Mechaniczne i strukturalne aspekty szybkiej krystalizacji wybranych stopów aluminium

• Autorzy: Błaż L. , Kula A.

Warianty tytułu

EN

Mechanical and structural aspects of rapid solidification of selected aluminum alloys

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W przeglądowej formie przedstawiono wyniki dotychczasowych badań szybkokrystalizowanych stopów aluminium, które wykonano w latach 1999–2016 w ramach współpracy naukowo-badawczej Wydziału Metali Nieżelaznych AGH i Nihon University w Tokio. Zastosowanie rozpylania ciekłego stopu na powierzchnię intensywnie chłodzonego walca miedzianego pozwoliło uzyskać cienkie płatki metaliczne, które następnie konsolidowano mechanicznie w procesie prasowania, odgazowania próżniowego i wyciskania. Badano materiały zawierające dodatki stopowe takie, jak Si, Mn, Fe, Ni, Co oraz typowy skład dla wybranych stopów serii 7000 (Mezo10 i Mezo20). Wyróżniono trzy grupy materiałów różniących się trwałością efektu rozdrobnienia składników strukturalnych po szybkiej rekrystalizacji. W warunkach wyżarzania w podwyższonej temperaturze najbardziej stabilne wydzielenia (Si) stwierdzono w stopach RS Al-Si. Stopy RS zawierające metale przejściowe takie, jak Fe, Ni, Mn, Co charakteryzują się umiarkowanie stabilną morfologią wydzieleń, które ulegają bardzo powolnej koagulacji w wysokiej temperaturze, lecz nie osiągają rozmiarów typowych dla materiałów wytwarzanych w technologiach przemysłowych. Stwierdzono, że szybka krystalizacja wymienionych stopów znacząco zwiększa nie tylko własności wytrzymałościowe, ale również plastyczność powyższych stopów. Do trzeciej grupy szybko-krystalizowanych materiałów należą wyroby ze stopów serii 2000, 6000, 7000, które w technologiach przemysłowych poddaje się umocnieniu w procesie starzenia. Pokazano przy-kłady badań strukturalnych i mechanicznych stopów Mezo10 i Mezo20 (seria 7000). Materiały RS wykonane z tych stopów charakteryzują się obecnością wydzieleń o wymiarach 0,5–1,5 µm zawierających podstawowe dodatki stopowe Zn, Mg, Mn. Obecność tych wydzieleń wynika z procesu szybkiej krystalizacji, który nadaje cechy struktury odmienne od przewidywanych zgodnie z wykresem równowagi termodynamicznej.

EN

This review presents the results of studies on rapidly-solidified (RS) aluminum alloys that have been performed during the years 1999-2016 as part of scientific and research cooperation program between the Faculty of Non-ferrous Metals at AGH and Nihon University in Tokyo. The application of liquid alloy spraying onto the intensively cooled and rotating copper cylinder made it possible to obtain thin metallic flakes, which were then consolidated mechanically in the process of pressing, vacuum degasification and extrusion. Materials containing alloying elements such as Si, Mn, Fe, Ni, Co, and selected AA7000series alloys (Mezo10 and Mezo20) were studied. Three groups of materials were distinguished, differing in the persistence of the refinement effect on structural components following rapid recrystallization. Under annealing conditions at elevated temperature, the most stable precipitates (Si) were observed in RS Al-Si alloys. RS alloys containing transitional metals such as Fe, Ni, Mn and Co are characterized by a moderately stable morphology of precipitates, which undergo very slow coarsening at high temperature but do not reach the sizes typical for materials manufactured by industrial technologies. It was found that rapid crystallization of the aforementioned alloys significantly in-creases not only their strength properties but also their plasticity. The third group of rapidly-solidified materials include products made of 2000-, 6000- and 7000-series alloys, which are usually hardened by means of aging process in industrial technologies. Examples of structural and mechanical tests conducted on the Mezo10 and Mezo20 (7000-serie alloys) are shown. RS materials made from these alloys are characterized by the presence of precipitates with sizes of 0.5-1.5 µm, containing basic alloying elements, i.e. Zn, Mg, Mn. The presence of these precipitates arises from the rapid crystallization process, which bestows structural features different from those expected according to the thermo-dynamic equilibrium (phase) diagram.

Słowa kluczowe

PL

szybka krystalizacja; stopy aluminium; rozdrobnienie ziarna; rozdrobnienie wydzieleń; kwazikryształy; wyżarzanie; stabilność struktury

EN

rapid solidification; aluminum alloys; grain refinement; precipitate refinement; quasicrystals; annealing; structural stability

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 1
• Strony: 33--64
• Opis fizyczny: Bibliogr. 51 poz., rys.

Twórcy

autor

Błaż L.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Nauki o Materiałach i Inżynierii Metali Nieżelaznych, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

autor

Kula A.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie, Wydział Metali Nieżelaznych, Katedra Nauki o Materiałach i Inżynierii Metali Nieżelaznych, al. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków, Poland

Bibliografia

• [1] Siwecki T., L. Blaz, S. Pettersson. 1999. „Effect of TMPC Parameters on the Strength Properties in Modified V-Nb-Mo Steels”. Proceedings of The ASM Material Solutions Conference on „Steel for Fabricated Structures” Cincinnati, Ohio, USA, 1-4 November 1999, edit. R.I.Asfahani, R.L.Bodnar, American and Steel Institute: 87–94.
• [2] Siwecki T., L. Blaz, S. Pettersson. 2000. „Improving Properties in V-Nb Microalloyed Steels Modified with Mo”. Mat. konf. 4th Intern. Conf. on HSLA Steels, 2000, Xi`an, China „HSLA STEELS’2000” edit. G.Liu, F.Wang, Z.Wang, H.Zhang, The Chinese Society for Metals, Metallurgical Industry Press: 504–510.
• [3] Nowotnik A., L. Błaż, T. Siwecki. 2005. „Interaction of phase transformation and deformation process during hot deformation of 0.16%C steel”. Defect and Diffusion Forum 237–240: 1240–1245.
• [4] Kumar K.S., H. Van Swygenhoven, S. Suresh. 2003. „Mechanical behavior of nanocrystalline metals and alloys”. Acta Materialia 51: 5743–5774.
• [5] Suryanarayana C. 2012. „Mechanical behavior of emerging materials”. Materials Today 15 (11): 486–498.
• [6] Inoue A. 2000. „Stabilization of metallic supercooled liquid and bulk amorphous alloys”. Acta materialia 48: 279–306.
• [7] Zhang Y. 2008. „Inhomogeneous deformation in metallic Glasses”. Materials Science and Technology 24 (4): 379–391.
• [8] Błaż L., H. Dybiec – praca niepublikowana.
• [9] Motyka M., T. Tokarski, W. Ziaja, M. Wędrychowicz, J. Sieniawski. 2015. „Development of mechanical properties of plastically consolidated RS442 aluminum alloy by heat treatment methods”. Metal Forming 56 (4): 335–342.
• [10] Ziaja W., M. Motyka, T. Tokarski, J. Sieniawski. 2015. „High cycle fatigue strength of plastically consolidated aluminium alloys”. Metal Forming 56 (4): 343-357.
• [11] Trivedi R., F. Jin, I.E. Anderson. 2003. „Dynamical evolution of microstructure in finely atomized droplets of Al-Si alloys:. Acta Materialia 51: 289–300.
• [12] Winiarski B., L. Błaż. 2004. „Quasicrystals in rapid solidified aluminum alloys”. Mat. konf. Materiały i technologie XXI wieku, 165–168. Katowice: Wyd. Politechniki Śląskiej.
• [13] Grushko B., T.Ya. Velikanova. 2004. „Structural Studies of materials, Formation of Quasicristals and Related Structures in Systems of Aluminum with Transition Metals. I. Binary Systems Formed by Aluminum with 3d Metals”. Powder Metallurgy and Metal Ceramics 43 (1–2): 72–86.
• [14] Blaz L., M. Sugamata, G. Wloch, J. Sobota, A. Kula. 2010. „Structure and consolidation of rapidly solidified Meso10 alloy flakes”. Journal of Alloys and Compounds 506: 179–187.
• [15] Sobczak J. 2001. Kompozyty metalowe. Kraków–Warszawa: Instytut Odlewnictwa, Instytut Transportu Samochodowego.
• [16] Kainer K.U. (Ed.). 2006. Metal Matrix Composites; Custom-made Materials for Automotive and Aerospace Engineering. WILEY-VCH.
• [17] Błaż L., Dziadoń A. – dane niepublikowane.
• [18] Kula A., M. Sugamata, J. Kaneko, L. Błaż, G. Włoch, J. Sobota, W. Bochniak. 2008. „Extrusion of rapidly solidified 6061 + 26 wt% Si alloy”. Mat. konf. EMC 2008, S. Richter, A. Schwedt (Eds.) Springer-Verlag Berlin Heidelberg, Materials Science (2): 455–456.
• [19] Blaz L., M. Sugamata, J. Kaneko, J. Sobota, G. Wloch, W. Bochniak, A. Kula. 2009. „Structure and properties of 6061 + 26 mass% Si aluminum alloy produced via coupled rapid solidification and KOBO-extrusion of powder”. Journal of Materials Processing Technology 209: 4329–4336.
• [20] Bochniak W., L. Błaż, A. Korbel. 2010. „Nano Grained Structure in KOBO Extruded Bulk Products”. Journal of Nano Research 10: 11–17.
• [21] Blaz L., P. Lobry, M. Zygmunt-Kiper, J. Koziel, G. Wloch, S. Dymek. 2015. „Strain rate sensitivity of Al-based composites reinforced with MnO2 additions”. Journal of Alloys and Compounds 619: 652–658.
• [22] Bochniak W., K. Marszowski, A. Korbel. 2005. „Theoretical and practical aspects of the production of thin-walled tubes by the KOBO method”. Journal of Materials Processing Technology 30: 44–53.
• [23] Korbel A., W. Bochniak, P. Ostachowski, L. Błaż. 2011. „Visco-Plastic Flow of Metal in Dynamic Conditions of Complex Strain Scheme”. Metallurgical and Materials Transactions A (42A): 2011–2881.
• [24] Pietrowski S. 1997. Siluminy tłokowe. Krzepnięcie metali i stopów. Monografia. Zeszyt 29. Katowice: Wyd. PAN.
• [25] Shechtman D., J. Blech, D. Gratias, J.W. Cahn. 1984. „Metallic Phase with Long-Range orientational order and no translational symmetry”. Physical Review Letters 53 (20): 1951– 1954.
• [26] Saksl K., V. Dalibor, F. Hermann. 2007. „Quasi-crystal–crystal structural transformation in Al–5 wt.%Mn Alloy”. Journal of Materials Science 42: 7198–7201.
• [27] Ranganathan S., K. Chattopadhyay, A. Singh, K.F. Kelton. 1997. „Decagonal Quasicrystals”. Progress in Materials Science 41: 195–240.
• [28] Singh A., S. Ranaganathan, L.A. Bendersky. 1997. „Qusicrystalline phases and their approximants in Al-Mn-Zn alloys”. Acta materialia 45 (12): 5327–5336.
• [29] Kula A., L. Blaz, P. Kusper, M. Sugamata. 2015. „Mechanical and structural characterization of rapidly solidified Al-Fe-Mg alloys”. Solid State Phenomena 231: 11–18.
• [30] Kula A., L. Blaz, P. Lobry. 2016. „Structure and properties studies of rapidly solidified Al-Mn alloys”. Key Engineering Materials 682: 199–204.
• [31] Lobry P., L. Błaż, M. Sugamata, A. Kula. 2011. „Effect of rapid solidification on structure and mechanical properties of Al-6Mn-3Mg alloy”. Archives of Materials Science and Engineering 49 (2): 97–102.
• [32] Zygmunt-Kiper M., L. Blaz, M. Sugamata. 2013. „Effect of magnesium addition and rapid solidification procedure on structural and mechanical properties of Al-Co alloy”. Archives of Metallurgy and Materials 58 (2): 399–406.
• [33] Kula A., L. Blaz, M. Sugamata. 2011. „Microstructure and mechanical properties of rapidly solidified Al-Fe-Ni-Mg alloys”. Materials Science Forum 674: 165–170.
• [34] Kula A., L. Blaz, M. Sugamata. 2012. „Structural and mechanical features of rapidly solidified Al-2Fe-2Ni-5Mg alloy”. Solid State Phenomena 186: 279–282.
• [35] Kula A., L. Blaz, M. Sugamata. 2015. „An analysis of the microstructure and mechanical properties of rapidly solidified Al-1Fe-1Ni-5Mg alloy”. Key Engineering Materials 641: 3–9.
• [36] Kula A., L. Blaz, G. Włoch, M. Sugamata. 2010. „Wpływ szybkiej krystalizacji na strukturę i własności stopu Al-4Fe-4Ni”. Mat. konf. Intern. Conf. AMT Zakopane 2010, Inżynieria Materiałowa 31 (3/2010): 550–553.
• [37] Kula A., M. Sugamata, L. Blaz. 2013. „The effect of rapid solidification on the structure and mechanical properties of Al-Fe-Ni-Mg based alloys”, 2133–2139. Materials Science & Technology International Conf., October 27–31, 2013, Montreal, Quebec Canada, Advanced Manufacturing Technologies.
• [38] Kula A., L. Blaz. 2015. „Structure and properties of aluminum alloys with additions of transition metals produced via coupled rapid solidification and hot extrusion”. Mat. konf. International Conference METAL 2015, Jun 3rd – 5th 2015, Brno, Czech Republic, EU.
• [39] Tokarski T., Ł. Wzorek, H. Dybiec. 2012. „Microstructure and plasticity of hot deformed 5083 aluminum alloy produced by rapid solidification and hot extrusion”. Archives of Metallurgy and Materials 57 (4): 1253–1259.
• [40] De Sanctis M. 1991. „Structure and properties of rapidly solidified ultrahigh strength Al‐Zn‐Mg‐Cu alloys produced by spray deposition”. Materials Science and Engineering A141: 103-121.
• [41] Salamci E., R.F. Cochrane. 2002. „Investigation of secondary phase particles in spray deposited 7000 series aluminium alloys”. Materials Science and Technology 18: 1445–1452.
• [42] Salamci E., R.F. Cochrane. 2003. „Microstructure and mechanical properties of spray deposited and extruded 7000 series aluminium alloys”. Materials Science and Technology 19: 1130–1136.
• [43] Salamci E. 2004. „Calorimetric and transmission electron microscopy studies of spray deposited Al–Zn–Mg–Cu alloys”. Materials Science and Technology 20: 859-863.
• [44] Mallick P.K. 1997. Composites Engineering Handbook. New York, USA: Marcel Dekker, Inc.
• [45] Li H., F. Cao, S. Guo, Y. Jia, D. Zhang, Z. Liu, P. Wang, S. Scudino, J. Sun. 2017. „Effects of Mg and Cu on microstructures and properties of spray-deposited Al-Zn-Mg-Cu alloys”. Journal of Alloys and Compounds 719: 89–96.
• [46] Wang F., B. Xiong, Y. Zhang, B. Zhu, H. Liu, Z. Zhang, Z. Wang. 2007. „Agehardening characteristic of an Al-Zn-Mg-Cu alloy produced by spray deposition”. Rare Metals 26 (2): 163–168.
• [47] Sugamata M., J. Kaneko, H. Fuji, M. Kubota. 2000. „Effect of Mg addition on the structures and mechanical properties of rapidly solidified Al-transition metal alloys”. Materials Science Forum 331–337: 1157–1162.
• [48] Blaz L., M. Sugamata, G. Wloch, J. Sobota, A. Kula. 2008. „Consolidation of rapidly solidified Meso10 alloy powders”. Proceedings of the conference – VI Seminarium naukowe „Zintegrowane studia podstaw deformacji plastycznej metali” PLASTMET’2008, Edit.: Sekcja Procesów Przeróbki Plastycznej Komitetu Metalurgii PAN, Sekcja Mechaniki Materiałów Komitetu Mechaniki PAN.
• [49] Blaz L., M. Sugamata, A. Kula, G. Wloch, J. Sobota. 2012. „Mechanical consolidation of rapidly solidified Meso 20 alloy – structure and mechanical properties”. Journal of Alloys and Compounds 520: 105–113.
• [50] Ishimasa T., Y. Kaneko, H. Kaneko. 2003. „New group of stable icosahedral quasicrystals: structural properties and formation conditions”. Journal of Non-Crystalline Solids 334&335: 1–7.
• [51] Chang H.J., E. Fleury, G.S. Song, W.T. Kim, D.H. Kim. 2004. „Formation of quasicrystalline phases in Al-rich Al–Mn–Be alloys”. Journal of Non-Crystalline Solids 334&335: 12–16.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).