Τα κράματα μαγνησίου χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο σε αεροδιαστημικούς, αυτοκινητιστικούς και βιοϊατρικούς τομείς λόγω της χαμηλής πυκνότητας και της εξαιρετικής αναλογίας αντοχής προς βάρος. Μια κρίσιμη μέτρηση απόδοσης για αυτές τις εφαρμογές είναι η σκληρότητα κατάγματος ⁇ η αντοχή του υλικού στη διάδοση ρωγμών και η ξαφνική αποτυχία. Η σύνθεση κράματος υπαγορεύει έντονα την αντοχή κατάγματος ελέγχοντας την υποκείμενη μικροδομή, συμπεριλαμβανομένου του μεγέθους των κόκκων, της κατανομής φάσεων και των χαρακτηριστικών ιζήματος.

Κατανόηση της θραύσης Σκληρότητα στα κράματα μαγνησίου

Στην γραμμική ⁇ ελαστική μηχανική καταγμάτων, εκφράζεται ως ο κρίσιμος συντελεστής έντασης καταπόνησης K[Ic. Για τα υλικά που παρουσιάζουν σημαντική πλαστικότητα, χρησιμοποιείται η προσέγγιση J ⁇ integral. Μέθοδοι δοκιμής για κράματα μαγνησίου ακολουθούν πρότυπα όπως [ASTM E399] για την αντοχή κατάγματος επιπέδου ⁇ συγκράτησης και ASTM E1820 για ελαστική ⁇ πλαστική σκληρότητα. Οι τιμές που λαμβάνονται εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τη σύνθεση και το ιστορικό επεξεργασίας του κράματος.

Τα κράματα μαγνησίου, που είναι εξαγωνικά κοντά ⁇ συσκευασμένα (HCP), δείχνουν ανισοτροπική συμπεριφορά κατάγματος. Η διάδοση ρωγμών είναι συχνά ευκολότερη στα βασικά επίπεδα, κάνοντας τον έλεγχο της υφής τόσο σημαντικό όσο η σύνθεση.

Σύνθεση Κράματος και Μικροδομή Εξέλιξη

Η χημική σύσταση ενός κράματος μαγνησίου καθορίζει ποιες φάσεις σχηματίζουν, το κλάσμα όγκου τους και πώς κατανέμονται. Τα κοινά στοιχεία κραμάτων περιλαμβάνουν αλουμίνιο, ψευδάργυρο, μαγγάνιο, ζιρκόνιο, και σπάνια στοιχεία γης (RE).

Ρόλος του αργιλίου και του ψευδαργύρου

Το αργίλιο είναι ένα πρωτεύον στοιχείο κραμάτων σε κράματα του εμπορίου όπως το AZ31 (Mg ⁇ 3Al ⁇ 1Zn) και το AZ91 (Mg ⁇ 9Al ⁇ 1Zn). Το αργίλιο αυξάνει την αντοχή με τη σκλήρυνση στερεού διαλύματος και σχηματίζοντας το β ⁇ Mg[[LFT:0]]17Al[12 διαμεταλλική φάση. Ωστόσο, σε υψηλή περιεκτικότητα σε αλουμίνιο (>8 wt%), η φάση β ίζε ως εύθραυστο δίκτυο κατά μήκος των ορίων των σιτηρών, μειώνοντας την αντοχή των καταγμάτων. Ο ψευδάργυρος συνήθως εξευγενίζει το μέγεθος των κόκκων και τροποποιεί τη μορφολογία του Mg17]Al12, βελτιώνοντας σε κάποιο βαθμό την αντοχή του AZ91, οι μέγιστες θερμές επεξεργασίες μπορούν να παράγουν μια λεπτή διασπορά κάμψης που παρεμποδίζουν και σκληρής εξισορρόπησης.

Συμβολή Μαγγάνιου και Ζιρκόνιου

Στα εμπορικά κράματα όπως το AM60, το μαγγάνιο δεν μεταβάλλει σημαντικά τη συμπεριφορά στερεοποίησης αλλά μπορεί να επηρεάσει την καθίζηση των σιδηρομεταλλικών, που επηρεάζουν έμμεσα τη σκληρότητα. Το ζιρκονιό δρα ως ισχυρό διυλιστήριο σιτηρών σε κράματα που δεν περιέχουν αλουμίνιο (αφού το Zr σχηματίζει σταθερές ενώσεις με το Al). Στο ZK60 (Mg ⁇ 6Zn ⁇ 0.5Zr), το ζιρκονιό δημιουργεί μια λεπτή ισομερή δομή σιτηρών που ενισχύει τη σκληρότητα του κατάγματος προωθώντας την εκτροπή ρωγμών και τον περιορισμό της διάδοσης ρωγμών. Το φαινόμενο Hall ⁇ Petch είναι ιδιαίτερα ισχυρό στο μαγνήσιο λόγω των περιορισμένων συστημάτων ολίσθησης του, έτσι η τελειοποίηση των κόκκων συχνά αποφέρει ένα διπλό όφελος από την αυξημένη αντοχή και σκληρότητα.

Σπάνιες ⁇ Στοιχεία της γης

Τα σπάνια στοιχεία γαιών όπως το υττρίδιο (Υ), το νεοδυμίου (Νδ) και το γαδολινείο (Gd) χρησιμοποιούνται σε κράματα μαγνησίου υψηλής απόδοσης, και ιδίως στη σειρά WE (Mg ⁇ Y ⁇ Nd ⁇ Zr). Σχηματίζουν θερμικά σταθερές διαμεταλλικές φάσεις (π.χ., Mg24Y5], Mg5]Gd) και μακράς περιόδου στοιβασίας που παραγγέλθηκαν (LPSO) δομές. Οι φάσεις LPSO είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικές στην παρεμπόδιση της διάδοσης ρωγμών σε θερμοκρασία, επειδή δρουν ως εμπόδια στην κίνηση εξάρθρωσης και στην ανάπτυξη ρωγμών.

Μικροδομικοί Μηχανισμοί που Διοικούν την Κρήμα Σκληρότητα

Η σκληρότητα των κραμάτων μαγνησίου κατάγματος διέπεται από μικροδομικά χαρακτηριστικά που επηρεάζουν τόσο την έναρξη ρωγμής και την εξάπλωση.

Μέγεθος των σιτηρών και η αίθουσα ⁇ Petch Σχέση

Στο HCP μαγνήσιο, αδελφοποίηση είναι μια σημαντική λειτουργία παραμόρφωσης, και μικρότεροι κόκκοι καταστέλλουν αδελφοποίηση, που οδηγεί σε μια πιο ομοιόμορφη πλαστική παραμόρφωση. Ο συντελεστής αποδόσεως ⁇ Petch για μαγνήσιο είναι σχετικά υψηλός (~200 MPa·μm1/2 ), που σημαίνει ότι η τελειοποίηση των σιτηρών από 50 μm έως 10 μm μπορεί να αυξήσει τόσο την αντοχή της απόδοσης όσο και τη σκληρότητα του κατάγματος. Ωστόσο, εξαιρετικά λεπτόκοκκοι (<1 μm) μπορεί να μειώσει την ολκιμότητα αν άλλες φάσεις διαχωρίζονται στα όρια. Ισορροπημένα μεγέθη σιτηρών (5-15 μm) είναι συχνά βέλτιστα για την αντοχή.

Υφή και Ανισοτροπία

Η δομή HCP του μαγνησίου οδηγεί σε μια ισχυρή κρυσταλλογραφική υφή μετά από παραμόρφωση. Σε φύλλα έλασης, τα βασικά επίπεδα ευθυγραμμίζονται παράλληλα με το επίπεδο κύλισης, δημιουργώντας έναν υψηλό συντελεστή Schmid για βασική ολίσθηση. Αυτή η υφή καθιστά το υλικό πιο ευαίσθητο στην διάδοση ρωγμών κατά μήκος της κατεύθυνσης κύλισης. Η σκληρότητα ρωγμής είναι συνήθως υψηλότερη όταν το επίπεδο κρακ είναι προσανατολισμένο κάθετα στη βασική υφή.Ο έλεγχος της υφής μέσω κραμάτων (π.χ., προσθέτοντας στοιχεία RE) μπορεί να τυχαιοποιήσει τον προσανατολισμό των σιτηρών, μειώνοντας την ανισοτροπία και αυξάνοντας την αντοχή. Για παράδειγμα, η προσθήκη υττρίου στα κράματα Mg ⁇ Zn εξασθενεί τη βασική υφή και βελτιώνει τη σκληρότητα στην κατεύθυνση της τρανς ⁇ χύτητας.

Δευτεροβάθμιες φάσεις και διαμεταλλικές

Οι διαμεταλλικές φάσεις έχουν διπλό ρόλο. Τα σπάγκοι, εύθραυστα σωματίδια όπως το Mg[[LFT:0]]17Al12 μπορούν να δράσουν ως ενεργοποιητές ρωγμών λόγω της συγκέντρωσης στρες. Όταν διανέμονται λεπτόλογα και διακριτικά, η ίδια φάση μπορεί να εμποδίσει την ανάπτυξη ρωγμών μέσω μηχανισμών παράκαμψης του Ορόουαν ή προωθώντας την εκτροπή ρωγμών. Οι φάσεις LPSO στα κράματα που περιέχουν RE είναι ιδιαίτερα ευεργετικές επειδή παραμορφώνονται πλαστικά σε κάποιο βαθμό και συνδέονται ισχυρά με τη μήτρα. Αντίθετα, το πυρίτιο ⁇ που περιέχει προσμείξεις όπως το Mg[2]Si είναι ανεπιθύμητοι για την αντοχή του κατάγματος. Ο σχεδιασμός του κράματος πρέπει να στοχεύει στην αντικατάσταση επιβλαβών διαμεταλλικών με ευεργετικές ουσίες επιλέγοντας κατάλληλη σύνθεση και θερμική επεξεργασία.

Επιδράσεις στην επεξεργασία και τη θερμική επεξεργασία

Οι συνθήκες επεξεργασίας μεταβάλλουν τον τρόπο με τον οποίο η σύνθεση του κράματος μεταφράζεται σε μικροδομή. Τα κράματα χυτών έχουν συχνά μεγαλύτερα μεγέθη κόκκων και φάσεις μη-εquilibrium, μειώνοντας τη σκληρότητα και τη σκληρότητα των καταγμάτων. Για την AZ91, μια επεξεργασία T6 στους 415°C ακολουθούμενη από γήρανση στους 200°C αποδίδει μια λεπτή διασπορά β ⁇ Mg[0]]17Al12 εντός των κόκκων και όχι στα όρια, αυξάνοντας την αντοχή των καταγμάτων κατά 20 ⁇ 30%. Οι τεχνικές ταχείας στερεοποίησης (π.χ., τήξη) μπορούν να καταστείλουν τις ανεπιθύμητες φάσεις και να παράγουν νανοκρυσταλλικές δομές με υψηλή σκληρότητα.Η πρόσθετη ύλη κατασκευής κραμάτων μαγνησίου είναι ένα αναδυόμενο πεδίο όπου οι ρυθμοί ψύξης μπορούν να ελεγχθούν με ακρίβεια για τη βελτιστοποίηση της συμπεριφοράς των καταγμάτων.

Συγκριτική θραύση Σκληρότητα των κοινών συστημάτων κραμάτων μαγνησίου

Για να απεικονιστεί η επίδραση της σύνθεσης, παρατίθενται παρακάτω οι τυπικές τιμές σκληρότητας κατάγματος (K[]Ic[[LFT:1]]) για αντιπροσωπευτικά κράματα.

  • AZ31 (Mg ⁇ 3Al ⁇ 1Zn): 15 ⁇ 18 MPa ⁇ m σε κατάσταση που έχει ελαθεί ως ⁇ ⁇ · υψηλότερο προς εγκάρσια κατεύθυνση.
  • AZ91 (Mg ⁇ 9Al ⁇ 1Zn): 10 ⁇ 14 MPa ⁇ m σε μορφή die-cast; έως 18 MPa ⁇ m μετά από θεραπεία με T6.
  • AM60 (Mg ⁇ 6Al ⁇ 0.3Mn): 12 ⁇ 16 MPa ⁇ m· βελτιωμένη ολκιμότητα αλλά μικρότερη αντοχή από AZ91.
  • ZK60 (Mg ⁇ 6Zn ⁇ 0.5Zr): 18 ⁇ 22 MPa ⁇ m σε κατάσταση εξώθησης.
  • WE43 (Mg ⁇ 4Y ⁇ 3RE ⁇ 0.5Zr): 20 ⁇ 25 MPa ⁇ m· διατηρεί τη σκληρότητα σε υψηλές θερμοκρασίες.
  • GW63 (Mg ⁇ 6Gd ⁇ 3Y): 22 ⁇ 28 MPa ⁇ m μετά την γήρανση της κορυφής.

Οι τιμές αυτές δείχνουν ότι τα κράματα που περιέχουν RE παρουσιάζουν γενικά υψηλότερη σκληρότητα κατάγματος από αυτά που βασίζονται στο αλουμίνιο, λόγω λεπτότερων κόκκων, ασθενέστερη υφή, και ευεργετικές φάσεις LPSO.

Μελλοντικές οδηγίες και στρατηγικές σχεδιασμού κραμάτων

Η έρευνα συνεχίζει να ωθεί την σκληρότητα των κραμάτων μαγνησίου πέρα από τα όρια ρεύματος. Μια πολλά υποσχόμενη προσέγγιση είναι η χρήση υψηλής ⁇ εντροπίας ή πολυ-κύριου στοιχείου κράματα μαγνησίου, όπου οι συνεργιστικές επιδράσεις των πολλαπλών προσθηκών RE μπορούν να δημιουργήσουν μοναδικές μικροκατασκευές. Υπολογιστικός σχεδιασμός κραμάτων χρησιμοποιώντας CALPHAD και μηχανική μάθηση επιτρέπει την ταχεία διαλογή των σχέσεων σύνθεσης ⁇ ταχυτητας. Νανοσυμπόσεις προσεγγίσεις, όπως η ενσωμάτωση κεραμικών νανοσωματιδίων (π.χ., SiC, TiB]2]]), μπορούν να ενισχύσουν περαιτέρω τη σκληρότητα των καταγμάτων προωθώντας την εκτροπή ρωγμών και γεφύρωση. Μια άλλη λεωφόρος είναι η ανάπτυξη χύδην μεταλλικών γυαλιών με βάση μαγνήσιο, τα οποία προσφέρουν πολύ υψηλή σκληρότητα αλλά περιορισμένη ολκιμότητα.Ο έλεγχος του περιεχομένου οξυγόνου και ακαθαρσίας βελτιώνει επίσης την αντίσταση κατάγματος: μείωση μη-μεταλλικών συμπεριλήψεων και σιδηροπυριτικών σωματιδίων ⁇ πλούσια σε σωματίδια που εμποδίζουν την πρόωρη μύηση της ρωγμής.

Η ενσωμάτωση της σκληρότητας κατάγματος σε προδιαγραφές κραμάτων γίνεται στάνταρ στην αεροδιαστημική (π.χ., [[LFT:0]]SAE AMS4417[[LPT:1]] για το WE43) και στα κριτήρια αντοχής σε σύγκρουση αυτοκινήτων. Καθώς εντείνονται οι απαιτήσεις για ελαφρύ φωτισμό, τα κράματα μαγνησίου με προσαρμοσμένη σύνθεση θα αντικαταστήσουν βαρύτερα υλικά σε δομικές εφαρμογές, υπό την προϋπόθεση ότι η σκληρότητα κατάγματος πληροί τις απαιτήσεις ασφάλειας.

Συμπέρασμα

Η σύνθεση του κράματος καθορίζει άμεσα την σκληρότητα των κραμάτων μαγνησίου μέσω της επιρροής του στο μέγεθος των κόκκων, την υφή, την κατανομή φάσης και τα χαρακτηριστικά του ιζήματος. Το αλουμίνιο και ο ψευδάργυρος είναι αποτελεσματικά αλλά πρέπει να είναι ισορροπημένοι για να αποφευχθούν τα εύθραυστα δίκτυα.Μαγγάνιο και ζιρκονίου βελτιώνουν τους κόκκους και βελτιώνουν έμμεσα την αντοχή. Σπάνια ⁇ τα στοιχεία της γης προσφέρουν τις πιο συνεπείς βελτιώσεις σχηματίζοντας σταθερές, ολκώδεις ⁇ διαδραστικές φάσεις και τυχαιοποιώντας την υφή. Η επεξεργασία και η θερμική επεξεργασία ρυθμίζουν περαιτέρω αυτές τις επιδράσεις.