Aliajul de magneziu este din ce în ce mai utilizat în sectoarele aerospațiale, auto și biomedicale, datorită densității scăzute și raportului lor excepțional de rezistență la greutate. Un indicator de performanță critică pentru aceste aplicații este duritatea fracturilor. Rezistența materialului la propagarea fisurării și eșecul brusc. Compoziția pe bază de fosile dictează puternic duritatea fracturilor prin controlul microstructurii subiacente, inclusiv dimensiunea boabelor, distribuția fazelor și caracteristicile precipitate. Înțelegerea acestor relații permite proiectarea aliajelor de magneziu cu o durabilitate sporită și marje de siguranță.

Înțelegerea rugozitatea fracturilor în aliajele de magneziu

Fractura de rezistenta cuantifica capacitatea unui material de a rezista cresterii instabile a fisurilor. In mecanica fracturilor linear-elastice, este exprimata ca factor critic de intensitate a stresului K[Ic. Pentru materialele care prezinta o plasticitate semnificativa, se foloseste abordarea J-integrala. Metodele de testare pentru aliajele de magneziu urmeaza standarde precum ASTM E399 pentru rezistenta la fracturile de tren plan si ASTM E1820 pentru rezistenta elastica. Valorile obtinute depind in mare masura de compozitia aliajurilor si de istoria procesarii.

Aliajul de magneziu, fiind hexagonal strâns ambalat (HCP), prezintă comportament de fractură anizotropică. Propagarea fisurii este adesea mai ușoară pe planuri bazale, făcând controlul texturii la fel de important ca compoziția. O rezistență mare a fracturilor asigură faptul că componentele pot tolera defecte fără eșec catastrofal, în special în structurile critice de siguranță.

Compoziţia aliajului şi evoluţia microstructurală

Compoziţia chimică a unui aliaj de magneziu determină ce faze formează, fracţiunea lor de volum, şi cum sunt distribuite. Elementele comune de aliajare includ aluminiu, zinc, mangan, zirconiu şi elemente rare de pământ (RE). Fiecare influenţează rezistenţa fracturilor prin modificări microstructurale distincte.

Rolul aluminiului și zincului

Aluminumul este un element primar de aliajare în aliaje comerciale, cum ar fi AZ31 (Mg-3Al-1Zn) și AZ91 (Mg-9Al-1Zn). Aluminul crește rezistența prin întărire solidă a soluțiilor și prin formarea rețelei β-Mg17[]Al[[12.Cu toate acestea, la conținut mare de aluminiu (>8 wt%)), faza β precipitată ca rețea fragilă de-a lungul limitelor de cereale, reducând rezistența la fracturi.Zinul de obicei rafinează dimensiunea și modifică morfologia lui Mg 17Al12, îmbunătățind într-o anumită măsură dimensiunea boabelor.În aliajul AZ91, tratamentele termice de vârf pot produce o dispersie fină de precipitații β care împiedică propagarea cracul, echilibrarea și rezistența.

Contribuția manganului și a melasei

Manganul este adăugat în primul rând pentru a îmbunătăți rezistența la coroziune și pentru a forma particule bogate în Mn care controlează structura cerealelor. În aliaje comerciale cum ar fi AM60, manganul nu modifică semnificativ comportamentul de solidificare, dar poate influența precipitațiile de intermetalice care conțin fier, afectând indirect duritatea. melitoza acționează ca un rafinator puternic de cereale în aliaje care nu conțin aluminiu (deoarece Zr formează compuși stabili cu Al). În ZK60 (Mg-6Zn-0.5Zr), zirconiul creează o structură fină echiaxată de cereale care îmbunătățește duritatea fracturilor prin promovarea deformarea fisurării și limitarea propagării fisurilor. Efectul Hall-Petch este deosebit de puternic în magneziu datorită sistemelor sale limitate de alunecare, astfel încât rafinamentul boabelor generează adesea un beneficiu dublu de rezistență și duritate crescută.

Elemente ale Pământului rar

Elementele de pământ rare, cum ar fi Y, Y, Nd, și gadoliniu (Gd) sunt utilizate în aliaje de magneziu de înaltă performanță, în special în seria WE (Mg-Y-Nd-Zr). Ei formează faze intermetalice termosabile stabile (de exemplu, Mg24Y[5, Mg5]Gd] și structuri de stivuire pe termen lung (LPSO) cu o durată lungă de timp.Fazele LPSO sunt deosebit de eficiente la impedarea fisurii deoarece acționează ca bariere în vederea dislocării mișcării și a creșterii fisurii. În WE43, combinația de boabe rafinate și LPSO precipitate oferă o fragilitate de aproximativ 20 țin25 ționare la temperatura camerei, care este ridicată pentru aliajele de magneziu. RE suprimă, de asemenea, formarea β-Mg[LT]17[FLT]mentuperfectualitate de bază:[T]

Mecanisme microstructurale care guvernează duritatea fracturilor

Duritatea fracturii aliajelor de magneziu este guvernată de caracteristici microstructurale care influențează atât inițierea fisurii, cât și propagarea. Factorii cheie includ dimensiunea boabelor, textura, distribuția precipitată și prezența defectelor.

Mărime boabe și sala de Petch Relație

Boabele fine cresc frecvența limitelor de cereale, care acționează ca obstacole în calea dislocării alunecare și propagarea fisurii. În HCP magneziu, înfrățirea este un mod important de deformare, și boabele mai mici suprimă înfrățirea, ducând la o deformare plastică mai uniformă. Coeficientul Hall . Coeficientul Petch pentru magneziu este relativ ridicat (~200 MPa · μm 1/2), ceea ce înseamnă că rafinamentul boabelor de la 50 μm la 10 μm poate crește atât rezistența de randament cât și duritatea fracturilor. Cu toate acestea, boabele extrem de fine (<1 μm) pot reduce ductilitatea dacă alte faze devin neatinse la limite.

Textură și anizotropie

Structura HCP duce la o textura cristalografica puternica dupa deformare. In foi laminate, planurile bazale se aliniază paralel cu planul de rulare, creând un factor mare Schmid pentru alunecare bazala. Această textură face materialul mai susceptibil la propagarea fisura de-a lungul directiei de rulare. Duritatea fracturare este de obicei mai mare atunci când planul fisura este orientat perpendicular pe textura bazala. Controlarea texturii prin aliere (de exemplu, adăugarea de elemente RE) poate randomiza orientarea graurilor, reducerea anizotropiei si cresterea duritatii. De exemplu, adăugarea de thyncuri la aliajele Mg-Zn slăbește textura bazală și îmbunătățește duritatea în direcția trans-tickness.

Faze secundare și intermetalice

Fazele intermetalice au un rol dublu. Particule de tip "coarse," particule fragile, cum ar fi Mg17[Al[12 poate acționa ca inițiatori de fisură din cauza concentrației de stres. Atunci când sunt distribuite fin și discret, aceeași fază poate împiedica creșterea fisurării prin mecanisme de bypass Orowan sau prin promovarea deformarea fisură. Etapele LPSO în aliajele care conțin RE sunt deosebit de benefice, deoarece se deformează plastic într-o anumită măsură și se leagă puternic cu matricea. În schimb, impuritățile care conțin siliciu, cum ar fi Mg2Si sunt nedorite pentru duritatea fracturilor. Designul prin aliaj trebuie să aibă ca scop înlocuirea intermetalicilor dăunătoare cu cele benefice prin selectarea compoziției și tratamentul termic corespunzător.

Efectele prelucrării și tratamentului termic

Condiţiile de prelucrare modifică modul în care compoziţia aliajului se traduce în microstructură. Aliajele turnate au adesea dimensiuni mai mari de cereale şi faze non-echilibrum, reducând rezistenţa fracturilor. Extrudarea şi rularea rafinării boabelor şi desface reţelele fragile, îmbunătăţind rezistenţa. Tratamentele termice, cum ar fi soluţionarea (T4) şi îmbătrânirea (T6/T5) modifică mărimea şi distribuţia precipitatului. Pentru AZ91, un tratament T6 la 415°C, urmat de îmbătrânirea la 200°C, produce o dispersie fină de β-Mg[17[Al12 în boabe, mai degrabă decât la limite, crescând rezistenţa fracturilor cu 20 de secunde. Tehnicile de solidificare rapidă (de exemplu, topirea filare) pot suprima faze nedorite şi produce structuri nanocristaline cu rezistenţă ridicată.

Fractură comparativă Duritatea sistemelor comune de aliaj de magneziu

Pentru a ilustra efectul compoziţiei, valorile tipice de rezistenţă la fracturi (KIc) pentru aliajele reprezentative sunt enumerate mai jos. Aceste valori depind de orientarea de procesare şi testare.

  • AZ31 (Mg-3Al-1Zn): 15
  • AZ91 (Mg-9Al-1Zn): 10
  • AM60 (Mg-6Al-3.3Mn): 12
  • ZK60 (Mg-6Zn‐0.5Zr): 18
  • WE43 (Mg-4Y-3RE-3.5Zr): 20
  • GW63 (Mg-6Gd-3Y): 22;28;

Aceste valori arată că aliajele care conțin RE prezintă în general o rezistență mai mare a fracturilor decât cele pe bază de aluminiu, datorită boabelor fine, texturii mai slabe și fazelor benefice ale LPSO.

Direcții viitoare și strategii de proiectare a aliajelor

Cercetarea continuă să împingă duritatea aliajelor de magneziu dincolo de limitele actuale. O abordare promițătoare este utilizarea aliajelor de magneziu cu elemente multi-principale sau de înaltă intensitate, în cazul în care efectele sinergice ale mai multor completări RE pot crea microstructuri unice. Proiectarea aliajului computerizat prin intermediul CALFAD și învățarea mașinii permite screeningul rapid al relațiilor de rezistență la compoziție. Abordări nanoforice, cum ar fi încorporarea nanoparticulelor ceramice (de exemplu, SiC, TiB2), poate stimula în continuare rezistența fracturilor prin promovarea deformarea și a husei. O altă cale este dezvoltarea ochelarilor metalici cu bază de magneziu, care oferă o rezistență foarte ridicată, dar ductilitate limitată. Controlul conținutului de oxigen și impuritate îmbunătățește, de asemenea, rezistența fracturilor: reducerea includerilor ne-fosile și particulele bogate în fier previne inițierea prematură a crăpăturilor.

Integrarea rezistenţei fracturilor în specificaţiile aliajului devine standard în aerospaţial (de exemplu, SAE AMS4417 pentru WE43) şi pentru automobilele care necesită uşurare se intensifică, aliajele de magneziu cu compoziţie adaptată vor înlocui materialele grele în aplicaţii structurale, cu condiţia ca rezistenţa fracturilor să îndeplinească cerinţele de siguranţă.

Concluzie

Compoziţia de aluminiu determină direct rezistenţa fracturilor aliajelor de magneziu prin influenţa sa asupra dimensiunii cerealelor, texturii, distribuţiei fazelor şi caracteristicilor precipitate. Aluminiul şi zincul sunt eficiente, dar trebuie să fie echilibrate pentru a evita reţelele fragile. Granula şi zirconiul rafinează boabele şi îmbunătăţesc indirect rezistenţa. Elementele de pământ rare oferă cele mai consistente îmbunătăţiri prin formarea unor faze stabile, interdependente şi textura aleatorie. Procesarea şi tratarea termică modulează în continuare aceste efecte. Evoluţiile în curs de elaborare computaţională, formule de înaltă entropie şi nanocompozite promit să împingă duritatea aliajului de magneziu la noi niveluri, permiţând adoptarea mai largă în medii de inginerie solicitante.