Aluminium en scheurvormende spanningscorrosie deel 3; 2xxx-legeringen, 5xxx legeringen, 6xxx legeringen, 7xxx legeringen die koper bevatten
7. 2xxx-legeringen
Dikwandige producten van 2xxx-legeringen in de natuurlijk verouderde T3- en T4-tempers bezitten lage rangplaatsen op de SSC-weerstand lijst in de korte-dwarsrichting. Rangschikkingen van dergelijke producten in andere richtingen komen hoger uit, net als rangschikkingen van dunwandige producten in alle richtingen. Deze verschillen hangen samen met de effecten van afschriksnelheid (grotendeels bepaald door wanddikte) op de hoeveelheid uitscheiding die tijdens afschrikken optreedt. Als 2xxx-legeringen in T3- en T4-tempers kortstondig worden verwarmd in het temperatuursinterval dat wordt gebruikt voor kunstmatig verouderen, kan selectieve uitscheiding op de korrelgrenzen of subkorrelgrenzen hun weerstand verder nadelig beïnvloeden. Langduriger verwarmen, zoals gespecificeerd voor T6- en T8-tempers, produceert meer algemene precipitatie en significante verbetering van de weerstand tegen SSC. Uitscheidingen worden gevormd in de korrels op een groter aantal kiemplaatsen gedurende behandeling voor T8-tempers. Deze tempers vereisen strekken, of koudvervormen met andere middelen, na afschrikken vanaf de oplosgloeitemperatuur en voor kunstmatig verouderen.
Deze tempers geven de hoogste weerstand tegen SSC en de hoogste sterkte bij de 2xxx-legeringen. Enkele onderzoeken aan aluminiumkoper- lithiumlegeringen geven aan dat ze hun hoogste weerstand tegen SSC hebben bij of in de buurt van piek-verouderde tempers. Onderverouderen van deze legeringen (bijvoorbeeld 2090) is schadelijk; oververouderen verlaagt hun weerstand slechts licht. De gevoeligheid van de onderverouderde microstructuur wordt wel toegeschreven aan de uitscheiding van een intermetallisch bestanddeel, Al2CuLi, op korrelgrenzen tijdens de vroege stadia van kunstmatig verouderen. Van deze bestanddelen wordt aangenomen dat ze anodisch zijn ten opzichte van de koperrijke matrix van een onderverouderde legering, waardoor er preferentiële oplossing optreedt en SSC. Als de verouderingstijd toeneemt, ontstaan er koperhoudende precipitaten in het binnenste van de korrels, waardoor de verhouding van anodisch en kathodisch oppervlak in de microstructuur stijgt naar een gunstiger waarde die selectieve aantasting van de korrelgrenzen verhindert.
8. 5xxx-legeringen
Deze legeringen worden niet geacht warmtebehandelbaar te zijn en ze ontwikkelen hun sterkte niet door warmtebehandeling. Deze legeringen worden echter verwerkt tot H3-tempers, die een uiteindelijke thermische stabiliseringsbehandeling vergen om zacht worden door verouderen op te heffen, of tot H2-tempers, die een uiteindelijke partiële zachtgloeïng vereisen. De H116- of H117-tempers worden ook gebruikt voor de hoog-mangaan 5xxx-legeringen en ze vereisen speciale temperatuurcontrole tijdens fabricage om te komen tot een microstructuurpatroon van precipitaten dat de weerstand van de legering tegen interkristallijne corrosie en SSC verhoogt. De legeringen van de 5xxx-reeks overspannen een breed traject van magnesiumgehaltes en de tempers die standaard zijn voor elke legering worden voornamelijk bereikt door het magnesiumgehalte en de wenselijkheid van microstructuren die zeer bestand zijn tegen SSC en andere vormen van corrosie. Hoewel de 5xxx-legeringen niet warmtebehandelbaar zijn, ontwikkelen ze goede sterkte via oplosharding als gevolg van achtergebleven magnesium in vaste oplossing, uitscheidingsharding door middel van precipitaten en deformatiehardingseffecten.
Omdat de vaste oplossingen in de hoger-magnesiumhoudende legeringen sterker oververzadigd zijn, heeft de overmaat magnesium de neiging om uit te scheiden in de vorm van Mg2Al3, dat anodisch is ten opzichte van de matrix. Uitscheiding van deze fase, dat met name plaatsvindt op de korrelgrenzen en vrijwel niet binnenin de korrels, kan resulteren in gevoeligheid voor SSC. De waarschijnlijkheid dat er een gevoelige microstructuur ontstaat in een 5xxx-legering hangt af van magnesiumgehalte, korrelstructuur, mate van deformatieharding en daaropvolgende tijd/temperatuurgeschiedenis. Legeringen met betrekkelijke lage magnesiumgehaltes, zoals 5052 (2,5% Mg) en 5454 (2,75% Mg) zijn slechts in lichte mate oververzadigd, met als gevolg dat hun weerstand tegen SSSC niet wordt beïnvloed door blootstelling aan hogere temperaturen. In tegenstelling hiermee kunnen legeringen met magnesiumgehaltes van meer dan 3%, indien in deformatiegeharde tempers, gevoelige structuren ontwikkelen als gevolg van verwarmen of zelfs na zeer lange tijden bij kamertemperatuur. De microstructuur van bijvoorbeeld 50883-O (4,5% Mg) plaat 1% gestrekt (afbeelding 5a) is betrekkelijk vrij van precipitaat (geen continue tweede-fase paden) en het materiaal is niet gevoelig voor SSC. Aanhoudend verwarmen onder de solvus geeft echter wel continue precipitaat, hetgeen resulteert in gevoeligheid (afbeelding 5b). geeft echter wel continue precipitaat, hetgeen resulteert in gevoeligheid (afbeelding 5b).
Afbeelding 5. Microstructuren van 5083-O plaat, 1% gerekt. (a) In gerekte toestand. (b) Na 40 dagen verhitten op 120°C.
9. 6xxx-legeringen
Van de 6xxx-legeringen zijn geen gevallen bekend van SSC. Bij laboratoriumproeven bij hoge spanningen en in agressieve oplossingen, zijn er echter wel gevallen geconstateerd van scheuring in 6xxx-legeringen met hoge gehaltes aan legeringselementen, legeringen die silicium bevatten die de Mg2Si-verhouding te boven gaan en/of hoge koperpercentages bevatten.
10. 7xxx-legeringen die koper bevatten
De 7xxx-legering die het meest en gedurende de langste tijd wordt gebruikt is 7075, een aluminium zink-magnesium- koper-chroomlegering. Geïntroduceerd in 1943, werd deze voor vliegtuigen ontwikkelde legering, uitsluitend gebruikt voor dunwandige secties, voornamelijk plaat en extrusies. Voor deze producten is de afschriksnelheid gewoonlijk zeer hoog en worden er geen trekspanningen aangetroffen in de korte dwarsrichting. Dus is SSC geen probleem voor materiaal in de tempers met de hoogste sterkte (T6). Als 7075 echter werd gebruikt voor producten van grotere afmetingen en wanddikte, dan kwam aan het licht dat zulke producten warmtebehandeld tot T6-tempers vaak onbevredigende resultaten gaven. Werkstukken die door sterke verspaning werden vervaardigd van grote smeedstukken, extrusies of plaat stonden dikwijls bloot aan continue spanningen, die het gevolg waren van slechte passing tijdens assemblage of ten gevolge van belasting tijdens gebruik. Hierdoor ontstonden trekspanningen aan het oppervlak in allerlei ongunstige oriëntaties. Onder zulke omstandigheden kwam SSC in significante regelmaat voor tijdens bedrijf. Een en ander resulteerde in de introductie, rond 1960, van de T73-tempers voor dikwandig 7075-werk. De precipitatiebehandeling die wordt gebruikt om deze tempers te ontwikkelen vereist kunstmatig verouderen in twee stappen, waarbij de tweede stap plaatsvindt bij een hogere temperatuur dan die, welke wordt gebruikt om T6-tempers te produceren. Tijdens het voorstadium kiemt er een fijne zeer dichte precipitaatdispersie, hetgeen gepaard gaat met hoge sterkte. De tweede stap wordt dan gebruikt voor het ontwikkelen van weerstand tegen SSC en exfoliatie. Uitvoerig onderzoek heeft aangetoond dat 7075-T73 SSC weerstaat zelfs als de spanningen zijn gericht in de ongunstigste oriëntatie, bij spanningsniveaus van ten minste 300 MPa. Onder gelijksoortige condities bedraagt de maximum spanning waarbij 7075-T6 nog net niet scheurt ongeveer 50 MPa. De uitstekende resultaten voor 7075-T73 zijn bevestigd door uitgebreide bedrijfservaring met verscheidene toepassingen.
De bijkomende verouderingsbehandeling die is vereist om 7075 een T73- temper te geven, waardoor de legering weerstand ontwikkelt tegen SSC, verlaagt de sterkte tot niveaus onder die van 7075 in T6-tempers. legering 7175, een variant van 7075, is ontwikkeld voor smeedwerk. In de T736-temper, heeft 7175 een sterkte die nagenoeg vergelijkbaar is met die van 7075-T6 en heeft verder een betere weerstand tegen SSC. Andere nieuwere legeringen, zoals 7049 en 7475 die worden gebruikt in de T73-temper en 7050 dat wordt gebruikt in de T736, verenigen hoge sterkte aan zeer hoge weerstand en verbeterde breuksterkte. De T76-tempers, die ook een tweestappen kunstmatige veroudering vereisen en die liggen tussen de T6- en T73-tempers in zowel sterkte als weerstand tegen SSC, zijn ontwikkeld voor koperhoudende 7xxx-legeringen voor bepaalde producten. Tabel 1 geeft een overzicht van de weerstand van de voornoemde legeringen. De verschillen in microstructuur van de T6-, T73- en T76-tempers van deze legeringen zijn verschillen in grootte en type precipitatie. Geen van deze verschillen kan met behulp van optische metallografie worden waargenomen. Zelfs het oplossend vermogen van de transmissie-elektronenmicroscoop is ontoereikend om te kunnen vaststellen of de precipitatiereactie in voldoende mate is verlopen om het verwachte weerstandsniveau voor SSC te verzekeren. Van de koperhoudende 7xxx-legeringen in de T73- en T7-temper worden minimumwaarden voorgeschreven voor de elektrische geleidbaarheid en in sommige gevallen ook dat de rekgrens binnen gespecificeerde waarden ligt.