Go to top

Mechanische Eigenschappen van aluminium Deel 3

Taaiheid


Vroeg werk met betrekking tot de hoogvastere aluminiumlegeringen was voornamelijk gericht op het maximaliseren van de treksterkte-eigenschappen van materiaal voor vliegtuigconstructies. Daarna verschoof de nadruk in de ontwikkeling van legeringen weg van de treksterkte als allesoverheersend kenmerk en werd er meer aandacht geschonken aan het gedrag van legeringen onder de grote verscheidenheid aan omstandigheden die zich bij het dagelijks gebruik voordoen.

Treksterkte beheerst de weerstand tegen breuk als gevolg van mechanische overbelasting maar, in aanwezigheid van scheuren of andere onvolkomenheden, is het de taaiheid, en meer in het bijzonder de breuktaaiheid, van de legering die de belangrijkste parameter wordt. Evenals bij andere metalen neemt de taaiheid van aluminium af als het algehele sterkteniveau wordt verhoogd door te legeren en het geven van een warmtebehandeling. Eisen met betrekking tot een minimum breuktaaiheid worden steeds stringenter en bij de hoogvaste legeringen is het noodzakelijk om een bovengrens te stellen aan het niveau van de rekgrens die veilig kan worden gebruikt door de ontwerper. Scheuruitbreiding in commerciële aluminiumlegeringen vindt plaats via de ductiele, vezelachtige modus die gepaard gaat met de groei en het samenvallen van holtes die ontstaan door scheuring of door decohesie aan het grensvlak met tweede-fasedeeltjes en de matrix (zie afbeelding 10).
De belangrijke metallurgische factoren zijn dan ook:
1.De verdeling van deeltjes die kunnen scheuren.
2.De weerstand van de deeltjes en hun grensvlakken met de matrix tegen splijting en decohesie.
3.De lokale spanningsconcentraties die het samenvallen van holtes versnellen.
 


Afb. 10 Microstructuur van een aluminium gietlegering waarin het scheurpad is beïnvloed door grove siliciumdeeltjes; V = 700X.

Afb. 11 Vlakke-spanning-breuksterkte van commerciële Al-Cu-Mg-plaatlegeringen met uiteenlopende niveaus ijzer en silicium [7].


4.De korrelafmetingen ingeval bij dit samenvallen korrelgrenzen zijn betrokken. De belangrijkste stap in de ontwikkeling van aluminiumlegeringen met sterk verbeterde breuktaaiheid komt van de beheersing van de hoeveelheden verontreinigingselementen ijzer en silicium. Dit effect is weergegeven op afbeelding 11 voor legeringen op basis van het Al-Cu-Mg-systeem en hier valt af te leiden dat vlakke spanningsbreuktaaiheidswaarden kunnen worden verdubbeld door het gehalte aan genoemde elementen beneden 0,5% te houden, vergeleken met overeenkomstige legeringen waarbij deze waarde hoger is dan 1,0%. Een consequentie hiervan is dat een reeks van versies van oudere legeringssamenstellingen met hoge taaiheid commercieel verkrijgbaar is en waarbij de hoeveelheid verontreinigingen is verlaagd. De rol van de submicroscopische uitscheidingen met betrekking tot de taaiheid is complexer omdat ze zowel goede als slechte invloeden kunnen uitoefenen. Voorzover ze rekristallisatie onderdrukken en korrelgroei beperken, zijn ze gunstig. Het effect van deze factoren op een reeks hoogvaste plaatlegeringen op basis van het systeem Al-Zn-Mg-Cu is te zien op afbeelding 12. Fijne, niet-gerekristalliseerde korrels begunstigen een transkristallijne manier van breuk waarbij veel energie wordt geabsorbeerd. Daar staat tegenover dat zulke deeltjes ook als kiemplaats dienen voor microholtes als gevolg van decohesie aan het grensvlak met de matrix, hetgeen kan leiden tot de vorming van vlakken met holtes die zijn gelegen tussen de grotere holtes, welke laatste samengaan met de grove intermetallische verbindingen. In dit opzicht varieert het effect met de verschillende overgangsmetalen en er zijn aanwijzingen die erop duiden dat legeringen die zirkoon bevatten om de korrelvorm te beheersen, beter bestand zijn tegen breuk dan die waaraan chroom of mangaan voor dit doel is toegevoegd. Dit wordt toegeschreven aan het feit dat zirkoon relatief kleine deeltjes vormt van de verbinding ZrAl3, met een diameter van om en nabij 20 nm. Van het fijne precipitaat, dat zich ontwikkelt door verouderingsharding, wordt ook gedacht dat het ten minste twee effecten uitoefent met betrekking tot de taaiheid van aluminiumlegeringen. Het verlaagt de vervorming en verhoogt de taaiheid en er is waargenomen dat, voor gelijke deeltjesuitscheidingen, een legering met een hogere rekgrens een hogere taaiheid bezit.


Afb. 12 Invloed van rekristallisatie en korrelgrootte en korrelvorm van verscheidene legeringen op basis van het Al-Zn-Mg-Cusysteem [8].


Deze fijne deeltjes maken tegelijkertijd dat afschuiving tijdens plastische vervorming een plaatselijker karakter krijgt, met name onder vlakke-spanningscondities, hetgeen leidt tot de ontwikkeling van gebieden voor het scheurfront uit waarin afschuiving optreedt. In deze gebieden wordt de spanning geconcentreerd en kan voortijdige scheuring geven op plaatsen waar zich intermetallische verbindingen bevinden. Dit effect is doorgaans het sterkst bij legeringen die tot maximale hardheid zijn verouderd en het algehele resultaat is een nettoverlies aan taaiheid bij de hoogste sterkteniveaus. Het feit dat taaiheid geen simpel omgekeerd evenredig verloop vertoont met de sterkte van verouderingsgeharde aluminiumlegeringen wordt ook gedemonstreerd door legeringen in de onder- en oververouderde toestand met elkaar te vergelijken. De taaiheid is het hoogst in de onderverouderde toestand en, hoewel er bij oververoudering wel wat herstel van de minimumwaarde, die samenvalt met de pieksterkte, plaatsvindt, doet de aanwezigheid van grovere uitscheidingen voor een deel de winst die het gevolg is van een reductie van de rekgrens, teniet. Dit effect varieert met verschillende legeringen en is met name uitgesproken bij legeringen op basis van het Al-Cu-Mg-systeem ten gevolge van de schadelijke invloed van de relatief grove S’ of S fase-(Al2CuMg) uitscheidingen die ontstaan bij oververoudering. Er is tevens een grotere neiging tot breuk langs de korrelgrenzen naarmate de veroudering voortschrijdt (zie afbeelding 6b).

Afb. 6b Spanningsconcentratie aan korrelgrenstripelpunten als gevolg van uitscheidingsvrije zones [5].
 

Nieuwsbrief

Schrijf u nu in voor onze nieuwsbrief en blijf op de hoogte van alle niet te missen ontwikkelingen in de Aluminium en Roestvast Staal branche.

Velden met een * zijn verplicht