό, τι το 2024, και επιπλέον έχουν αναφερθεί αντοχές σε εφελκυσμό (σε σφυρήλατα εξαρτήματα) άνω των 700 MPa. Μεταλλουργία των κραμάτων Al-Li 8090 Κατακρήμνιση των φάσεων δ (Al 3 Li) και δ (AlLi): α (sss) GP zones δ (Al 3 Li) δ (AlLi) Κατά την γήρανση κατακρημνίζεται επίσης T 1 (Al 2 CuLi) και T 2 [Al 6 Cu(LiMg) 3 ] μαζί με την (Al 3 Li). Κατακρημνίζονται ετερογενώς στο max της αντοχής και με αυτό τον τρόπο συνεισφέρουν σημαντικά στην αντοχή Παραγωγή κραμάτων Al-Li

27 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Manufacturing of Al-Li alloys Ingot Metallurgy. Rapid Solidification Metallurgy Technique.

28 φυσικής Έλαση Έλαση χαμένου κεριού Αφροί Σύνθετα Προηγμένα υλικά Κλασσικά κράματα π.χ αλλά με μέγεθος κόκκου εξαιρετικά μικρό 3-4 μm.(υπερπλαστικό) Κλασσικά κράματα π.χ 356 για χύτευση υψηλής τεχνολογίας εξαρτημάτων με κλασσικές μεθόδους Προϊόντα διέλασης με αντοχές εφάμιλλες του χάλυβα Σφυρήλατα εξαρτήματα για υψηλών απαιτήσεων εφαρμογές Κράματα Al-Li τρίτης γενιάς Κράματα ς Κράματα χύτευσης Έρευνα Εφαρμογή προηγμένων τεχνολογιών