ارتقاء خواص مكانيكي و مقاومت بهخوردگي تنشي آلومينيوم 7075 به وسيله نورد و عمليات پيرسازي دو مرحلهاي

حميدرضا فولادفر1، بابك هاشمي2 و موسي يونسي3
مربي، دانشگاه آزاد اسلامي واحد زرقان
استاديار مهندسي مواد، دانشگاه شيراز
دانشجوي كارشناسي ارشد، دانشگاه آزاد اسلامي واحد شهر مجلسي
[email protected]

چكيده
پيرسازي دو مرحلهاي، عمليات حرارتي نويني است كه بر روي آلياژهاي گروه 7000 آلومينيوم و بـهمنظـور افـزايش مقاومـت بـهخـوردگيتنشي و حفظ استحكام بالاي آنها، بهعنوان جايگزين عمليات حرارتي 6T كه منجر بهافت مقاومت بـهSCC ايـن آلياژهـا مـيشـود ، پيـشنهادشدهاست. اين عمليات شامل يك مرحله پيرسازي كوتاه در دماي 200 درجه سانتيگراد پس از كوئنچ، كـوئنچ مجـ ـدد و سـپس پيرســازي بهروش معمول در دماي 120 درجه سانتيگراد، به منظور دستيابي بهتوزيع ريز و پراكنده ذرات فاز ثانويه اسـت . در ايـن تحقيـق بـهبررسـي وبهسازي عمليات حرارتي نوين پيرسازي دو مرحله اي آلومينيوم 7075 پرداخته شده است. انجام يك مرحله نورد سرد پيش از بازگشت و نيـز يك مرحله پيش از پيرسازي مجدد، باعث افزايش همزمان استحكام تا اندازه نمونه 6 Tو مقاومت بـهSCC آليـاژ تـا نمونـه 73T شـد . كـرنشاوليه منجر بهتشكيل بيشتر رسوبات فازη و كرنش نورد دوم باعث شكست رسوبات روي مرز دانه و افزايش سطح مناطق الكترونده گرديـد كه هر دو عامل، كاهش انحلال رسوبات را بههمراه داشته و در نتيجه باعث افزايش مقاومت به SCC شدند.

واژه هاي كليدي:
پيرسازي دو مرحله اي، انحلال آندي، SCC، آلومينيوم 7075.

1- مقدمه
آلياژهاي آلوم ينيوم سر ي 7000 بهعلـت اسـتحكام بـالا و دانـسيتهپ ايين، اس تفاده گ سترده اي در ص نايع ه وايي دارن د [1]. عل ت استحكام بالاي اين آلياژ، توزيـع ريـز و يكنواخـت رسـوبات فـازثـانـوي ـه در شبك ـه اس ت ك ـه ط ـي عم ـليات پي ـرسختي 6T، حـاصل مي شود. مراحـل رسـوبگـذاري از محلـول جامـد فـوقاشباع تا رسوبـات پايدار در اين آلياژ به صورت زير است [2]:
(2Solid solution → GP Zones → ή → η (MgZnمتأسفانه اين گروه در ماكزيمم سختي به دست آمده طي عملياتحرارتي 6T، تا حدود زيادي مقاومت بهخوردگي تنـشي خـود رااز دست مي دهند. رسوب هـاي بـه وجـود آمـده پـس از عمليـاتحرارتي 6T عمدتاً از نوعGP و ή بوده كه عامـل اصـلي افـزايشاستحكام مي باشند [3].
در نمونههاي فرتوت شده با مشخصه 7T كه از مقاومـت بـهSCC كاملاً قابل قبولي برخوردارند، رسوبات بيشتر از نـوع غيرهمبـسته و بزرگ تر از η است كه منجر بهكاهش استحكام بين 10 تا 15% اين نمونهها نسبت بـهنمونـه 6T مـي شـود [4]. تـلاش هـاي زيـاديجهت درك مكانيزمSCC اين آلياژها انجام شـده اسـت و آنچـهمــسلم اســت ماهيــت بــين دانــهاي تــرك SCC و ارتبــاط ايــنخ وردگي ب ا رس وبات روي م رز دان ه GBP و من اطق ع اري از رسوب مجاور مرز دانه PFZ است . هر چه انـدازه رسـوبات رويمرز دانه بزرگتر و فاصله آنها بيشتر باشد مقاومت بـهSCC بـالاتراست [5].
بهمنظور دستيابي بهاين ساختار و ادغام آن با استحكام بـالا، چنـدعملي ات حرارت ي پي شنهاد ش ده اس ت ك ه از آن جمل ه عملي ات بازگشت و پيرسازي مجدد 1 است كه توسـط سـينا2 [6]، در دهـه70 ارائه شد و موفق بهدستيابي بهآلياژي با استحكام نزديك به 6T و مقاومت بهخوردگي تنشي نزديك به 73T شد . اين پروسه شاملآنيل نمونههاي 6T در دماي 240-180 درجه سانتيگراد بهمـدت5 تا 2400 ثانيه بازگشت، كوئنچ در آب و سپس پيرسازي مجددمانند عمليات 6T مي شـد. پـس از بازگـشت، رسـوبات روي مـرز دانه درشت و با فاصله شده و مقاومت بهSCC را بـالا مـي برنـد ودر پيرس ازي مج دد، رس وبات ري ز در ش بكه ت شكيل ش ده واستحكام را بهنمونه 6T نزديك مي كنند.
عمليات ديگري با نام كوئنچ دو مرحلهاي و پيرسازي (SQA) در سال 2007 توسط او3 و همكارانش [7]، پيشنهاد شـد كـه عبـارتاست از كوئنچ آلياژ از دماي محلولسـازي تـا حـدود 230-200 درجه سانتيگراد، توقف به مدت 5 تا 30 ثانيه در اين دما، كوئنچ مجدد و سپس پيرسازي بهشيوه معمول. در اين روش با توقف دردماي بالا، رسوبات درشـت و بـا فاصـله زيـاد تـشكيل شـده و بـاپيرسازي در دمـاي پـايين، رسـوبات ريـز درون دانـه نيـز تـشكيل ميشوند كه در كل منجر بهحصول تركيب مناسبي از استحكام ومقاومت بهSCC خواهنـد بـود. ايـن روش بـهعلـت سـرعت كـلكوئنچ پايين براي آلياژهاي حساس بـهنـر خ كـوئنچ گـروه 7000 مانند 7075 مناسب نيست . عمليات ديگر تحـت عنـوان پيرسـازيدو مرحلهاي توسط وانـگ 4 و همكـاران [8]، بـر روي آلومينيـوم7050 انجام شد كه عبارت بود از اعمال پيشكـرنش 5% پـس ازك وئنچ، پيرس ازي در دم اي 200 درج ه س انتي گ راد ب ا م دت زمانهاي مختلف و سپس كوئنچ و پيرسازي در دماي 120 درجه سانتي گراد به مدت 24 ساعت.
در اين روش طيفي از تركيبهاي استحكام و مقاومـت بـهSCC پديد مي آيد كه هر كدام از جهاتي خواص قابل قبولي دارنـد امـادر هيچكدام خواص T73 SCC و استحكام 6 Tادغام نـشده اسـت.
در اين تحقيق تلاش بر ايـن بـوده تـا بـا ا دغـام كـار مكـانيكي بـاعمليات حرارتي در نمونههـاي تهيـه شـده بـهروش اخيـر، هـر دوخاصيت مقاومت بهSCC و استحكام آلياژ 7075 را تا حـد قابـل ملاحظهاي بهبود ببخشيم.

2- روش تحقيق
آزمايــشات بــر روي يــك ورق بــا ضــخامت mm 6 از آليــاژ آلومينــيوم 7075 و بـا تركي ـــ ب wt % Cu ،0/5 wt % Ti6/1، wt % Zn ،2/5 wt % Mg6/5 انجـام شـد. نمونـه هـا ابتـدا در كوره اي با دماي 470 درجه سانتيگراد و به مدت زمان 3 ساعت،تحـت عمليـات محلـول سـازي 5 قـرار گرفتنـد و تـا دمـاي محـيط ب ه وس يله آب ك وئنچ ش دند . پروس هه اي مختل ف حرارت ي ومك انيكي اعمـال ش ده روي آلي اژ در ج دول (1) نم ايش داده ش دهاس ت. ع لاوه ب ر دو عملي ات حرارت ي معم ول 6T و 73T، تركيبهاي جديدي از عمليات ترمومكانيكي و فرآيند پيرسازيدو مرحله اي نيز بر روي نمونه ها آزمايش شد.
در نامگذاري r1 ،r1Ar2aدر صورت وجود بهمعني درصد كرنش اوليـه،A بـهمعني پيرسـازي بـه مدت 5 دقيقه در دماي 200 درجه سانتيگراد، 2r م ـيزان كـرنش نــورد پـس از پيرســـ ازي اول وa بـهمعني پيرسـازي طبيعـي بـهمـدت 2 روز و سـپس پيرسـازي دردماي 120 درجه سانتي گراد به مدت 24 ساعت مي باشد.

نمونه هـاي تـست كـشش طبـق اسـتانداردASTM B557M و بـاطــول سـ نجه mm25 و سـ طح مقطــع (ضـ خامت × mm6) ماشينكاري و آماده شده و تحـت تـست كـشش يـك بعـدي بـادســتگاه Instron 8802 بــا نــرخ كــ رنش ¹⎯Sec3-10× 2 قــرار گرفتند. اندازهگيري مقاومت بهخـوردگي تنـشي بـه وسـيله تـستك شش ب ا ن رخ ك رنش پ ايين (SSRT) در ه وا و محل ول 5/3% كلريد سديم انجام شد.
نمونههايي مشابه تست كشش با كرنش معمـول، ماشـينكـاري وپوليش شد و با نرخ كرنشي معادل ¹⎯Sec6-10× 3 در دمـاي اتـاق
جدول (1): پروسههاي مختلف انجام شده روي نمونهها.
عنوان عمليات حرارتي
T6 C/24 h ˚120 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
T73 470˚C/3h + كوئنچ در آب + 120˚C/24 h + 160˚C/18 h
A30a C/24 h ˚120 + كرنش %30 + كوئنچ + C/5 min˚200 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
A50a C/24 h ˚120 + كرنش %50 + كوئنچ + C/5 min˚200 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
A70a C/24 h ˚120 + كرنش %70 + كوئنچ + C/5 min˚200 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
5A30a + NA + 120˚C/24 h كرنش %30 + كوئنچ + C/5 min˚200 + پيشكرنش %5 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
5A50a + NA + 120˚C/24 h كرنش %50 + كوئنچ + C/5 min˚200 + پيشكرنش %5 + كوئنچ در آب + C/3h˚470
5A70a + NA + 120˚C/24 h كرنش %70 + كوئنچ + C/5 min˚200 + پيشكرنش %5 + كوئنچ در آب + C/3h˚470

463298-2831165

شكل (1): نتايج تست كشش براي نمونههاي مختلف.
تست شـدند. از ميكروسـكوپ الكترونـي روبـشي بـراي بررسـيسطح شكست و ميكروسكوپ الكترونـي عبـوري بـا مشخـصات(JEOL, TEM 2010 ،200K ،109A) براي بررسـي ريزسـاختاراستفاده شد.

3- نتاي ج و مباحث
ش كل (1) خ واص مك انيكي آلي اژ را پ س از ط ي فرآين دهاي مختلف جدول (1) نشان مي دهد. همان گونه كه مشاهده ميشود، نمونه 73T كاهش استحكام محسوسي را نسبت بهنمونـه 6 Tنـشانمي دهد كه مطابق با نتايج قبلي بررسي شدهاست.
در مورد نمونههاي دو مرحله پيرشده ميتوان دو روند متفاوت راتشخيص داد.
نمونههايي كه تحت 5% كرنش اوليه قرار گرفتـه بودنـد، در كـلاستحكام پايينتري نسبت به نمونه هاي متناظر بـدون كـرنش اوليـهاز خـود نشان دادنـد و در مقـابـل با بالا رفتن كرنش نورد ثانويه،استحكام تسليم و كششي همه نمونهها افزايش يافته است. حضور نابجاييهايـي كه در طي نورد اولــيه بـهوجـــ ود مـيآيـد، منجـربــهجوانهزني مستقيم، ناهمگن و محـدود رسـوبات فـاز پايـدارη بر روي نابجاييها مي شود كه مقدار عنصر آليـاژي حـل شـده درزمينه، براي تشكيل رسـوبات اصـلي اسـتحكامدهنـدهGP وή راكم ميكند [9] (شكل 2- ج و 2- د ). نابجاييهاي ايجاد شده درمرحله دوم نورد نيز ميتوانند نقش مشابهي در كـاهش اسـتحكامآلياژ پس از پيرسازي ثانويه داشته باشند.
1116330-3203094

د

ج

الف

ب

د

ج

الف

ب

شكل (2): تصوير مرز دانه در نمونه هاي الف) ، ب) ، ج) و د) .
5A70a5A50aA50aT6TEM
اما پيرسازي طبيعي نمونهها منجر بهرسوبگذاري همگنتر رو ي مناطقGP بهوجود آمده در دماي پايين شده و از ايجـاد بـيش ازحد رسوبات فاز η بـر روي نابجـاييهـا جلـوگيري مـي كنـد [7].
علاوه بر اين، افزايش استحكام با افزايش كرنش بهدليـل كـرنشسختي بيشتر و نيز بالا رفتن دانسيته نابجاييهـا و در نتيجـه توزيـعبهتر و ريزتر رسوباتη درون زمينه است. جدول (2) نتايج تستSSRT شامل استحكام تسليم، استحكام كششي و درصـد ازديـادطول يكنواخت را براي نمونههاي مختلف نشان مـيدهـد . نـسبتEsol/Eair بهعنوان معيار مقاومت به SCC در نظر گرفته شده كه هرچه اين مقـدار بـه 1 نزديـكتـر باشـد، بـهمفهـوم ايـن اسـت كـه مقاومت بهSCC بالاتر است. نمونه 6T نـسبت بـهديگـر نمونـههـاكمترين نسبتEsol/Eair و در نتيجه كمترين مقاومـت بـهSCC را از خود نشان ميدهـد و نمونـه 73T مطـابق انتظـار از مقاومــت بـهSCC بالايي برخـوردار است. در حالت كلي نمونههايي كه پيشاز پيرســازي اول 5% نــورد شــده بودنــد، بــر خــلاف اســتحكام مكانيكي پايينترشان مقاومت بهSCC بالاتري نسبت بهنمونههاينورد نشده از خود نشان داده اند. يكي از مكـانيزم هـاي خـوردگيمرز دانه در طي SCC تردي هيدروژني است [10].

هيدروژن اتمي محلول در زمينه، براي نفوذ نيازمند مـسيرهايي بـاسرعت نفوذ بالاست و بههمين دليل ميـزان حـضور هيـدروژن درمـ سير پرســرعت مـ رز دانـ ههـ ا بيــشتر اسـ ت . آلبرشـ ت6 و همكارانش [11]، نشان دادند نابجاييهاي متحرك توليد شده درنوك ترك، ميتوانند نقش مـؤثري در بـالا بـردن سـرعت نفـوذهيدروژن درون شبكه ايفا كرده و در نتيجه باعث بالا بـردن نـرخخوردگي شوند.
هيدروژن در برابر رسوبات مانند كاتد عمل كرده و سبب انحلالرسوبات و پيشروي تـركخـوردگي مـيشـود . بـا بـزرگ شـدنرسوبات و تغيير ماهيت آنها ازGP وή بـهη ، لغزشـهاي اطـرافرسوب همگنتر شده و از حالت صفحه اي خارج مـي شـود [12].
نابجاييهاي ايجاد شده در مرحله پيشكـرنش، باعـث بـالا رفـتنسرعت انحلال مناطقGP و رسوبات ή شده و بهتشكيل رسوباتغيرهمبستهη كمـك مـيكنـد . بـا تـشكيل رسـوباتη از مقـدارنابج اييه اي متح رك ك م ش ده و در نتيج ه ب ا ك اهش نف وذهيدروژن، رشد تـركSCC كنـدتر مـيشـود . از طرفـي بـزرگشدنGBP كه نقش آنـد دارد و باعـث كـاهش انحـلال آنــديميشود، نقش مهمي در بهدام انداختن و انباشته كردن هيـدروژناتمي و تبديل آن بهملكولي و در نتيجه جلوگيري از اثر نامطلوبگالوانيكي هيدروژن دارد [13].
جدول (2): نتايج تست SSRT براي نمونههاي مختلف.
UTS (Mpa)
Elongation (%) Treatment In air IN 3.5% NaCl In air IN 3.5% NaCl Esol/Eair
T6 583 576

11/2 7/5 66/9
T73 510 502 10/8 9/9 92
A30a 552 541 11/1 8/4 76
A50a 564 553 11 8/7 79
A70a 586 579 10/7 8/2 77
5A30a 546 538 11/2 8/9 79
5A50a 557 550 11 10/3 94
5A70a 572 563 10/8 9/2 85
كرنش اعمال شده در نورد ثانويه، همـانگونـهكـه در شـكل (2) مشخص است ، منجر بهشكست برخي از رسوبات و نيز كـوچكترشدن منطقهPFZ ميشود كه هر دو اثر بـا افـزايش كـرنش نـوردافزايش مييابند. مقاومت بهSCC با افزايش كرنش نورد تا 50%، افزايش و پس از آن كاهش نشان ميدهد.
شكسته شدن رسوبات، بدون تأثير قابل ملاحظه در كاهش حجـممؤثر رسوبات و جلوگيري از ايفاي نقـش آنهـا بـه عنـوان سـد راههيدروژن، منجر بهافزايش سطح آزاد آند و در نتيجـه كنـد شـدنروند انحلال رسوبات مرز دانه مي شود. علاوه بر ايـن بـا افـزايشكرنش نورد، منطقهPFZ كوچكتر شده و ميزان رسوبات پراكنده كه به صورت غيرهمگن در منـاطق مختلـفPFZ جوانـه زده انـد ، بيشتر ميشود. كوچك شدنPFZ كه قطب الكترونگير و كاتـدمحسوب ميشود، تا اندازهاي بر بالا رفتن مقاومت بهSCC مـؤثراست، اما با بالا رفتن مقدار كرنش از 50%، نتيجه عكـس حاصـل ميشود و كوچكتر شدن مناطقPFZ از يك مقدار بهبعد، منــجربهكاهش نرمي شكست مناطق اطراف رسوب و در نتيجه افـزايشتردي شكست و كاهش مقاومت به SCC مي شود.
شكل (3)، تصاويرSEM سطح مقطع شكست را براي نمونههـايم شابه، ب ا س ه مق دار ك رنش ن ورد متف اوت ن شان م ي ده د. در نمونه هاي 5A30a و 5A50a اثري از تردي خوردگي و يا شكست ترد ديده نميشود و شكست مرز دانه با تغيير فرم پلاستيكي مناطق اطراف رسوب در مرز دانه توأم است، در حاليكه براي نمونه 5A70a تا حدودي سطح مقطع شكست تردتر بهنظر مي رسد. در مجموع نمونه 5A50a تا حدودي مقاومت بهخوردگي بالاتري از نمونه 73T نشان داده در حاليكه خواص مكانيكي كاملاً نزديك بهنمونه 6T دارد.

4- نتيجه گيري
306325-4270639

ج

الف

ب

ج

الف



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید