- Stan materiału jako element identyfikacji stopów aluminium
Oznaczenie gatunku stopu aluminium informuje przede wszystkim o jego składzie chemicznym, ale nie opisuje jeszcze w pełni własności materiału. Ten sam stop może wykazywać różną wytrzymałość, twardość i plastyczność w zależności od tego, jak został wytworzony i przetworzony. Istotne znaczenie ma m.in. sposób odlewania, zakres odkształcenia podczas walcowania, wyciskania lub ciągnienia, a także zastosowana obróbka cieplna: wyżarzanie, przesycanie, szybkość chłodzenia oraz starzenie naturalne lub sztuczne. Dlatego w praktyce inżynierskiej obok oznaczenia gatunku stopu równie ważne jest oznaczenie jego stanu, które wskazuje na historię technologiczną materiału i daje zgrubną informację o poziomie jego własności użytkowych.
- Podstawowe mechanizmy umocnienia aluminium
Czyste aluminium jest metalem stosunkowo miękkim i bardzo plastycznym, dlatego
w zastosowaniach technicznych najczęściej wykorzystuje się jego stopy
oraz odpowiednio dobrane procesy technologiczne. Zwiększenie wytrzymałości aluminium polega w uproszczeniu na utrudnieniu odkształcenia plastycznego materiału. Efekt ten można uzyskać kilkoma mechanizmami, które często występują jednocześnie.
Pierwszym z nich jest umocnienie roztworowe, wynikające z obecności pierwiastków stopowych rozpuszczonych w osnowie aluminium. Atomy magnezu, miedzi, krzemu, cynku czy manganu zaburzają regularną budowę sieci krystalicznej i zwiększają opór materiału wobec odkształcenia.
Drugim mechanizmem jest umocnienie odkształceniowe, związane z przeróbką plastyczną, zwłaszcza prowadzoną na zimno. Walcowanie, ciągnienie lub tłoczenie zwiększa wytrzymałość i twardość materiału, ale zwykle obniża jego plastyczność.
Ten mechanizm ma szczególne znaczenie w stopach nieutwardzalnych wydzieleniowo
i znajduje odzwierciedlenie w stanach oznaczanych literą H.
Trzecim mechanizmem jest umocnienie przez rozdrobnienie ziarna. Drobniejsza struktura ziarnowa sprzyja poprawie własności mechanicznych, ponieważ granice ziaren utrudniają rozwój odkształcenia. Na wielkość ziarna wpływają m.in. warunki krzepnięcia, odkształcenie plastyczne, rekrystalizacja oraz zabiegi metalurgiczne prowadzone
w ciekłym metalu.
Czwartym i szczególnie ważnym mechanizmem jest umocnienie wydzieleniowe, charakterystyczne dla stopów obrabialnych cieplnie. Polega ono na tworzeniu
w osnowie aluminium bardzo drobnych cząstek lub skupisk atomów pierwiastków stopowych, które zwiększają wytrzymałość materiału. Ten mechanizm ma kluczowe znaczenie dla stopów serii 2xxx, 6xxx i 7xxx i jest podstawą stanów oznaczanych literą T.
Zależność pomiędzy głównymi pierwiastkami stopowymi, typowymi układami stopów aluminium oraz dominującym sposobem kształtowania ich własności przedstawiono schematycznie na rys. 1.
- Stopy umacniane głównie odkształceniowo
Do grupy stopów, których własności kształtowane są przede wszystkim przez odkształcenie plastyczne, należą głównie aluminium technicznie czyste serii 1xxx
oraz stopy serii 3xxx i 5xxx. W przypadku stopów 3xxx i 5xxx już sama obecność pierwiastków stopowych, takich jak mangan lub magnez, powoduje umocnienie roztworowe, dlatego są one wytrzymalsze od czystego aluminium nawet przed intensywną przeróbką plastyczną. Nie uzyskują one jednak wysokiego poziomu wytrzymałości na drodze klasycznego utwardzania wydzieleniowego.
Dalszy wzrost wytrzymałości tych stopów następuje przede wszystkim podczas przeróbki plastycznej na zimno, np. walcowania, ciągnienia lub tłoczenia. Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia rośnie twardość i wytrzymałość materiału, ale jednocześnie maleje jego plastyczność. Dobór stanu materiału jest więc kompromisem pomiędzy wytrzymałością a podatnością do dalszego kształtowania.
Najbardziej miękki i plastyczny jest stan O, uzyskiwany przez wyżarzanie. Stany oznaczane literą H odnoszą się natomiast do materiałów umocnionych odkształceniowo, często dodatkowo częściowo wyżarzonych lub stabilizowanych. Przykładowo blacha ze stopu EN AW-5754 w stanie O będzie dobrze podatna na kształtowanie, natomiast w stanie H będzie miała wyższą wytrzymałość, ale mniejszą zdolność do dalszego odkształcenia.
- Stopy utwardzalne wydzieleniowo
Drugą ważną grupę stanowią stopy, których własności można kształtować przez odpowiednio prowadzoną obróbkę cieplną. Należą do nich przede wszystkim stopy serii 2xxx, 6xxx i 7xxx, czyli odpowiednio układy Al-Cu, Al-Mg-Si oraz Al-Zn-Mg, często
z dodatkiem miedzi. W stopach tych pierwiastki stopowe mogą w podwyższonej temperaturze rozpuszczać się w osnowie aluminium, a następnie – po szybkim chłodzeniu i starzeniu – wydzielać się w postaci bardzo drobnych cząstek lub skupisk atomów. To właśnie one odpowiadają za istotny wzrost wytrzymałości materiału.
Idea obróbki cieplnej polega na przeprowadzeniu materiału przez kilka etapów. Najpierw stop nagrzewa się do temperatury, najczęściej powyżej 500°C, w której składniki stopowe przechodzą do roztworu stałego. Następnie materiał jest szybko chłodzony, aby zachować ten stan w temperaturze otoczenia. Tak otrzymany przesycony roztwór stały jest nietrwały i ulega starzeniu naturalnemu,
a w podwyższonej temperaturze, najczęściej z zakresu 100–200°C, starzeniu sztucznemu. W trakcie starzenia atomy składników stopowych formują wydzielenia, które przy odpowiednio dobranych parametrach zwiększają wytrzymałość stopu. Schematyczny przebieg obróbki cieplnej stopów utwardzalnych wydzieleniowo, obejmujący nagrzewanie do zakresu przesycania, szybkie chłodzenie oraz starzenie naturalne lub sztuczne, przedstawiono na rys. 2.
W praktyce przemysłowej stopy utwardzalne wydzieleniowo występują najczęściej
w stanach oznaczanych literą T, ponieważ ich własności użytkowe są kształtowane przez sekwencję przesycania, chłodzenia i starzenia. Zabiegi te nie zawsze muszą być odrębnymi operacjami technologicznymi. W wielu procesach są częściowo zintegrowane z wytwarzaniem wyrobu, np. gdy szybkie chłodzenie po krystalizacji lub po przeróbce plastycznej na gorąco prowadzi do przesycenia roztworu stałego,
a ciepło resztkowe materiału zostaje wykorzystane do rozpoczęcia procesu starzenia. Znaczenie właściwego doboru temperatury i czasu starzenia sztucznego przedstawiono na rys. 3. Zbyt niska temperatura lub zbyt krótki czas nie pozwalają uzyskać maksimum własności, natomiast zbyt wysoka temperatura albo zbyt długi czas prowadzą do przestarzenia i spadku wytrzymałości stopu.
Stany materiału nie zawsze są swobodnie zamienne. Oznaczenie stanu odnosi się nie tylko do aktualnego poziomu własności, lecz także do przebiegu wcześniejszych operacji technologicznych. Odtworzenie określonego stanu może więc wymagać powtórzenia wcześniejszych etapów procesu, a niekiedy powrotu do wcześniejszego etapu wytwarzania materiału.
- Oznaczenia stanów H i T jako zapis historii technologicznej
W praktyce szczególne znaczenie mają dwie grupy oznaczeń: H, stosowana
dla materiałów umocnionych odkształceniowo, oraz T, stosowana dla stopów obrabialnych cieplnie.
Stany H odnoszą się do wyrobów, których własności ukształtowano przez zgniot, najczęściej podczas walcowania lub ciągnienia na zimno. Przykładowo H14 oznacza materiał umocniony odkształceniowo do poziomu określanego jako półtwardy, natomiast H18 oznacza materiał silnie umocniony, o wysokiej wytrzymałości,
ale mniejszej plastyczności. Jeżeli po zgniocie zastosowano częściowe wyżarzanie, pojawiają się oznaczenia typu H24 lub H26. Oznaczenia H32 lub H34 wskazują natomiast na materiał umocniony odkształceniowo i stabilizowany cieplnie.
Stany T opisują wyroby, których własności zostały ukształtowane przez obróbkę cieplną lub cieplno-mechaniczną. Stan T4 oznacza materiał przesycony i starzony naturalnie, w którym po szybkim chłodzeniu dalsze zmiany strukturalne zachodzą
w temperaturze otoczenia. Stan T5 odnosi się do materiału schłodzonego
z podwyższonej temperatury procesu kształtowania, a następnie sztucznie starzonego. Stan T6 oznacza materiał przesycony i sztucznie starzony, zwykle w celu uzyskania wysokiego poziomu własności wytrzymałościowych. Stan T7 wiąże się
z przestarzeniem, stosowanym niekiedy dla poprawy stabilności własności lub odporności korozyjnej kosztem części wytrzymałości. Stan T8 obejmuje połączenie przesycania, odkształcenia na zimno i starzenia sztucznego.
W praktyce przemysłowej często spotyka się również rozszerzone oznaczenia
np. T651, T6510 lub T6511. Dodatkowe cyfry informują o operacjach uzupełniających, takich jak odprężanie przez kontrolowane rozciąganie albo prostowanie
po odprężaniu. Dokładne znaczenie konkretnego symbolu stanu materiału należy każdorazowo weryfikować w aktualnej wersji normy PN-EN 515.
Dlatego oznaczeń H i T nie należy traktować jako prostych symboli katalogowych.
Są one skrótem informacji o drodze technologicznej materiału. W przypadku stopów umacnianych odkształceniowo najważniejsze są stopień zgniotu i ewentualne wyżarzanie lub stabilizacja. W przypadku stopów utwardzalnych wydzieleniowo kluczowe znaczenie mają przesycanie, szybkość chłodzenia, starzenie
oraz ewentualne operacje odkształcenia lub odprężania.
Literatura
[1] Davis JR. Aluminum and aluminum alloys. W: Davis JR, red. Alloying: understanding the basics. Materials Park (OH): ASM International; 2001. s. 351–416. DOI:10.1361/autb2001p351
