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 30 000 plastů 15 000 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 (2.9.1957 - 30.9.1993)  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 Ti45101660 Al2699660 Mg1739649

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 (1750-1801) Magnezit MgCO 3 narážka na chemické složení Brucit Mg(OH) 2 Archibald Bruce (1777-1818) Karnalit MgCl 2.KCl.xH 2 O Rudolf von Carnall (1804-1874) Kiesserit MgSO 4.H 2 O Dietrich Georg Kieser (1779-1862) Bischofit MgCl 2.6H 2 O Karl Gustav Bischof (1792-1870) 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: 148-171 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. 1925 – IG Farbenindustrie

19 Světová produkce hořčíku na přelomu tisíciletí Země Výroba hořčíku (1000 t) 1996199820002002 USA14211774 Brazílie9999 Kanada425755107 Čína60120195205 Izrael-25 34 Indie11,511 Francie101617- Norsko35495020 Srbsko1324 Ukrajina86210 Rusko51534062 Kazachstán12151015 Celkem371485480541

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...1300 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%% AZ919,20,70,21502507 AM202,00,010,50,019021519 AM504,80,010,30,0112023015 AM605,80,010,30,0113025014 AS212,00,20,21,012522515 AS414,50,20,21,013025015 AE423,80,22,513023012 ZC636,00,22,71252104,0 ZE414,21,21042053,5

27 Hořčíkové slitiny se Zr a vzácnými zeminami Zrhm.%Znhm.%REhm.%Aghm.%Yhm.%  02 MPa  max MPa ff%ff%% EZ330,62,73,31101602 QE220,72,12,51952603 WE430,73,44,01652502 WE540,73,05,21702502

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 AZ91 + 20 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] 698571  LT [MPa] 131613  CTE [MPa] 444843  G [MPa] 15 12  GS [MPa] 1715  OR [MPa] 333  m  max [MPa] 121412  celk [MPa] 173169  exper [MPa] 206195181

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 LA125 350 °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