Estructura cristal·lina i comportament de deformació de l'alumini
L'alumini cristal·litza a la xarxa cúbica-centrada de la cara. Aquesta estructura proporciona dotze sistemes de lliscament independents - quatre plans{111} tancats-, cadascun conté tres direccions properes-empaquetades -, que és la raó fonamental per la qual l'alumini es deforma d'una manera dúctil i homogènia en lloc de fallar bruscament. La densitat de la gelosia de 2,70 g/cm3 és aproximadament un terç de la de l'acer, de manera que una secció d'alumini{10}}de volum igual pesa aproximadament un 65 % menys, i aquesta és la propietat que regula la selecció del material sempre que la massa sigui el motor del disseny.
L'alumini també té una alta energia de falla d'apilament, de manera que les dislocacions parcials es recombinen fàcilment i les dislocacions dels cargols es creuen- fàcilment a temperatura ambient. Segueixen dues conseqüències pràctiques: la recuperació és ràpida, de manera que el metall treballat en fred s'estova ràpidament durant el recuit, i el lliscament és ondulat en lloc de pla, produint una estructura cel·lular de dislocació i un ràpid augment de l'estrès del flux a mesura que s'acumula la tensió.
Mida del gra, dislocacions i fonts de força
L'alumini forjat mai es reforça amb un sol mecanisme. El disseny de l'aliatge consisteix a combinar els mecanismes disponibles perquè s'assoleixi la resistència requerida sense destruir la conformabilitat ni la resistència a la corrosió:
Enfortiment de la solució sòlida- magnesi, manganès, coure i silici dissolts a la matriu distorsionen la xarxa i impedeixen el moviment de dislocació. Aquest és el mecanisme principal de la família 5xxx.
Enduriment del treball- l'única ruta pràctica d'enfortiment per a aliatges 1xxx, 3xxx i 5xxx no tractables amb-calor-, controlats mitjançant designacions de temperament.
Enduriment per precipitació- la ruta principal per als aliatges 2xxx, 6xxx i 7xxx, on les partícules coherents o semi-coherents bloquegen el lliscament.
Enfortiment de la dispersió- partícules incoherents com ara Al20Cu2Mn3, Al6Mn i Al12Mg2Cr límits de gra i subgrans i controlen la recristal·lització.
Refinament del gra- una mida de gra més fina augmenta la força de rendiment a través de la relació Hall-Petch i millora la tenacitat; La mida del gra es mesura d'acord amb ASTM E112.
Enduriment per precipitació en els aliatges 7xxx
La família Al-Zn-Mg{-Cu proporciona la resistència més alta de qualsevol aliatge d'alumini forjat comercial, i el seu comportament s'entén millor mitjançant la seqüència de precipitació: solució sòlida sobresaturada, després zones de Guinier-Preston, després la fase metaestable eta{-primera i, finalment, la fase eta2 estable (MgZ).
Zones GPes formen durant l'envelliment natural a temperatura ambient i proporcionen un augment precoç de la força.
Eta-primerés la fase coherent que produeix la força màxima. L'envelliment al tremp T6 en un aliatge de tipus 7075 assoleix unes forces de tracció d'aproximadament 570 MPa.
Sobreenvellimenta T73 o T76 fa créixer la fase eta estable i sacrifica aproximadament el 10-15% de la resistència, a canvi d'una resistència notablement millor a la fissuració per corrosió per tensió. Aquest comerç és essencial per a peces crítiques en servei humit o dinàmic i s'avalua mitjançant mètodes com ASTM G47.
Retrogressió i re{0}}envellimentdissol breument els precipitats del límit del gra i després re{0}}envelleix el material, restaurant la major part de la resistència màxima alhora que conserva l'estructura discontinua del límit del gra que dóna resistència a la corrosió.
Les addicions de zirconi i crom formen dispersoides Al3Zr i Al18Mg3Cr2 durant l'homogeneïtzació. Aquestes partícules són incoherents o semi-coherents i impedeixen la recristal·lització, de manera que la textura forjada i la duresa associada es conserven mitjançant el tractament amb solució.
Escandi i zirconi: disseny dispersoide coherent
L'addició d'un 0,2% d'escandi a una fosa d'alumini forma partícules d'Al3Sc en la solidificació. Al3Sc té l'estructura L12, és coherent amb la matriu d'alumini i és un refinador de gra extremadament eficaç: la mida del gra colat cau fins a uns pocs micròmetres i la recristal·lització es suprimeix fortament perquè les partícules pinten els límits durant el treball en calent.
El zirconi es substitueix a la gelosia Al3Sc per formar un nucli-shell Al3(Sc,Zr) precipitat que resisteix l'engruiximent a uns 300-350 C, la qual cosa amplia la temperatura de servei útil molt per sobre de la dels aliatges convencionals 2xxx i 7xxx. Els productes forjats Al-Mg{-Sc i Al{-Zn{-Mg-Sc assoleixen uns límits de rendiment d'aproximadament 300 MPa fins a uns 550 MPa depenent de la matriu i el tremp, alhora que conserven una bona soldabilitat i mantenen la majoria de les seves propietats a la zona afectada per la calor. Aquesta combinació explica el seu ús en estructures aeroespacials i en pols de fabricació additiva, on una estructura de gra fina i tèrmicament estable és essencial per a un comportament consistent de la piscina de fosa.
Comportament a temperatures elevades i aliatges de fosa
El disseny d'alumini d'alta-temperatura és essencialment una batalla contra l'engrossiment de les partícules. Els dispersoides com Al3(Sc,Zr) i Al20Cu2Mn3 es mantenen estables molt per sobre de la temperatura d'envelliment i continuen fixant els límits; Els refinadors de gra de borur de titani i carbur de titani suprimeixen el creixement del gra durant la solidificació i el tractament de la solució; i en els aliatges de fosa d'Al-Si, la modificació amb estronci refina el silici eutèctic de les plaquetes gruixudes en una morfologia fibrosa fina, la qual cosa augmenta considerablement la ductilitat i la resistència a la fatiga. La resistència a la fluència a temperatures més altes depèn dels intermetàl·lics tèrmicament estables formats amb addicions de manganès, níquel, zirconi o terres rares en lloc de la morfologia del silici, i el comportament de fluència i ruptura per tensió es caracteritza amb els mètodes de prova ASTM i ISO aplicables.
Disseny d'aliatges computacionals
El desenvolupament modern d'aliatges es guia per simulació abans que un lingot sigui fos. Les bases de dades termodinàmiques de CALPHAD prediuen equilibris de fase, camins de solidificació i finestres de temperatura per al tractament de la solució; els càlculs dels primers-principis basats en la teoria funcional de la densitat proporcionen la formació i les energies d'unió que alimenten els models de precipitació; i els models basats en dades-formats amb dades experimentals i industrials ara guien les opcions de composició, com ara la proporció de magnesi-a-silici en aliatges 6xxx, on un petit canvi canvia l'equilibri entre resistència, extrusió i qualitat de la superfície. La simulació de processos tanca el bucle, perquè la conformació i el tractament tèrmic es modelen numèricament i es validen en funció de la distorsió mesurada i l'estrès residual, de manera que els cicles de tractament tèrmic-es poden ajustar amb moltes menys proves físiques del que requeriria un programa purament experimental.
Preguntes freqüents
P: Per què l'alumini és tan dúctil?
La gelosia cúbica-centrada de la cara ofereix dotze sistemes de lliscament independents, de manera que la deformació es pot distribuir en molts plans i direccions. L'alta energia de falla d'apilament permet a més un fàcil lliscament transversal-, que evita la concentració de l'estrès i retarda la fractura.
P: Què determina la resistència d'un aliatge d'alumini forjat?
La força és la suma de l'enfortiment de la solució sòlida, l'enduriment per treball, l'enduriment per precipitació, l'enfortiment de la dispersió i l'enfortiment del límit del gra. Els dissenyadors d'aliatges combinen aquests mecanismes per assolir la resistència requerida sense sacrificar la conformabilitat o la resistència a la corrosió.
P: Per què s'afegeix escandi a l'alumini?
L'escandi forma precipitats coherents d'Al3Sc que refinen l'estructura del gra colat fins a uns pocs micròmetres i bloquegen la recristal·lització. Amb zirconi afegit, les partícules d'Al3 (Sc, Zr) resisteixen l'engruiximent a uns 300-350 C, donant una gran resistència i una bona soldabilitat.
P: Quina diferència hi ha entre els tremps T6 i T73 en un aliatge 7xxx?
T6 és el tremp-pic envellit i ofereix la màxima força. T73 és un tremp envellit que renuncia aproximadament al 10-15% de la seva resistència per obtenir una resistència molt millor a l'esquerda per corrosió per tensió, per això s'especifica per a peces crítiques en servei humit.
P: Com afecta la mida del gra a les propietats mecàniques?
Una mida de gra més fina augmenta la força de rendiment a través de la relació Hall-Petch i normalment millora el rendiment de la duresa i la fatiga. La mida del gra es mesura segons ASTM E112 i es controla mitjançant pràctiques de fosa, refinadors de gra i processament termomecànic.
P: Per a què s'utilitza CALPHAD en el disseny d'aliatges?
CALPHAD construeix models termodinàmics que prediuen els equilibris de fase i el comportament de solidificació en una composició i rang de temperatures. S'utilitza per seleccionar els nivells d'aliatge i les finestres-de tractament tèrmic, reduint el nombre d'assaigs experimentals necessaris per qualificar un aliatge nou.
