Hliník a jeho slitiny Konstrukce z hliníku

TZ1

Technologičnost konstrukce

Hliník a jeho slitiny Konstrukce z hliníku doc. Ing. Ivo Hlavatý, Ph.D. Ing. Tomáš Zmydlený, Ph.D.

Výroba hliníku elektrolytická redukce Al2O3 Hliník se nejčastěji vyrábí elektrolytickou redukcí Al2O3 z tekuté soli do tekutého kovu. Energeticky náročný proces, který vyzývá k energeticky méně náročné recyklaci.

Obrázek 1.1 Elektrolitická redukce oxidu hlinitého. Obrázek 1.2 Bauxit, základní hliníková ruda.

1

Struktura Al Krystalická struktura hliníku

Obrázek 1.3 Kubická plošně centrovaná mřížka (kpc) krystalická struktura: (a) kuličkový model; (b) jednotková buňkal; and (c) model krystalu. Zdroj: W. G. Moffatt, et al., The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976.

Vlastnosti Al Hmotnost Plně naložený nákladní automobil:

ocel

hliník

Obrázek 1.4 Porovnání hmotnosti hliníku a oceli. Zdroj: W. G. Moffatt, et al., The Structure and Properties of Materials, Vol. 1, John Wiley & Sons, 1976.

2

Vlastnosti Al Tepelná vodivost Mg

7,8

Austenitická ocel

16 21,9

Ti

25

Litina Oxid hlinitý

30

V

30,7 45

Uhlíková ocel

90,7

Ni

174

W

190

Al slitiny

237

Al Cu 0

50

100

150

200

250

300

350

400

Tepelná vodivost Wm-1K-1

Vlastnosti Al Délková roztažnost

Hliník má jednu z největších délkových roztažností ze všech kovů.

Příklad: Jak se změní délka tyče (z původních 1000 mm) při změně teploty o 100°C?

Hliník + 2,4 mm Ocel + 1,2 mm Mg + 2,6 mm W + 0,4 mm Cu + 1,7 mm

3

Rozdělení slitin Al základní rozdělení

Hliník můžeme rozdělit podle chemického složení:

Technický Al (min. 99 hm % Al) Slitiny Al – obsah legujících prvků je ≥ 1%

Podle možnosti zvýšit mechanické vlastnosti tepelným zpracováním:

Vytvrditelné Zpevněné tvářením

Podle technologie zpracování:

Slitiny na odlitky Slitiny k tváření

Rozdělení slitin Al Re [MPa]

Rm [MPa]

A5 [%]

30 100

100 – 135

do 50 Fólie, dekorace, elektrické vodiče

~ 4,5% Cu, (+Mn, Si, Mg) vytvrditelné

do 480

do 520

520

3000

~ 1% Mn, Mg tvářitelný za studena

do 215

do 290

5

4000

~ 12% Si, (+Mg, Ni, Cu) kujné, vytvrditelné

~ 295

~ 325

0.5

Písty motorů,

5000

~ 5% Mg, (+Cr, Mn) tvářitelný za studena

do 350

do 415

15

Dobrá tvařitelnost a svařitelnost. Výborná odolnost proti korozi, Konstrukční aplikace.

6000

do 1% Mg-Si, vytvrditelné

~ 275

~ 310

12

Za tepla tažené profily. Okenní rámy.

7000

do 8% Zn, (+Mg, Cu, Cr) vytvrditelné

500

575

11

Vysokopevné slitiny, letadla, horská kola, automobily, atp.

8000

Další prvky např.:do 2,5 % Li

Slitina

Chemické složení

1000

„čistý“ Al

2000

Poznámka

Výkovky, protlačované profily, např.: letadla Tažené plechy ~ kamiony a přívěsy. Kontejnery na jídlo, plechovky na pití.

Letecký a kosmický průmysl, letadla rakety atp...

4

Chemické složení slitin Al Legury ve slitinách Al

Legury používané ve slitinách hliníku: Si, Mn, Mg, Zn, Cu, Ni, Li, Fe

do 1,25% Mn nebo 3,5% Mg pro zpevnění tuhým roztokem

do 4,5% Cu, 7% Zn, nebo (3% Mg +1% Si) precipitační zpevnění

do 0,5% Cr zjemění struktury

do 17% Si, 7% Cu, 10% Mg, pro lité slitiny

Slitiny A× × - 2××× ××× Hlavní legující prvek: Cu

Rozpustnost Cu v hliníku do 12% Zvyšuje

Pevnost Tvrdost

Zhoršuje

Tvařitelnost Odolnost proti korozi

5

Vytvrzování slitin řady 2××× ××× Cu v tuhém roztoku obvykle 4,5 % 1.

2.

3.

Výdrž na ~550 °C Všechna Cu musí přejít do roztoku Ochlazení na pokojovou teplotu Cu je v přesyceném roztoku Vytvrzování při teplotě 180 - 200°C Cu přechází z roztoku do formy precipitátů

Když provedeme ochlazení přímo na teplotu umělého stárnutí (180 – 200°C) spustí se precipitace, ale převážně na hranicích zrn. Nevhodné pro pevnost !!!

6

Tepelné zpracování přirozené stárnutí 1. Cu je v tuhém roztoku Vytrzování tuhým roztokem

2. Cu vytváří shluky atomů (G-P) zóny. Každá zóna je obklopena vysokým pnutím a polem napětí

Mez kluzu Re [MPa]

500 400

3. Cu reaguje s Al a vytváří jemné husté precipitáty (θ’’). Tyto precipitáty mají komplikovanou intermetalickou krystalovou strukturu Precipitační zpevnění

3 2

300

4

1

200 100 0 1

10

100

1000

4. Další reakce vytváří θ’ a konečně θ (CuAl2) precipitáty s velmi složitou krystalovou strukturou

Čas stárnutí [hod]

Použití A× × - 2××× ××× Název „Duralumin“

2014

2219

Chemické složení 3,5 Cu 0,5 Mg, 0,5 Mn 4,4 Cu 0,5 Mg, 0,5 Mn 0,9 Si 6,3 Cu 0.3 Mn, 0.2 Si 0.1Ti, Zn, V, Zr

Re Rm [MPa] [MPa]

A5 [%]

275

425

22

320

425

13

290 – 390

415 – 475

10

Popis a použití slitiny Původní vytvrditelná slitina, v současnosti používaná na nýty atp. (2017) „Standartní“ Al-Cu stlitina. Části letadel, automobilů atp. Dobrá žárupevnost (vysokoteplotní aplikace) Dobrá kryogenická pevnost (nádrže tekuteho paliva pro rakety)

7

Slitiny skupiny 3××× ××× Hlavní legující prvek: Mn

Rozpustnost v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvárnost Houževnatost Odolnost proti korozi

8

Slitiny - AW 4××× ××× Hlavní legující prvek: Si

Ve slitinách ke tváření se používá do 1% ve slitinách na odlitky až do 25%. Zvyšuje – v tuhém roztoku

Pevnost Odolnost proti korozi

Zhoršuje

9

Slitiny skupiny 5××× ××× Hlavní legující prvek: Mg

Rozpustnost v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvrdost

Zhoršuje Tvařitelnost Odolnost proti korozi

10

Použití A× × - 5××× ××× Název

Chemické složení

Re Rm [MPa] [MPa]

A5 [%]

5456

5 Mg 0,25 Zn; 0,4 Fe 0,25 Si; 0.25 Cu, Ti, Cr,

160 280

310 370

24 12

Plechy, desky, výtažky, trupy lodí, kryogenické nádoby, korby nákladních automobilů,

5005

0,5 – 1,0 Mg 0,25 Zn; 0,7 Fe 0,3 Si; 0.2 Cu; 0,1 Cr

40 – 190

125 – 200

30 4

Plechy, vysokopevné fólie, elektrické vodiče

Popis a použití slitiny

Slitiny skupiny 7××× ××× Hlavní legující prvek: Zn

Ve slitinách se používá 6 – 8 % Zvyšuje – v tuhém roztoku

Snižuje

Pevnost Korozní odolnost

Příklady slitin: 7005, 7017, 7020, 7075,

11

Použití A× × - 7××× ××× Většina slitin skupiny Ax – 7xxx je náchylná na korozní praskání pod napětím (SCC). Které se ale dá zmírnit:

Poměrem Zn:Mg do 3:1 Přidáním Mg, a Cu Omezením Si, Fe a dalších nečistot Komplexním, výcestupňovým tepelným zpracováním Chemické složení

Název

7075

5,6 2,5 1,6 0,2

Zn Mg Cu Cr

Re Rm [MPa] [MPa]

500

570

A5 [%]

Popis a použití slitiny

11

Vysokopevnostní slitina, kosmické konstrukční díly. Tepelné zpracování k získání svařitelnosti, dobrá obrobitelnost, odolnost proti koroznímu praskání pod napětím, Typické umělé stárnutí: 120°C (utváření GP zón) potom 170 °C (formování MgZn2) 7475 – vysoce čistá varianta lepší SCC

12

Slitiny skupiny 8××× ××× Slitiny: Al - Li

Rozpustnost Li v hliníku do 12% Zvyšuje Pevnost Tvrdost

Zhoršuje Tvařitelnost Odolnost proti korozi

13

Speciální slitiny Super-slitiny hliníku

Za super slitiny Al jsou v současnosti označovány slitiny Al – Li.

Tyto slitiny se velmi obtížně vyvíjely protože Li je náchylné k explozi v průběhu legování. Vyrábí se v kontrolované ochranné atmosféře a jsou dokončovány jako klasické slitiny. Výzkum těchto slitin byl zahájen v roce 1977

Nebyly dostupné fázové diagramy Nebyl známa precipitace Li v Al Neexistovaly data mechanických vlastností jako např.: lomová houževnatost a mez únavy.

Super slitiny Al - Li Al – Li slitiny

14

Super slitiny Al - Li současnost superslitin Al – Li (řada 8×××)

Jsou dostupné jako plechy pláty, a extrudované profily podobných rozměrů jako klasické vysokopevné hliníkové slitiny. Vlastnosti: Nízká hustota. Li vykazuje při 2,6 % hmotnosti, 16% objemu slitiny. Dobrá korozní odolnost Dobrá odolnost proti poškození Vysoká tažnost 6 – 10%

Super slitiny Al - Li současnost superslitin Al – Li (řada 8×××)

Excelentní mechanické vlastnosti: E = 79 GPa Rm = 556 MPa σy = 510 MPa KIC = 33 MPa m-1/2 ρ = 2685 kg/m3

15

Super slitiny Al - Li Obchodní názvy

Weldalite (Reynolds Metals Co.) Alithalite 2090 (Alcoa) Kalite (Kaiser Aluminum & Chemical Corp.) Alloy 8090 (British Alcan) Lital A (British Alcan and Royal Aircraft, England)

Vytvrzování Al slitin

16

Tvrdost [HV]

Maximální vytvrzení Přestárnutí, odpevnění

GPZ (I) GPZ (II)

Čas vytvrzování [log t]

Značení Al a jeho slitin

17

Číselné značení Základní značka dle. ČSN EN 573-1

EN Ax - XXXX Třída 1xxx až 9xxx

Písmeno skupiny

ČSN EN 573 – 1 Číselné označování

Skupiny hliníku W B

C M

tvářené výrobky nelegované nebo slitinové ingoty pro přetavení odlitky předslitiny

18

ČSN EN 573 – 1 Číselné označování

1xxx 2xxx 3xxx 4xxx 5xxx 6xxx 7xxx 8xxx 9xxx

bez legur – čistý hliník Cu Mn Si Mg Mg, Si Zn ostatní prvky (Li) neobsazená řada

Příklady chemického složení Číslo slit.

Si

Fe

Cu

Mn

Mg

Cr

Ni

Zn

Ti

1050

0,25

0,40

0,05

0,05

0,05

---

---

0,05

0,03

99,50

1060

0,25

0,35

0,05

0,03

0,03

---

---

0,05

0,03

99,60

0,05

0,05

---

---

---

0,10

---

99,00

0,06

0,01

0,01

0,01

---

---

0,03

0,01

99,98 99,00

1100 1188

0,95 0,00

1200

1,00

min. % Al

0,05

0,05

---

---

---

0,10

0,05

3003

0,60

0,70

0,05

1,00

---

---

---

0,10

---

3105

0,60

0,70

0,30

0,03

0,20

0,20

---

0,40

0,10

zbytek

4032

11,00

1,00

0,50

---

0,80

0,10

0,50

0,25

---

zbytek

4043

4,50

0,80

0,30

0,05

0,05

---

---

0,10

0,20

zbytek

4145

9,30

0,80

3,30

0,15

0,15

0,15

---

0,20

---

zbytek

5005

0,30

0,70

0,20

0,20

0,50

0,10

---

0,25

---

zbytek

5050

0,4

0,6

---

---

1,4

---

---

---

0,05

zbytek

6005

0,80

---

---

---

0,50

---

---

---

---

98,70

6061

0,60

---

0,28

---

1,0

0,20

---

---

---

97,90

6070

1,40

---

0,28

0,70

0,80

---

---

---

---

96,80

7005

---

---

1,60

---

2,50

0,23

---

5,60

---

90,00

7075

---

---

---

0,45

1,40

0,13

---

4,50

0,04

93,30

99,50

19

Rozdělení Al slitin pro svařování ČSN CR 12187 – Směrnice pro rozdělení materiálů do skupin pro účely svařování

Skupina 21 – čistý hliník, čistý hliník s obsahem nečistot ≤ 1,5 % nebo legujících prvků řada 1000

Skupina 22.1 – Tepelně nezpracované slitiny. Slitiny Al-Mg s obsahem ≤ 3,5 % Mg. řada 3000 a 5000

Skupina 22.2 – Tepelně nezpracované slitiny. Slitiny Al-Mg se 4 – 5,6 % Mg řada 5000

(např. EN AW 5083, EN AW 5086, EN AW 5456(A)

Skupina 23 –Tepelně zpracovatelné slitiny. Slitiny Al-Mg-Si a tepelně zpracovatelné slitiny Al-Zn-Mg, které vyžadují řízený tepelný příkon a tepelné zpracování nebo stárnutí po svařování. řady 2000, 6000 a 7000

Všeobecné požadavky na tavné svařování kovových materiálů – slitiny Al

Všeobecné požadavky na tavné svařování jsou uvedeny v EN 1011-1: Požadavky na jakost

Stehování Dočasné spoje Zapálení oblouku Čistění a úprava během svařování Postupy svařování Značení Kontrola a zkoušení

Opravy vad Deformace Tepelné zpracování po svařování Zkratky a značky Náběhové/výběhové desky

20

Svařování Al slitin podle ČSN EN Výběr norem o svařováním Al a Al slitin

ČSN EN ISO 9692-3 Svařování a příbuzné procesy – příprava svarových ploch – Část 3: Obloukové svařování hliníku a jeho slitin tavící se elektrodou v inertním plynu a wolframovou elektrodou v inertním plynu

ČSN EN 1011-4 Svařování – Doporučení pro svařování kovových materiálů – Část 4: Obloukové svařování hliníku a slitin hliníku

ČSN CR 12187 Svařování směrnice pro rozdělení materiálů do skupin pro účely svařování

Vhodné metody a polohy svařování, pro svařování Al a jeho slitin

131 (obloukové svařování tavící se elektrodou v inertním plynu) 141 (obloukové svařování netavící se elektrodou v inertním plynu) 15 (Svařování plasmou) případně další metody (111)

21

Příprava svařování

Příprava svarových ploch

Očistění povrchu

Mechanicky (kartáče, rotační kotouče, škrabky)

Mořením (roztok NaOH)

Příprava pro svařování

Sestavení svařence

Předehřev

Zvýšení stability oblouku (150°C)

Zabránění horkým trhlinám (v rozsahu 200 – 400°C)

22

Teorie svařování Al a jeho slitin

Metalurgie svařování

Přídavný materiál

Ochranné atmosféry

Úprava svarových ploch

S podložkou Bez podložky Protlačované profily

23

Příprava svarových ploch pro svařování bez podložky CSN EN ISO 9692-3

Tloušťka

t≤4

3 ≤ t ≤ 15

Název svaru

Značka Zobrazení

Řez

Rozměry

I – svar

b≤2

V – svar s výrazným otupením (131, 141)

b≤2 c≤2 α ≥ 50˚

15 ≤ t ≤ 30 U – svar

(svarové plochy se sklonem) (131)

1≤b≤3 15° ≤ β ≤ 20°

Svařování s podložkou

Materiál podložek Austenitická ocel Hliník Měď Keramika

Požadavky na podložku: Formování kořene. Zamezit nalegování Cu, a dalších prvků do svarového kovu, přehřátím podložky.

24

Příprava svarových ploch pro svařování s podložkou Značka

Zobrazení

Řez

Tloušťka

Název svaru

Rozměry

2≤t≤4

I – svar s podložkou (131)

b ≤ 1,5

3≤t≤5

V – svar s dočasnou podložkou

b≤4 c≤2 60˚ ≤ α ≤ 90˚

8 ≤ t ≤ 20

V – svar se strmým úkosem s podložkou (131)

(131) 3 ≤ b ≤ 10 15˚ ≤ β ≤ 20˚

Svařování tvářených profilů

Z pevnostních důvodů se konstrukce ze slitin hliníku navrhují jako svařence tvářených profilů, Svary umisťujeme mimo místa maximálního namáhání

25

Protlačované profily


26


Příprava svarových ploch svařování tvářených profilů

Tloušťka

Název svaru

Značka Zobrazení

Řez

Rozměry

2 ≤ t ≤ 20

V – svar na protlačený profil (131, 141)

b≤3 1≤c≤3 20 ≤ β ≤ 40˚

6 ≤ t ≤ 40

V – svar na protlačený profil (131, 141)

0≤b≤3 2≤c≤3 10 ≤ β ≤ 20˚

27

Konstrukční zásady konstrukce 21. století

Audi A8 moderní konstrukce

28

Konstrukční zásady příklady návrhu konstrukcí z Al slitin

Velká afinita Al k O2 3 × větší součinitel délkové roztažnosti Al než feriticko perlitické oceli 3 × menší modul pružnosti v tahu než má feriticko perlitická ocel Velká rozpustnost plynů v hliníku Al slitiny nemají žádné fázové přeměny v tuhém stavu Při tavení přechází Al rychle do tekutého stavu


ČSN EN ISO 15614-2: Stanovení a kvalifikace postupů svařování kovových materiálů – Zkouška postupu svařování - Část 2: Obloukové svařování hliníku a jeho slitin.

Přednostně tupé svarové spoje, vyhýbat se koutovým Zesílení svarových spojů příložkami je neúčinné a nesprávné Hromadění materiálu v bezprostředním okolí svaru je příčinou technologických a pevnostních vad ve svarových spojích

29



30


Vady svarů vliv na únosnost konstrukce

Nejčastěji vyskytující se vady Solidifikační trhliny ve svarovém kovu (interkrystalické) Likvační trhliny v TOO (interkrystalické) Trhliny ze studena v TOO u vysokolegovaných slitin typu Al-Cu-Mg, Al-Zn-Mg (transkrystalické) Tvorba pórů a bublin ve svarovém kovu Vměstky ve svarovém kovu Snížení pevnosti v TOO u slitin zpevěnných za studena nebo vytvrzováním

31

Typické vady metody 141

Nečistý povrch svaru Wolframové vměstky ve svar. kovu Neprovařený kořen Studené spoje Vruby

Typické vady metody 131

Velký rozstřik Studené spoje Zápaly Vruby

32

Vady svarového kovu Pórovitost

Znečistěný přídavný materiál. Vlhkost na povrchu přídavného materiálu Zlepšit čistotu přídavného materiálu. Skladovat v čistém prostředí nad rosným bodem pracoviště

Nečistá plocha spoje. Vlhkost na povrchu spoje Očistit a vysušit plochu spoje před svařováním, např. předehřevem. Materiál musí mít před svařováním teplotu okolí.

Likvační interkrystalické trhliny

33

Zkoušený vzorek Základní materiál: EN AW 7020 EN AW-Al Zn4,5 Mg1

Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn

0,35 0,40 0,20 0,05 – 0,50 1,0 – 1,4 0,1 – 0,35 4,0 – 5,0

Trhliny v základním materiálu Výbrus A

34

Trhliny ve svarovém kovu Výbrus B

35

Trhliny ve svarovém kovu Výbrus C

Friction Stir Welding

36


Metoda uvedená v roce 1991 (TWI) Přes 500 světových patentů Aplikace

letectví kosmonautika

Friction Stir Welding metoda budoucnosti?

37


Svarový kov

Svarový kov

Základní materiál

38

Příklady Al svařenců - loď


39


Závěr základní vědomosti o Al slitinách

Vyšší číslo skupiny neznamená „lepší“ slitinu Z pohledu svařování jsou 3 skupiny slitin hliníku: vytvrditelné, nevytvrditelné a čistý hliník Základní fyzikální vlastnosti jsou velmi rozdílné v porovnání s ocelí (např. teplota tání, tepelná vodivost, délková roztažnost, hmotnost) Konstrukční zásady jsou jiné než u ocelí

40

Kde najdete další informace.....

Odkaz na stránku najdete v tel. seznamu VŠB-TUO http://fs1.vsb.cz/~hla80

41



42

Děkuji za pozornost http://fs1.vsb.cz/~hla80 [email protected]

IVO HLAVATÝ © 2010

43

Hliník a jeho slitiny Konstrukce z hliníku

Recommend Documents