(1) Karakteristike aluminijskih legura serije 7xxx
Aluminijske legure serije 7XXx su aluminijske legure sa Zn kao glavnim legirajućim elementom i aluminijske legure koje se mogu toplinski obraditi. Kada se leguri doda Mg, ona postaje legura Al-Zn-Mg. Legura ima dobra svojstva toplinske deformacije i širok raspon kaljenja. Pod odgovarajućim uvjetima toplinske obrade, može dobiti visoku čvrstoću i dobra svojstva zavarivanja. Općenito ima dobru otpornost na koroziju i određenu sklonost koroziji pod naponom. To je zavarljiva aluminijska legura visoke čvrstoće. Al-Zn-Mg-Cu legura je razvijena na bazi Al-Zn-Mg legure dodatkom Cu. Njegova je čvrstoća veća nego kod aluminijskih legura serije 2X. Općenito se naziva legura aluminija ultra-visoke čvrstoće. Granica tečenja legure je blizu vlačne čvrstoće, omjer čvrstoće tečenja je visok, a specifična čvrstoća je također visoka, ali su plastičnost i čvrstoća na visokim temperaturama niske. Pogodan je za nosive konstrukcijske dijelove koji se koriste na sobnoj temperaturi i ispod 120 stupnjeva. Legura se lako obrađuje i ima dobru otpornost na koroziju i visoku žilavost. Ova serija legura ima široku primjenu u području zrakoplovstva i svemirske industrije te je postala jedan od najvažnijih strukturnih materijala u ovom području.
(2) Legirni elementi i elementi nečistoća i njihove funkcije
① Al-Zn-Mg legura Zn i Mg su glavni legirajući elementi u Al-Zn-Mg leguri, a njihov sadržaj općenito nije veći od 7,5%.
Zn i Mg: Kako se sadržaj Zn i Mg u leguri povećava, njezina vlačna čvrstoća i učinak toplinske obrade općenito se povećavaju u skladu s tim. Sklonost legure koroziji pod naprezanjem povezana je sa zbrojem sadržaja Zn i Mg. Za legure s visokim Mg i niskim Zn ili visokim Zn i niskim Mg, sve dok zbroj sadržaja Zn i Mg nije veći od 7%, legura ima dobru otpornost na naponsku koroziju. Sklonost legure nastajanju pukotina uslijed zavarivanja smanjuje se s povećanjem sadržaja Mg.
Tragovi dodanih elemenata u Al-Zn-Mg legurama uključuju Mn, Cr, Cu, Zr i Ti, a glavne nečistoće uključuju Fe i Si.
Mn i Cr: Dodavanje Mn i Cr može poboljšati otpornost legure na naponsku koroziju. Sadržaj Mn je 0,2%~
Na {{0}},4%, učinak je značajan. Učinak dodavanja Cr veći je od dodavanja Mn. Ako se Mn i Cr dodaju u isto vrijeme, učinak smanjenja sklonosti koroziji pod naponom bit će bolji. Odgovarajuća količina dodanog Cr je 0.1%~0.2%.
Zr: Zr može značajno poboljšati zavarljivost A{{0}}Zn-Mg legura. Kada se leguri AlZn5Mg3Cu0.35Cr0.35 doda 0.2% Zr, pukotine nastale zavarivanjem značajno su smanjene. Zr također može povećati konačnu temperaturu rekristalizacije legure. U leguri AlZn4.5Mg1.8Mn0.6, kada je sadržaj Zr viši od 0.2%, konačna temperatura rekristalizacije legure je iznad 500 stupnjeva. Stoga materijal još uvijek zadržava svoju čvrstoću nakon kaljenja. Deformirano tkivo. Dodavanje 0,1% do 0,2% Zr legurama Al-Zn-Mg koje sadrže Mn također može poboljšati otpornost legure na koroziju, ali Zr ima manji učinak od Cr.
Ti: Dodavanje Ti leguri može poboljšati veličinu zrna legure u lijevanom stanju i poboljšati zavarljivost legure, ali je njegov učinak manji od učinka Zr. Ako se Ti i Zr dodaju istovremeno, učinak je bolji. U leguri AlZn5Mg3Cr0.3Cu0.3 sa sadržajem Ti od 0.12%, kada sadržaj Zr prelazi 0.15%, legura ima dobre zavarljivost i istezanje te se može postići isti učinak kao kada se samo doda više od 0.2% Zr. Ti također može povećati temperaturu rekristalizacije legure.
Cu: Dodavanje male količine Cu legurama Al-Zn-Mg može poboljšati otpornost na koroziju na naprezanje i vlačnu čvrstoću. Međutim, zavarljivost legure je smanjena.
Fe: Fe može smanjiti otpornost legure na koroziju i mehanička svojstva, posebno za legure s visokim sadržajem Mn. Stoga bi sadržaj Fe trebao biti što je moguće niži, a njegov sadržaj bi trebao biti ograničen na manje od 0,3%.
Si: Si može smanjiti čvrstoću legure, neznatno smanjiti izvedbu savijanja i povećati sklonost zavarivačkim pukotinama. Sadržaj Si u leguri trebao bi biti ograničen na manje od 0,3%.
② Al-Zn-Mg-Cu legura Al-Zn-Mg-Cu legura je legura koja se može toplinski obraditi. Glavni ojačavajući elementi su Zn i Mg. Cu također ima određeni učinak ojačavanja, ali njegova glavna funkcija je poboljšati otpornost materijala na koroziju.
Zn i Mg: Zn i Mg su glavni elementi za ojačavanje. Kada koegzistiraju, formirat će η (MgZn2) i T (Al2Mg2Zn3) faze. η faza i T faza imaju veliku topljivost u AI i dramatično se mijenjaju s porastom i padom temperature. Topivost MgZn₂ na eutektičkoj temperaturi je 28%, što se smanjuje na 4%~5% na sobnoj temperaturi. Ima snažan učinak jačanja starenja. Povećanje sadržaja Zn i Mg može uvelike poboljšati čvrstoću i tvrdoću, ali će smanjiti plastičnost, otpornost na koroziju na naprezanje i otpornost na lom.
Cu: Kada je Zn/Mg veći od 2,2 i sadržaj Cu veći od Mg, Cu i drugi elementi mogu proizvesti ojačanu S (CuMgAlz) fazu za povećanje čvrstoće legure, ali u suprotnom slučaju, mogućnost postojanje S faze je vrlo malo. Cu može smanjiti potencijalnu razliku između granice zrna i intragranulara, a također može promijeniti faznu strukturu taloga i pročistiti fazu taloga na granici zrna, ali ima mali učinak na širinu zone bez taloženja na granici zrna. Može inhibirati tendenciju intergranularnog pucanja, čime se poboljšava otpornost legure na koroziju. Međutim, kada je sadržaj Cu veći od 3%, otpornost legure na koroziju se pogoršava. Cu može povećati prezasićenost legure, ubrzati proces umjetnog starenja legure između 100 i 200 stupnjeva C, proširiti stabilan temperaturni raspon GP zone i poboljšati vlačnu čvrstoću, plastičnost i čvrstoću na zamor. U području gdje sadržaj Cu nije previsok, otpornost na ciklički zamor od deformacije i žilavost loma povećavaju se s povećanjem sadržaja Cu, a stopa rasta pukotine smanjuje se u korozivnom mediju, ali dodavanje Cu ima tendenciju za stvaranje interkristalne korozije i rupičaste korozije. Učinak Cu na žilavost loma povezan je s omjerom Zn/Mg. Kada je omjer mali, što je veći sadržaj Cu, to je lošija žilavost; kada je omjer velik, čak i ako je sadržaj Cu visok, žilavost je još uvijek vrlo dobra.
Također postoji mala količina elemenata u tragovima kao što su Mn, Cr, Zr, V, Ti, B u leguri. Fe i Si su štetne nečistoće u leguri, a njihove interakcije su sljedeće.
Mn, Cr: Dodavanje male količine prijelaznih elemenata kao što su Mn i Cr ima značajan učinak na strukturu i svojstva legure. Ovi elementi mogu proizvesti raspršene čestice tijekom homogenizacijskog žarenja ingota, spriječiti migraciju dislokacija i granica zrna, čime povećavaju temperaturu rekristalizacije, učinkovito sprječavaju rast zrna, pročišćavaju zrna i osiguravaju da struktura ostane nerekristalizirana ili djelomično rekristalizirana nakon vruća obrada i toplinska obrada, tako da je čvrstoća poboljšana uz bolju otpornost na naponsku koroziju. U smislu poboljšanja otpornosti na naponsku koroziju, dodavanje Cr je bolje od dodavanja Mn.
Zr: Nedavno je prisutan trend zamjene Cr i Mn sa Zr. Zr može znatno povećati temperaturu rekristalizacije legure. Bilo da se radi o vrućoj ili hladnoj deformaciji, nakon toplinske obrade može se dobiti nerekristalizirana struktura. Zr također može poboljšati kaljivost legure, zavarljivost, žilavost loma, otpornost na koroziju itd. Zr je vrlo obećavajući aditivni element u tragovima u legurama Al-Zn-Mg-Cu.
Ti i B: Ti i B mogu pročistiti zrna legure u lijevanom stanju i povećati temperaturu rekristalizacije legure.
Fe i Si: Fe i Si su neizbježne štetne nečistoće u aluminijskim legurama 7XxX, koje uglavnom dolaze iz sirovina, kao i alata i opreme koji se koriste u taljenju i lijevanju. Ove nečistoće uglavnom postoje u obliku tvrdog i lomljivog FeAl: i slobodnog Si. Ove nečistoće također mogu tvoriti grube spojeve kao što su (FeMn)Als, (FeMn)Si2Als, Al(FeMnCr) s Mn i Cr. FeAl3 ima učinak pročišćavanja zrna, ali ima veći utjecaj na otpornost na koroziju. Kako se sadržaj netopljive faze povećava, tako se povećava i volumni udio netopljive faze. Ove netopljive druge faze će se slomiti i izdužiti tijekom deformacije, rezultirajući trakastom strukturom, a čestice su raspoređene u ravnoj liniji duž smjera deformacije. Budući da su čestice nečistoća raspoređene unutar zrna ili na granicama zrna, tijekom plastične deformacije nastaju pore na nekim granicama čestica-matrica, što rezultira mikropukotinama, koje postaju ishodište makropukotina. Osim toga, ima veliki utjecaj na brzinu rasta zamornih pukotina. Ima određeni učinak smanjenja lokalne plastičnosti tijekom razaranja. Povećanje broja nečistoća skraćuje udaljenost između čestica, čime se smanjuje fluidnost plastične deformacije oko vrha pukotine. Budući da je fazu koja sadrži Fe i Si teško otapati na sobnoj temperaturi, ona igra ulogu usjeka i lako postaje izvor pukotina, uzrokujući lomljenje materijala, što ima vrlo nepovoljan učinak na istezanje, osobito na otpornost na lom. legura. Stoga se pri projektiranju i proizvodnji novih legura strogo kontrolira sadržaj Fe i Si. Uz korištenje metalnih sirovina visoke čistoće, tijekom procesa taljenja i lijevanja također se poduzimaju neke mjere kako bi se spriječilo miješanje ova dva elementa u leguru.