Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Superlehké slitiny hořčíku Zdeněk Drozd, KDF MFF UK Slitiny Mg-Li, Mg-Li-Al.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Superlehké slitiny hořčíku Zdeněk Drozd, KDF MFF UK Slitiny Mg-Li, Mg-Li-Al."— Transkript prezentace:

1 Superlehké slitiny hořčíku Zdeněk Drozd, KDF MFF UK Slitiny Mg-Li, Mg-Li-Al

2 Sloupy podpírající lidskou civilizaci - materiály - komunikace - informace

3 Co jsme vytvořili plastů kovových slitin (odhad k roku 2000)

4 Kovy s nimiž se běžně setkáváme převážně slitiny

5 Slitiny mědi: + Zn  mosazi + Ni  mědi-nikly bronzy (Cu + Sn - doba bronzová) + P, + Al, + Si, + Pb,... červený bronz (tzv. umělecký bronz) Cu + Sn + Zn + Pb  sochy, zvony, zpívající fontána Slitiny, které nás obklopují:

6  větší mechanická pevnost  lepší slévárenské vlastnosti  větší tvrdost  lepší tvarovatelnost za studena Proč slitiny a ne čisté kovy?

7 dřívější haléřové mince - hliník ostatní - ocelový kotouček pokrytý: 1, 2, 5 Kč - niklem 10 Kč - mědí 20 Kč - mosazí 50 Kč - ocelové jádro, střed mosaz, obvod měď 1 Kčs ( )  bronz Cu-Al-Mn (91:9:1) MINCE

8 Materiálový výzkum v současnosti Náročné požadavky na nové materiály - malá hmotnost - velká pevnost - dobrá odolnost vůči nepříznivým vlivům vnějšího prostředí - přijatelná cena - dostatečné zásoby surovin pro jejich výrobu - nutnost snížení emisí „skleníkových plynů“ do ovzduší - zpřísnění ekologických požadavků v automobilové a letecké dopravě

9 Lehké kovy  Titan a jeho slitiny  Hliník a jeho slitiny  Hořčík a jeho slitiny  kg/m 3 T t °C Ti Al Mg

10 Titan   izolován před 200 lety (ilmenit, rutil)   poměrně drahý   složitá několikastupňová výroba   tenké oxidové povlaky - duhové efekty (moderní šperky)   odolnost proti korozi   výborné mechanické vlastnosti

11 Titanové slitiny   hustota  = (4 400 – 4 800) kg/m 3   mez kluzu až 1,4 GPa   velká pevnost při vysokých teplotách   vysoká specifická pevnost   výborná odolnost vůči korozi a erozi tvrdými částicemi   dobrá tepelná vodivost - letecké motory (lopatky turbín a kompresorů) - nosné části letadel - až čtvrtina hmotnosti některých vojenských letounů

12 Hliníkové slitiny   dural (náhodný objev v první čtvrtině 20. století)   1916 – první letadla z duralu (Junkers)   1993 – celohliníkový luxusní automobil Audi A8   1997 – na autosalonu ve Frankfurtu nad Mohanem představena studie vozu Audi Al 2 (4 litry benzínu na 100 km jízdy)   jemnozrnné superplastické slitiny

13 Z historie hořčíku 1618 – hořká voda v Epsonu (Anglie) → Epson salt (vyhledávaná léčivá sůl) 1700 – v Římě je z mořské vody vyráběna sůl magnesia alba (obdoba Epson salt) 1755 – Joseph Black → v magnesia alba je sůl nového doposud neznámého kovu 1760 – Andreas Marggraf připravil z hornin nalezených v Sasku krystaly shodné s krystaly Epson salt 1808 – Humprey Davy izoloval z magnesia alba malé množství kovu (nazval jej magnium)

14 Z historie hořčíku 1831 – Antoine Bussy připravil Mg žíháním chloridu hořečnatého v parách draslíku 1833 – Michael Faraday připravil Mg elektrolýzou roztoku chloridu hořečnatého 1852 – Robert Bunsen ověřil v Heidelbergu Faradayův experiment → sestrojil aparaturu pro elektrolytickou výrobu hořčíku

15 Hořčík v přírodě   osmý nejrozšířenější prvek v zemské kůře (2,1 %)   mořská voda (průměrně 1,4 g v 1 litru)   slaná jezera (např. Great Salt Lake v Utahu)   Mrtvé moře   podzemní solné roztoky  v podstatě nevyčerpatelné zásoby

16 Hlavní zdroje hořčíku minerál chemická značka původ názvu Dolomit CaCO 3.MgCO 3 Dieudonné de Dolomieu ( ) Magnezit MgCO 3 narážka na chemické složení Brucit Mg(OH) 2 Archibald Bruce ( ) Karnalit MgCl 2.KCl.xH 2 O Rudolf von Carnall ( ) Kiesserit MgSO 4.H 2 O Dietrich Georg Kieser ( ) Bischofit MgCl 2.6H 2 O Karl Gustav Bischof ( ) Kainit KCl.MgSO 4.3H 2 O z řečtiny – kainos = nový Langbeinit K 2 SO 4.MgSO 4 A. Langbein

17 Některé vlastnosti hořčíku  hustota za pokojové teploty:  = 1,738 g/cm 3  teplota tání při normálním tlaku: t t = 650 °C  teplota varu (normální tlak): t v = 1090 °C  součinitel délkové roztažnosti (RT):  = 26,1·10 -6 K -1  maximální napětí (odlévaný hořčík): 90 MPa  měrná tepelná kapacita (20°C): c p = 1,025 kJ·kg -1 K -1  tepelná vodivost: W·m -1 ·K -1  mez kluzu v tahu (odlévaný Mg): 21 MPa  mez kluzu v tlaku (odlévaný hořčík): 21 MPa  relativní permeabilita:  r = 1,000012

18 První výrobci hořčíku 1886 – Aluminium-Magnesium Fabrik (Hemelingen - Německo) → elektrolýza roztaveného karnalitu 90. léta 19. století – Bitterfeld (poblíž Lipska) → Chemische Fabrik Griesheim Elektron 1895 – Dow Chemical Company (Midland, Michigan) → z podzemních solných roztoků 1916 – spojení německých výrobců → od r – IG Farbenindustrie

19 Světová produkce hořčíku na přelomu tisíciletí Země Výroba hořčíku (1000 t) USA Brazílie9999 Kanada Čína Izrael Indie11,511 Francie Norsko Srbsko1324 Ukrajina86210 Rusko Kazachstán Celkem

20 Dead Sea Magnesium

21 Přednosti a nevýhody hořčíku  malá hustota  (výhledově) nízká cena  (v podstatě) nevyčerpatelné zásoby  dobře tlumí vibrace  malá pevnost  snadno koroduje + -

22 Cesty ke zlepšení vlastností hořčíku  slitiny s jinými kovy  zpevňování vlákny nebo částicemi (keramika, kov)  zmenšování zrna (i → y, , f ) y – mez kluzu;  - deformační napětí; f – lomové napětí (Hall – Petch) d – velikost zrna

23 Z historie hořčíkových slitin   První slitiny: Mg -Al -Zn; Mg -1,5% Mn   1925: ~ 0,2 hm.% Mn zlepšuje korozní odolnost   Hanawalt et. al.: Rychlost koroze roste při překročení obsahu: Ni... 5 ppm Fe …170 ppm Cu ppm

24 1937 Sauerwald et al. :  Přidání Zr zamezuje růstu zrn  Po několika letech - vývoj nové řady Mg slitin: AM503 (Mg-1,5%Zr) ZK61 (Mg-6%Zn-0,8%Zr) HZ11 (Mg-0,6%Zn-0,6%Zr-0,8%Th)

25 poprvé před 100 lety Volkswagen - Brouk - kliková skříň - skříň převodovky Později: První aplikace Mg slitin

26 Komerčně úspěšné hořčíkové slitiny Alhm.%Znhm.%Mnhm.%Sihm.%REhm.%Cuhm.%  02 MPa  max MPa ff%ff%% AZ919,20,70, AM202,00,010,50, AM504,80,010,30, AM605,80,010,30, AS212,00,20,21, AS414,50,20,21, AE423,80,22, ZC636,00,22, ,0 ZE414,21, ,5

27 Hořčíkové slitiny se Zr a vzácnými zeminami Zrhm.%Znhm.%REhm.%Aghm.%Yhm.%  02 MPa  max MPa ff%ff%% EZ330,62,73, QE220,72,12, WE430,73,44, WE540,73,05,

28 Důležité roviny v hcp struktuře bazální prizmatická pyramidální 1. druhu pyramidální 2. druhu

29 Schéma skluzu a dvojčatění deformace skluzem deformace dvojčatěním

30 Skluzové systémy v hcp struktuře bazálníprizmatický pyramidální I pyramidální II

31 Mechanismy plastické deformace hcp kovů  c/a > 1,633 (Zn, Cd) bazální skluz  c/a  1,633 (Mg) RT – bazální skluz vyšší teploty – navíc prizmatický a pyramidální skluz  c/a < 1,633 (Zr, Ti) větší podíl skluzu v prizmatických a pyramidálních rovinách - důležitý je poměr mřížkových parametrů c a a - nejtěsnější uspořádání při

32 Křivky zpevnění  složitá závislost napětí na strukturních parametrech (koncentrace a rozdělení příměsových atomů, velikost zrn, textura, typ struktury,…) kinetická rovnice: strukturní parametry rychlost plastického tečení teplota

33 Plastická deformace polykrystalů  vznik, pohyb a hromadění dislokací v krystalové mříži  deformační zpevnění je určeno vytvořením dislokační struktury, která vytváří napěťové pole, v němž se musí pohybovat dislokace  doposud nebyl nalezen obecný analytický popis křivek napětí-deformace respektující fyzikální procesy  koeficient zpevnění:  - napětí  - deformace

34 Popis plastické deformace - kinetická rovnice: - vývoj dislokační struktury probíhá v závislosti na teplotě, rychlosti deformace, historii vzorku, … - evoluční rovnice:

35 Deformační zpevnění → → s pokračující deformací roste napětí - způsobeno růstem hustoty dislokací  - faktor interakce dislokací G - smykový modul pružnosti b - velikost Burgersova vektoru  - hustota dislokací nakupení dislokací před překážkou zakotvení dislokace dislokacemi lesa

36 Procesy zpevnění a odpevnění  v literatuře popsáno mnoho modelů  Lukáčův – Balíkův model: (a)(b)(c)(d) (a) imobilizace dislokací na nedislokačních překážkách (b) imobilizace dislokací na překážkách dislokačního typu (c) zotavení příčným skluzem s následující anihilací dislokací (d) zotavení šplháním dislokací

37 Skluzové napětí v čistém Mg Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.

38 Tepelně aktivovaný pohyb dislokací Závislost síly, která působí na dislokaci, na poloze dislokace při překonávání lokální překážky  =  aktivační objem V = bLd

39 Vliv Li na kritické skluzové napětí Yoshinaga H., Horiuchi R.: Trans JIM 4 (1963) 134.

40 Vliv různých příměsových atomů na mřížkové parametry a, c Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.

41 Slitiny Mg-Li  Nižší hustota než hustota samotného Mg  Li v Mg  jen malé substituční zpevnění  Legování dalším prvkem (Al, Zn, Si, …) - precipitační zpevnění  Zpevnění kovovými, nebo keramickými vlákny

42 Binární diagram soustavy Mg-Li < 5,5 hm.% Li fáze  > 11 hm.% Li fáze           hexagonální (hcp) kubická prostorově centrovaná (bcc)

43 Slitiny Mg-4Li Mg-4Li-3Al Mg-4Li-5Al Mg-8Li Mg-8Li-3Al Mg-8Li-5Al Mg-12Li Mg-12Li-3Al Mg-12Li-5Al Kompozity Mg-4Li + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-4Li-3Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-4Li-5Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-8Li + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-8Li-3Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-8Li-5Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-12Li + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-12Li-3Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Mg-12Li-5Al + 10 vol.% Al 2 O 3 Zkoumané materiály

44 Výroba slitin → Ústav materiálů a mechaniky strojů SAV tavení a odlévání v indukční vakuové peci Degusa (STU Bratislava) v ocelovém kelímku v ochranné Ar atmosféře po předchozím evakuování → Mg - čistota 99,95 % - VÚK Panenské Břežany → Li - čistota 99 % - Aldrich → Al - čistota 99,95 % - Slovaco, Žiar nad Hronom → technologický postup podle: Kamado S., Kojima Y.: Metal. Sci. Techn. 16 (1998) 45

45 Slitiny Mg-Li při deformaci jednoosým tlakem  -fáze (Mg -4hm.% Li)  -fáze (Mg -12hm.% Li)

46 Charakteristická napětí při deformaci jednoosým tlakem  -fáze (Mg -4hm.% Li)  -fáze (Mg -12hm.% Li)

47 Mikrostruktura výchozího stavu slitin Mg-Li  -fáze (Mg -4hm.% Li)  -fáze (Mg -12hm.% Li)

48 Různé deformační vlastnosti fází (  )Mg-Li a (  )Mg-Li  přechod  →  - růst tažnosti - pokles deformačních napětí  v obou případech - pokles charakteristických napětí s teplotou - s rostoucí teplotou klesá deformační zpevnění Různé vlastnosti jsou důsledkem - různé struktury (hcp, bcc) - větší velikosti zrna v (  )Mg-Li - vysoké difuzivity Li v krychlové struktuře fáze (  )Mg-Li

49 (  )Mg-Li (  )Mg-Li Mikrostruktura výchozího stavu slitiny Mg -8 hm.% Li (  )

50 Deformace slitiny Mg-8%Li (  +  ) - deformace jednoosým tlakem - charakteristická napětí Dvoufázová slitina (  +  )Mg-Li nabízí zajímavou kombinaci vlastností obou fází – velkou deformovatelnost a jenom malé zmenšení deformačních napětí a deformačního zpevnění.

51 Slitiny Mg-Li legované hliníkem Výchozí stav slitiny Mg-8Li-5Al - ve srovnání s binární slitinou Mg-8Li vzrostl podíl fáze 

52 (  )Mg-Li Stabilizace fáze  ve slitině Mg-12%-Li-3%Al

53 Vliv legování hliníkem na napětí na mezi kluzu Vzrůst napětí na mezi kluzu ve slitinách Mg-4%Li legovaných 3% Al a 5% Al

54 Zpevnění ve slitinách Mg-Li-Al → precipitační zpevnění (  )Mg-Li(-Al) – precipitáty Al 2 Li a Mg 17 Al 12 (  )Mg-Li(-Al) – precipitáty Al 2 Li a Mg 17 Al 12 (  )Mg-Li(-Al) - stabilní precipitáty LiAl - submikronové nestabilní precipitáty MgLi 2 Al [hrají roli při RT, rozpadají se při (60-80) °C] (  )Mg-Li(-Al) - stabilní precipitáty LiAl - submikronové nestabilní precipitáty MgLi 2 Al [hrají roli při RT, rozpadají se při (60-80) °C] → stabilizace fáze  hliníkem ve slitinách (  +  )Mg-Li(-Al) a (  )Mg-Li(-Al)

55 Kompozity schéma kompozitu vlákno matrice Příklady mikrostruktury kompozitů s kovovou matricí: hybridní kompozit QE22 AZ obj.% Al 2 O 3

56 Příklady mikrostruktury slitin Mg-Li zpevněných krátkými vlákny Al 2 O 3 Mg -4hm% Li + 10 obj.% Al 2 O 3 Mg -8hm.% Li + 10 obj.% Al 2 O 3

57 Srovnání charakteristických napětí slitin Mg-Li a kompozitů Mg-Li + 10 obj.% krátkých vláken Al 2 O 3

58 Mechanismy zpevnění v kompozitech s kovovou matricí

59 Odhad velikosti jednotlivých příspěvků ke zpevnění kompozitů Mg-4Li + 10% Al 2 O 3 Mg-8Li + 10% Al 2 O 3 Mg-12Li + 10% Al 2 O 3  02 (matrice) [MPa]  LT [MPa]  CTE [MPa]  G [MPa]  GS [MPa] 1715  OR [MPa] 333  m  max [MPa]  celk [MPa]  exper [MPa]

60 Relaxace napětí Postupné relaxační testy  =  i +  * (t)

61 Analýza napěťových relaxací M – kombinovaný modul stroje a vzorku  m – hustota pohyblivých dislokací - střední rychlost dislokací Cíl analýzy → identifikovat tepelně aktivovaný děj  popis NR vyplývající z předpokladu pohybu dislokací za pomoci tepelných fluktuací Gibbsova volná entalpie aktivace (k – Boltzmannova konstanta) - zahrnuje střední délku, kterou projde dislokace během jedné tep. akt. události, frekvenční a geometrický faktor.

62 Analýza napěťových relaxací Tepelně aktivovaný proces lze charakterizovat parametrem napěťové citlivosti plastického tečení n: - parametr n lze určit z experimentu - pomocí n lze vypočítat aktivační objem V nkT = V 

63 Křivky napěťových relaxací v logaritmické reprezentaci Slitina Mg -12 hm.%Li -3 hm.% Al Slitina Mg -8 hm.%Li -3 hm.% Al

64 Aktivační objemy v kompozitech s matricemi Mg -4 hm.% Li – 3(5) hm.% Al Mg -4 hm.% Li -3 hm.% Al + 10 obj.% Al 2 O 3 Mg -4 hm.%Li -5 hm.% Al + 10 obj.% Al 2 O 3

65 Složky aplikovaného napětí aplikované napětí vnitřní napětí efektivní napětí pohyb dislokací v poli překážek dalekého dosahu pohyb dislokací v poli překážek krátkého dosahu (tepelně aktivovaný pohyb)

66 Vnitřní napětí nutné pro deformaci při přenosu napětí z matrice na vlákna nutné pro generaci a pohyb dislokací

67 Přenos napětí z matrice na vlákna  m – napětí na mezi kluzu v matrici L – velikost průmětu délky vlákna do směru aplikovaného napětí d t – velikost průmětu šířky vlákna do směru kolmého ke směru ap. n. f – objemový podíl vláken A – poměr L / d t

68 Složka vnitřního napětí  i D  1 – konstanta  1 – konstanta (interakce mezi dislokacemi) G – modul pružnosti ve smyku b – velikost Burgersova vektoru  t – celková hustota dislokací

69 Metoda použitá pro určení složek aplikovaného napětí Fitování křivek nap. relaxací podle rovnice: parametry fitování J.C.M. Li: Can. J. Appl. Phys. 45 (1967) 493

70 Vnitřní a efektivní napětí (kompozit s matricí Mg -4hm.% Li)

71 Postrelaxační jev c – lokální koncentrace příměsí v jádře na dislokaci c 0 – nominální koncentrace příměsí v matrici  c M – maximální vzrůst koncentrace t 0 – relaxační čas t w – střední doba vyčkávání na úspěšnou aktivaci p = 2/3 resp. 1/3 (podle charakteru difúze) objemová difúze: t 0 ~ 1/D difúze dislokačními jádry: t 0 -1 ~ D  f 3/2  f – hustota dislokací lesa  = (f 1 +f 2 )  c(t w ) f 1 – dislokace-dislokace f 2 – dislokace-příměsové atomy

72 Příklad postrelaxačního zpevnění slitina Mg -4 hm.% Li (RT)

73 LA40 LA43 LA45 Pětiminutové relaxace RT, 50°C RT RT, 50°C

74 Relaxační čas t 0 objemová difúze: t 0 ~ 1/D difúze dislokačními jádry:  f – hustota dislokací lesa

75 střední doba t w ve vztahu k deformační rychlosti b – velikost Burgersova vektoru  m – hustota pohyblivých dislokací  s – střední volná dráha pohyblivých dislokací  s = 1/  f 1/2

76 Elementární plastická deformace připadající na jeden aktivační akt - závisí na velikosti celkové deformace - při určité hodnotě deformace může nabývat lokálního maxima

77 Postrelaxační jev a lokální vzrůst koncentrace příměsí f 1 ~ vzájemné interakce mezi dislokacemi ovlivněné dynamickým deformačním stárnutím f 2 ~ interakce mezi dislokacemi a příměsovými atomy (ovlivněné dynamickým def. stárnutím)

78 -  je úměrné množství příměsí podél dislokačních linií - hustota dislokací roste s rostoucí deformací - koncentrace příměsových atomů je konstantní Od jistého stupně deformace klesá  a klesá t w. Přírůstek napětí po přerušení relaxačního testu by měl od jistého stupně deformace klesat. Shrnutí předchozího

79 Slitina Mg-12Li-5Al (LA125) po tepelném zpracování Deformace jednoosým tlakem při RT (počáteční deformační rychlost 1,7·10 -4 s -1 )

80 Rychlostní závislost tepelně zpracované slitiny LA °C / 1h → voda RT

81 Závěry  Hořčíkové slitiny a kompozity s matricemi z těchto slitin mají vlastnosti, které je předurčují k technickým aplikacím.  V automobilovém, leteckém a elektrotechnickém průmyslu již hořčíkové materiály úspěšně konkurují ostatním materiálům.  Další výzkum hořčíkových materiálů a vývoj jejich aplikací může mít příznivé ekonomické a ekologické důsledky.

82 Očekávané směry výzkumu v blízké budoucnosti  výzkum v oblasti degradace mechanických vlastností slitin Mg-Li, Mg-Li-X a kompozitů na jejich bázi  výzkum v oblasti tepelného zpracování  další výzkum kompozitů na bázi slitin Mg-Li, Mg-Li-X

83 Pane Bože, dej, aby už ten Drozd skončil ! Děkuji za pozornost


Stáhnout ppt "Superlehké slitiny hořčíku Zdeněk Drozd, KDF MFF UK Slitiny Mg-Li, Mg-Li-Al."

Podobné prezentace


Reklamy Google