Superlehké slitiny hořčíku

Superlehké slitiny hořčíku

Zdeněk Drozd, KDF MFF UK

Slitiny Mg-Li, Mg-Li-Al

Sloupy podpírající lidskou civilizaci

- materiály- komunikace- informace

Co jsme vytvořili

30 000 plastů15 000 kovových slitin (odhad k roku 2000)

Kovy s nimiž se běžně setkáváme

převážněslitiny

Slitiny mědi: + Zn mosazi

+ Ni mědi-nikly

bronzy (Cu + Sn - doba bronzová)

+ P, + Al, + Si, + Pb, ...

červený bronz (tzv. umělecký bronz) Cu + Sn + Zn + Pb

sochy, zvony, zpívající fontána

Slitiny, které nás obklopují:

větší mechanická pevnost

lepší slévárenské vlastnosti

větší tvrdost

lepší tvarovatelnost za studena

Proč slitiny a ne čisté kovy?

dřívější haléřové mince - hliník

ostatní - ocelový kotouček pokrytý:

1, 2, 5 Kč - niklem

10 Kč - mědí

20 Kč - mosazí

50 Kč - ocelové jádro, střed mosaz, obvod měď

1 Kčs (2.9.1957 - 30.9.1993) bronz Cu-Al-Mn (91:9:1)

MINCE

Materiálový výzkum v současnostiMateriálový výzkum v současnosti

Náročné požadavky na nové materiály - malá hmotnost- velká pevnost- dobrá odolnost vůči nepříznivým vlivům vnějšího prostředí- přijatelná cena- dostatečné zásoby surovin pro jejich výrobu

- nutnost snížení emisí „skleníkových plynů“ do ovzduší

- zpřísnění ekologických požadavků v automobilové

a letecké dopravě

Lehké kovyLehké kovy

Titan a jeho slitinyTitan a jeho slitiny Hliník a jeho slitinyHliník a jeho slitiny Hořčík a jeho slitinyHořčík a jeho slitiny

kg/m3

TTtt

°C

TiTi 45104510 16601660

AlAl 26992699 660660

MgMg 17391739 649649

TitanTitan

izolován před 200 lety (ilmenit, rutil) poměrně drahý složitá několikastupňová výroba tenké oxidové povlaky

- duhové efekty (moderní šperky) odolnost proti korozi výborné mechanické vlastnosti

Titanové slitinyTitanové slitiny hustota = (4 400 – 4 800) kg/m3

mez kluzu až 1,4 GPa velká pevnost při vysokých teplotách vysoká specifická pevnost výborná odolnost vůči korozi a erozi tvrdými

částicemi dobrá tepelná vodivost

- letecké motory (lopatky turbín a kompresorů)letecké motory (lopatky turbín a kompresorů)- nosné části letadel- nosné části letadel- až čtvrtina hmotnosti některých vojenských letounů- až čtvrtina hmotnosti některých vojenských letounů

Hliníkové slitinyHliníkové slitiny

dural (náhodný objev v první čtvrtině 20. století) 1916 – první letadla z duralu (Junkers) 1993 – celohliníkový luxusní automobil Audi A8 1997 – na autosalonu ve Frankfurtu nad Mohanem

představena studie vozu Audi Al2

(4 litry benzínu na 100 km jízdy)

jemnozrnné superplastické slitiny

Z historie hořčíkuZ historie hořčíku

1618 – hořká voda v Epsonu (Anglie) → Epson salt (vyhledávaná léčivá sůl)1700 – v Římě je z mořské vody vyráběna sůl magnesia alba (obdoba Epson salt)1755 – Joseph Black → v magnesia alba je sůl nového doposud neznámého kovu1760 – Andreas Marggraf připravil z hornin nalezených v Sasku krystaly shodné s krystaly Epson salt1808 – Humprey Davy izoloval z magnesia alba malé množství kovu (nazval jej magnium)

Z historie hořčíkuZ historie hořčíku

1831 – Antoine Bussy připravil Mg žíháním chloridu hořečnatého v parách draslíku1833 – Michael Faraday připravil Mg elektrolýzou roztoku chloridu hořečnatého1852 – Robert Bunsen ověřil v Heidelbergu Faradayův experiment → sestrojil aparaturu pro elektrolytickou výrobu hořčíku

Hořčík v příroděHořčík v přírodě

osmý nejrozšířenější prvek v zemské kůře (2,1 %)

mořská voda (průměrně 1,4 g v 1 litru) slaná jezera

(např. Great Salt Lake v Utahu) Mrtvé moře podzemní solné roztoky

v podstatě nevyčerpatelné zásobyv podstatě nevyčerpatelné zásoby

Hlavní zdroje hořčíkuHlavní zdroje hořčíkuminerálminerál chemická značkachemická značka původ názvupůvod názvu

DolomitDolomit CaCOCaCO33.MgCO.MgCO

33 Dieudonné de Dolomieu (1750-1801)Dieudonné de Dolomieu (1750-1801)

MagnezitMagnezit MgCOMgCO33 narážka na chemické složenínarážka na chemické složení

BrucitBrucit Mg(OH)Mg(OH)22 Archibald Bruce (1777-1818)Archibald Bruce (1777-1818)

KarnalitKarnalit MgClMgCl22.KCl.xH.KCl.xH

22OO Rudolf von Carnall (1804-1874)Rudolf von Carnall (1804-1874)

KiesseritKiesserit MgSOMgSO44.H.H22OO Dietrich Georg Kieser (1779-1862)Dietrich Georg Kieser (1779-1862)

BischofitBischofit MgClMgCl22.6H.6H

22OO Karl Gustav Bischof (1792-1870)Karl Gustav Bischof (1792-1870)

KainitKainit KCl.MgSOKCl.MgSO44.3H.3H

22OO z řečtiny – kainos = novýz řečtiny – kainos = nový

LangbeinitLangbeinit KK22SOSO44.MgSO.MgSO

44 A. LangbeinA. Langbein

Některé vlastnosti hořčíkuNěkteré vlastnosti hořčíku hustota za pokojové teploty: hustota za pokojové teploty: = 1,738 g = 1,738 g/cm/cm33

teplota tání při normálním tlaku: teplota tání při normálním tlaku: tttt = 650 °C = 650 °C teplota varu (normální tlak): teplota varu (normální tlak): ttvv = 1090 °C = 1090 °C součinitel délkové roztažnosti (RT): součinitel délkové roztažnosti (RT): = 26,1 = 26,1··1010-6-6 K K-1-1

maximální napětí (odlévaný hořčík): 90 MPamaximální napětí (odlévaný hořčík): 90 MPa měrná tepelná kapacita (20°C): měrná tepelná kapacita (20°C): ccpp = 1,025 kJ = 1,025 kJ··kgkg-1-1KK-1-1

tepelná vodivost: 148-171 Wtepelná vodivost: 148-171 W··mm-1-1··KK-1-1

mez kluzu v tahu (odlévaný Mg): 21 MPamez kluzu v tahu (odlévaný Mg): 21 MPa mez kluzu v tlaku (odlévaný hořčík): 21 MPamez kluzu v tlaku (odlévaný hořčík): 21 MPa relativní permeabilita: relativní permeabilita: rr = 1,000012 = 1,000012

První výrobci hořčíkuPrvní výrobci hořčíku

1886 – Aluminium-Magnesium Fabrik (Hemelingen - Německo) → elektrolýza roztaveného karnalitu

90. léta 19. století – Bitterfeld (poblíž Lipska) → Chemische Fabrik Griesheim Elektron1895 – Dow Chemical Company (Midland, Michigan) → z podzemních solných roztoků1916 – spojení německých výrobců → od r. 1925 – IG Farbenindustrie

Světová produkce hořčíku na přelomu tisíciletíSvětová produkce hořčíku na přelomu tisíciletí

ZeměVýroba hořčíku (1000 t)

1996 1998 2000 2002

USA 142 117 74 74

Brazílie 9 9 9 9

Kanada 42 57 55 107

Čína 60 120 195 205

Izrael - 25 25 34

Indie 1 1,5 1 1

Francie 10 16 17 -

Norsko 35 49 50 20

Srbsko 1 3 2 4

Ukrajina 8 6 2 10

Rusko 51 53 40 62

Kazachstán 12 15 10 15

Celkem 371 485 480 541

Dead Sea MagnesiumDead Sea Magnesium

Přednosti a nevýhody hořčíkuPřednosti a nevýhody hořčíku

malá hustotamalá hustota (výhledově) nízká cena(výhledově) nízká cena (v podstatě) nevyčerpatelné zásoby(v podstatě) nevyčerpatelné zásoby dobře tlumí vibracedobře tlumí vibrace malá pevnostmalá pevnost snadno korodujesnadno koroduje

++

--

Cesty ke zlepšení vlastností hořčíkuCesty ke zlepšení vlastností hořčíku

slitiny s jinými kovyslitiny s jinými kovy zpevňování vlákny nebo částicemizpevňování vlákny nebo částicemi

(keramika, kov)(keramika, kov) zmenšování zrnazmenšování zrna

210

dkiii

(i → y, , f )

y – mez kluzu; - deformační napětí; f – lomové napětí

(Hall – Petch)(Hall – Petch)

d – velikost zrna

Z historie hořčíkových slitinZ historie hořčíkových slitin

První slitiny: Mg -Al -Zn; Mg -1,5% Mn

1925: ~ 0,2 hm.% Mn zlepšuje korozní odolnost

Hanawalt et. al.: Rychlost koroze roste při překročení obsahu: Ni ... 5 ppm Fe …170 ppm Cu ...1300 ppm

1937

Sauerwald et al. :

Přidání Zr zamezuje růstu zrn

Po několika letech - vývoj nové řady Mg slitin:

AM503 (Mg-1,5%Zr) ZK61 (Mg-6%Zn-0,8%Zr) HZ11 (Mg-0,6%Zn-0,6%Zr-0,8%Th)

poprvé před 100 lety

Volkswagen - Brouk- kliková skříň- skříň převodovky

PozdějiPozději::

První aplikace Mg slitinPrvní aplikace Mg slitin

Komerčně úspěšné hořčíkové slitinyKomerčně úspěšné hořčíkové slitiny

AlAlhm.%hm.%

ZnZnhm.%hm.%

MnMnhm.%hm.%

SiSihm.%hm.%

REREhm.%hm.%

CuCuhm.%hm.%

0202

MPaMPa

maxmax

MPaMPa

ff

%%

AZ91AZ91 9,29,2 0,70,7 0,20,2 150150 250250 77

AM20AM20 2,02,0 0,010,01 0,50,5 0,010,01 9090 215215 1919

AM50AM50 4,84,8 0,010,01 0,30,3 0,010,01 120120 230230 1515

AM60AM60 5,85,8 0,010,01 0,30,3 0,010,01 130130 250250 1414

AS21AS21 2,02,0 0,20,2 0,20,2 1,01,0 125125 225225 1515

AS41AS41 4,54,5 0,20,2 0,20,2 1,01,0 130130 250250 1515

AE42AE42 3,83,8 0,20,2 2,52,5 130130 230230 1212

ZC63ZC63 6,06,0 0,20,2 2,72,7 125125 210210 4,04,0

ZE41ZE41 4,24,2 1,21,2 104104 205205 3,53,5

Hořčíkové slitiny se ZrHořčíkové slitiny se Zra vzácnými zeminamia vzácnými zeminami

ZrZrhm.%hm.%

ZnZnhm.%hm.%

REREhm.%hm.%

AgAghm.%hm.%

YYhm.%hm.%

0202

MPaMPa

maxmax

MPaMPa

ff

%%

EZ33EZ33 0,60,6 2,72,7 3,33,3 110110 160160 22

QE22QE22 0,70,7 2,12,1 2,52,5 195195 260260 33

WE43WE43 0,70,7 3,43,4 4,04,0 165165 250250 22

WE54WE54 0,70,7 3,03,0 5,25,2 170170 250250 22

Důležité roviny v hcp struktuřeDůležité roviny v hcp struktuře

bazální

prizmatická

pyramidální1. druhu

pyramidální 2. druhu

Schéma skluzu a dvojčatěníSchéma skluzu a dvojčatění

deformace skluzemdeformace skluzem deformace dvojčatěnímdeformace dvojčatěním

Skluzové systémy v hcp struktuřeSkluzové systémy v hcp struktuře

0211)1000( 02110110

02111110

bazální prizmatický

pyramidální Ipyramidální II

3211312211

Mechanismy plastické deformace hcp kovůMechanismy plastické deformace hcp kovů

cc//aa >> 1,633 (Zn, Cd) 1,633 (Zn, Cd)bazální skluzbazální skluz

cc//aa 1,633 (Mg) 1,633 (Mg)RT – bazální skluzRT – bazální skluzvyšší teploty – navíc vyšší teploty – navíc prizmatický a pyramidální prizmatický a pyramidální skluzskluz

cc//aa << 1,633 (Zr, Ti) 1,633 (Zr, Ti)větší podíl skluzu v větší podíl skluzu v prizmatických a pyramidálních prizmatických a pyramidálních rovináchrovinách

- důležitý je poměr mřížkových parametrů c a a- nejtěsnější uspořádání při

633,138 ac

Křivky zpevněníKřivky zpevnění

složitá závislost napětí na strukturních složitá závislost napětí na strukturních parametrech parametrech (koncentrace a rozdělení příměsových (koncentrace a rozdělení příměsových atomů, velikost zrn, textura, typ struktury,…)atomů, velikost zrn, textura, typ struktury,…)

kinetická rovnice:

TS ,,

strukturní parametry

rychlost plastického tečení

teplota

Plastická deformace polykrystalůPlastická deformace polykrystalů

vznik, pohyb a hromadění dislokací v krystalové mříživznik, pohyb a hromadění dislokací v krystalové mříži deformační zpevnění je určeno vytvořením dislokační deformační zpevnění je určeno vytvořením dislokační

struktury, která vytváří napěťové pole, v němž se musí struktury, která vytváří napěťové pole, v němž se musí pohybovat dislokacepohybovat dislokace

doposud nebyl nalezen obecný analytický popis křivek doposud nebyl nalezen obecný analytický popis křivek napětí-deformace respektující fyzikální procesynapětí-deformace respektující fyzikální procesy

koeficient zpevnění:koeficient zpevnění:

dd - napětí

- deformace

Popis plastické deformacePopis plastické deformace

T,, - kinetická rovnice:- kinetická rovnice:

- vývoj dislokační struktury probíhá v závislosti - vývoj dislokační struktury probíhá v závislosti na teplotě, rychlosti deformace, historii vzorku, … na teplotě, rychlosti deformace, historii vzorku, …

- evoluční rovnice: - evoluční rovnice: Tf

dd

,,

Deformační zpevněníDeformační zpevnění→→ s pokračující deformací roste napětí - způsobeno růstem hustoty dislokací

Gb - faktor interakce dislokacíG - smykový modul pružnostib - velikost Burgersova vektoru - hustota dislokací

nakupení dislokací před překážkounakupení dislokací před překážkouzakotvení dislokace zakotvení dislokace

dislokacemi lesadislokacemi lesa

Procesy zpevnění a odpevněníProcesy zpevnění a odpevnění

v literatuře popsáno mnoho modelův literatuře popsáno mnoho modelů Lukáčův – Balíkův model:Lukáčův – Balíkův model:

3yyy

DCBA

(a) (b) (c) (d)

(a) imobilizace dislokací na nedislokačních překážkách

(b) imobilizace dislokací na překážkách dislokačního typu

(c) zotavení příčným skluzem s následující anihilací dislokací(d) zotavení šplháním dislokací

Skluzové napětí v čistém MgSkluzové napětí v čistém Mg

Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.

Tepelně aktivovaný pohyb dislokacíTepelně aktivovaný pohyb dislokací

* i

Závislost síly, která působí na Závislost síly, která působí na dislokaci, na poloze dislokace při dislokaci, na poloze dislokace při

překonávání lokální překážkypřekonávání lokální překážky

bLdGG *0

=

aktivační aktivační objemobjem

V V = = bLdbLd

Vliv Li na kritické skluzové napětíVliv Li na kritické skluzové napětí

Yoshinaga H., Horiuchi R.: Trans JIM 4 (1963) 134.Yoshinaga H., Horiuchi R.: Trans JIM 4 (1963) 134.

Vliv různých příměsových atomů na Vliv různých příměsových atomů na mřížkové parametry mřížkové parametry aa, , cc

Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.Kamado S., Kojima J.: Metall. Sci. Technol. 16 (1998) 45.

Slitiny Mg-LiSlitiny Mg-Li

Nižší hustota než hustota samotného MgNižší hustota než hustota samotného Mg Li v Mg Li v Mg jen malé substituční zpevnění jen malé substituční zpevnění Legování dalším prvkem (Al, Zn, Si, …)Legování dalším prvkem (Al, Zn, Si, …)

- precipitační zpevnění- precipitační zpevnění Zpevnění kovovými, nebo keramickými Zpevnění kovovými, nebo keramickými

vláknyvlákny

Binární diagram soustavy Mg-LiBinární diagram soustavy Mg-Li

< 5,5 hm.< 5,5 hm.% Li% Li

fáze fáze

> 11 hm.% Li

fáze

hexagonálníhexagonální(hcp)(hcp)

kubická prostorově kubická prostorově centrovaná (bcc)centrovaná (bcc)

Slitiny Mg-4Li Mg-4Li-3Al Mg-4Li-5Al

Mg-8Li Mg-8Li-3Al Mg-8Li-5Al

Mg-12Li Mg-12Li-3Al Mg-12Li-5Al

Kompozity Mg-4Li + 10 vol.% Al2O3

Mg-4Li-3Al + 10 vol.% Al2O3


Mg-8Li + 10 vol.% Al2O3



Mg-12Li + 10 vol.% Al2O3



Zkoumané materiályZkoumané materiály

Výroba slitinVýroba slitin

→ Ústav materiálů a mechaniky strojů SAVÚstav materiálů a mechaniky strojů SAV tavení a odlévání v indukční vakuové peci tavení a odlévání v indukční vakuové peci Degusa (STU Bratislava) v ocelovém kelímku Degusa (STU Bratislava) v ocelovém kelímku v ochranné Ar atmosféře po předchozím v ochranné Ar atmosféře po předchozím evakuování evakuování→ Mg - čistota 99,95 % - VÚK Panenské BřežanyMg - čistota 99,95 % - VÚK Panenské Břežany→ Li - čistota 99 % - AldrichLi - čistota 99 % - Aldrich→ Al - čistota 99,95 % - Slovaco, Žiar nad HronomAl - čistota 99,95 % - Slovaco, Žiar nad Hronom→ technologický postup podle:technologický postup podle: Kamado S., Kojima Y.: Kamado S., Kojima Y.: Metal. Sci. Techn.Metal. Sci. Techn. 16 (1998) 45 16 (1998) 45

Slitiny Mg-Li při deformaci Slitiny Mg-Li při deformaci jednoosým tlakemjednoosým tlakem

-fáze -fáze (Mg -4hm.% Li)(Mg -4hm.% Li) -fáze -fáze (Mg -12hm.% Li)(Mg -12hm.% Li)

Charakteristická napětí při Charakteristická napětí při deformaci jednoosým tlakemdeformaci jednoosým tlakem

T [ °C ]

0 50 100 150 200

[ M

Pa

]

0

100

200

02

max

T [ °C ]

0 100 200

[ MP

a ]

0

50

100

150

200

max


Mikrostruktura výchozího stavuMikrostruktura výchozího stavuslitin Mg-Lislitin Mg-Li


Různé deformační vlastnosti fázíRůzné deformační vlastnosti fází(()Mg-Li a ()Mg-Li a ()Mg-Li)Mg-Li

přechod přechod → → - růst tažnosti- růst tažnosti- pokles deformačních napětí- pokles deformačních napětí

v obou případechv obou případech- pokles charakteristických napětí s teplotou- pokles charakteristických napětí s teplotou- s rostoucí teplotou klesá deformační zpevnění- s rostoucí teplotou klesá deformační zpevnění

Různé vlastnosti jsou důsledkem- různé struktury (hcp, bcc)- větší velikosti zrna v ()Mg-Li- vysoké difuzivity Li v krychlové struktuře fáze ()Mg-Li

()Mg-Li

()Mg-Li

Mikrostruktura výchozího stavu Mikrostruktura výchozího stavu slitiny Mg -8 hm.% Li (slitiny Mg -8 hm.% Li ( ) )

Deformace slitiny Mg-8%Li (Deformace slitiny Mg-8%Li (++))

- deformace jednoosým tlakem- deformace jednoosým tlakem - charakteristická napětí- charakteristická napětí

Dvoufázová slitina (+)Mg-Li nabízí zajímavou kombinaci vlastností obou fází – velkou deformovatelnost a jenom malé zmenšení deformačních napětí a deformačního zpevnění.

Slitiny Mg-Li legované hliníkemSlitiny Mg-Li legované hliníkem

Výchozí stav slitiny Mg-8Li-5AlVýchozí stav slitiny Mg-8Li-5Al

- ve srovnání s binární slitinou Mg-8Li vzrostl podíl fáze

()Mg-Li

()Mg-Li

()Mg-Li

Stabilizace fáze Stabilizace fáze ve slitině Mg-12%-Li-3%Al ve slitině Mg-12%-Li-3%Al

Vliv legování hliníkem na napětí na mezi kluzuVliv legování hliníkem na napětí na mezi kluzu

Vzrůst napětí na mezi kluzu ve slitinách Vzrůst napětí na mezi kluzu ve slitinách

Mg-4%Li legovaných 3% Al a 5% AlMg-4%Li legovaných 3% Al a 5% Al

Zpevnění ve slitinách Mg-Li-AlZpevnění ve slitinách Mg-Li-Al

→ → precipitační zpevněníprecipitační zpevnění

(()Mg-Li(-Al) – precipitáty Al)Mg-Li(-Al) – precipitáty Al22Li a MgLi a Mg1717AlAl1212

(()Mg-Li(-Al) )Mg-Li(-Al) - stabilní precipitáty LiAl - stabilní precipitáty LiAl - submikronové nestabilní precipitáty MgLi - submikronové nestabilní precipitáty MgLi22Al Al

[[hrají roli při RT, rozpadají se při (60-80) °Chrají roli při RT, rozpadají se při (60-80) °C]]

→ → stabilizace fáze stabilizace fáze hliníkem hliníkem ve slitinách ve slitinách ((++)Mg-Li(-Al))Mg-Li(-Al) a a (()Mg-Li(-Al) )Mg-Li(-Al)

KompozityKompozity

schéma kompozitu

vláknovlákno

matrice

Příklady mikrostruktury Příklady mikrostruktury kompozitů s kovovou matricí:kompozitů s kovovou matricí:

hybridní kompozit QE22

AZ91 + 20 obj.% Al2O3

Příklady mikrostruktury slitin Mg-Li Příklady mikrostruktury slitin Mg-Li zpevněných krátkými vlákny Alzpevněných krátkými vlákny Al22OO33

Mg -4hm% Li + 10 obj.% Al2O3 Mg -8hm.% Li + 10 obj.% Al2O3

Mg4Li

[ M

Pa

]

0

100

200

300

40002 slitina

02 kompozit

max slitina

max kompozit

RT 100 °C 200 °C

Mg8Li

[ M

Pa

]

0

100

200

300

40002 slitina

02 kompozit

max slitina

max kompozit

RT 100 °C 200 °C

Mg12Li

[ M

Pa

]

0

100

200

300

02 slitina

02 kompozit

max slitina

max kompozit

RT 100 °C 200 °C

Srovnání charakteristických napětí slitin Mg-Li Srovnání charakteristických napětí slitin Mg-Li a kompozitů Mg-Li + 10 obj.% krátkých vláken Ala kompozitů Mg-Li + 10 obj.% krátkých vláken Al22OO33

Mechanismy zpevnění Mechanismy zpevnění v kompozitech s kovovou matricív kompozitech s kovovou matricí

Odhad velikosti jednotlivých příspěvků Odhad velikosti jednotlivých příspěvků ke zpevnění kompozitůke zpevnění kompozitů

Mg-4Li + 10% Al2O3

Mg-8Li + 10% Al2O3

Mg-12Li + 10% Al2O3

02 (matrice) [MPa] 69 85 71LT [MPa] 13 16 13

CTE [MPa] 44 48 43G [MPa] 15 15 12

GS [MPa] 17 15OR [MPa] 3 3 3mmax [MPa] 12 14 12

celk [MPa] 173 169

exper [MPa] 206 195 181

Relaxace napětíRelaxace napětí

Postupné relaxační testy = = i i ++ **(t)(t)

Analýza napěťových relaxacíAnalýza napěťových relaxací

M

bvm 1

MM – kombinovaný modul stroje a vzorku – kombinovaný modul stroje a vzorku

mm – hustota pohyblivých dislokací – hustota pohyblivých dislokací

- střední rychlost dislokací- střední rychlost dislokací

kTG exp0

Cíl analýzy Cíl analýzy → identifikovat tepelně aktivovaný děj→ identifikovat tepelně aktivovaný děj popis NR vyplývající z předpokladu pohybu dislokací za popis NR vyplývající z předpokladu pohybu dislokací za pomoci tepelných fluktuací pomoci tepelných fluktuací

Gibbsova volná entalpie aktivaceGibbsova volná entalpie aktivace

((kk – Boltzmannova konstanta) – Boltzmannova konstanta)

- zahrnuje střední délku, kterou projde dislokace během jedné tep.- zahrnuje střední délku, kterou projde dislokace během jedné tep. akt. události, frekvenční a geometrický faktor. akt. události, frekvenční a geometrický faktor.

Analýza napěťových relaxacíAnalýza napěťových relaxací

Tepelně aktivovaný proces lze charakterizovatTepelně aktivovaný proces lze charakterizovatparametrem napěťové citlivosti plastického tečení parametrem napěťové citlivosti plastického tečení nn::

T

n

lnln

- parametr - parametr nn lze určit z experimentulze určit z experimentu -- pomocí pomocí nn lze vypočítat aktivační objem lze vypočítat aktivační objem VV

nkTnkT = = VV

LA83 14 °C

/0

0.7 0.8 0.9 1.0-

[ M

Pa.

s-1 ]

10-2

10-1

100

101

0 = 161.2 MPa

0 = 188.6 MPa

0 = 224.3 MPa

0 = 244.5 MPa

0 = 265.9 MPa

.

LA123 14 °C

/0

0.6 0.7 0.8 0.9 1.0

- [

MP

a.s-1

]

10-2

10-1

100

101

0=167.9 MPa

0=194.9 MPa

0=227.2 MPa

0=258.9 MPa

0=282.6 MPa

..

Křivky napěťových relaxací Křivky napěťových relaxací v logaritmické reprezentaciv logaritmické reprezentaci

Slitina Mg -12 hm.%Li -3 hm.% AlSlitina Mg -12 hm.%Li -3 hm.% Al Slitina Mg -8 hm.%Li -3 hm.% AlSlitina Mg -8 hm.%Li -3 hm.% Al

Aktivační objemy v kompozitech Aktivační objemy v kompozitech s matricemi Mg -4 hm.% Li – 3(5) hm.% Als matricemi Mg -4 hm.% Li – 3(5) hm.% Al

0 [ MPa ]

0 100 200 300

V [

b3 ]

0

100

200

300

25°C50°C100°C150°C200°C

Mg -4 hm.% Li -3 hm.% Al Mg -4 hm.% Li -3 hm.% Al

+ 10 obj.% Al+ 10 obj.% Al22OO33

0 [ MPa ]

100 200 300 400V

[ b

3 ]

0

50

100

150

25°C50°C100°C150°C200°C

Mg -4 hm.%Li -5 hm.% AlMg -4 hm.%Li -5 hm.% Al+ 10 obj.% Al+ 10 obj.% Al22OO33

Složky aplikovaného napětíSložky aplikovaného napětí

i

aplikované napětíaplikované napětí

vnitřní napětívnitřní napětí

efektivní napětíefektivní napětípohyb dislokací v poli pohyb dislokací v poli překážek dalekého dosahupřekážek dalekého dosahu

pohyb dislokací v poli překážek krátkého pohyb dislokací v poli překážek krátkého dosahu (tepelně aktivovaný pohyb)dosahu (tepelně aktivovaný pohyb)

Vnitřní napětíVnitřní napětí

LT Di

nutné pro deformacinutné pro deformacipři přenosu napětípři přenosu napětíz matrice na vláknaz matrice na vlákna

nutné pro generacia pohyb dislokací

Přenos napětí z matrice na vláknaPřenos napětí z matrice na vlákna

ffL

AdLm

tmLT

1

41

mm – napětí na mezi kluzu v matrici – napětí na mezi kluzu v matrici

LL – velikost průmětu délky vlákna do směru aplikovaného napětí – velikost průmětu délky vlákna do směru aplikovaného napětí

ddt t – velikost průmětu šířky vlákna do směru kolmého ke směru ap. n.– velikost průmětu šířky vlákna do směru kolmého ke směru ap. n.

f f – objemový podíl vláken– objemový podíl vláken

AA – poměr – poměr L L / / ddtt

Složka vnitřního napětí Složka vnitřního napětí i iDD

tDi Gb 1

1 1 – konstanta – konstanta (interakce mezi dislokacemi)

GG – modul pružnosti ve smyku – modul pružnosti ve smyku

bb – velikost Burgersova vektoru – velikost Burgersova vektoru

tt – celková hustota dislokací – celková hustota dislokací

Metoda použitá pro určení složek Metoda použitá pro určení složek aplikovaného napětíaplikovaného napětí

Fitování křivek nap. relaxací podle rovnice:Fitování křivek nap. relaxací podle rovnice:

mmi ttma 1

1

01

1

1

parametry fitováníparametry fitování

J.C.M.J.C.M. Li Li: Can. J. Appl. Phys. 45 (1967) 493: Can. J. Appl. Phys. 45 (1967) 493

Vnitřní a efektivní napětíVnitřní a efektivní napětí(kompozit s matricí Mg -4hm.% Li)(kompozit s matricí Mg -4hm.% Li)

Postrelaxační jevPostrelaxační jevp

wM t

tcccc

0

0 exp1

c – lokální koncentrace příměsí v jádře na dislokacic0 – nominální koncentrace příměsí v matricicM – maximální vzrůst koncentracet0 – relaxační častw – střední doba vyčkávání na úspěšnou aktivaci p = 2/3 resp. 1/3 (podle charakteru difúze)

objemová difúze: objemová difúze: tt00 ~ ~ 1/1/DD

difúze dislokačními jádry: difúze dislokačními jádry: tt00-1-1 ~~ DDff

3/23/2

ff – hustota dislokací lesa – hustota dislokací lesa

= (f1+f2)c(tw)

ff11 – dislokace-dislokace – dislokace-dislokace

ff22 – dislokace-příměsové atomy – dislokace-příměsové atomy

Příklad postrelaxačního zpevněníPříklad postrelaxačního zpevnění

slitina Mg -4 hm.% Li (RT)slitina Mg -4 hm.% Li (RT)

LA40

LA43

LA45

Pětiminutovérelaxace

RT, 50°C

RT

RT, 50°C

Relaxační čas t0

objemová difúze: t0 ~ 1/D

difúze dislokačními jádry:

23

0

1fD

t

f – hustota dislokací lesa

střední doba tw ve vztahu k deformační rychlosti

ww

sm

ttb

b – velikost Burgersova vektoru

m – hustota pohyblivých dislokací

s – střední volná dráha pohyblivých dislokací

s = 1/f1/2

Elementární plastická deformacepřipadající na jeden aktivační akt

f

mb

- závisí na velikosti celkové deformace

- při určité hodnotě deformace může nabývat lokálního maxima

Postrelaxační jev a lokální vzrůstkoncentrace příměsí

wtcff 21

f1 ~ vzájemné interakce mezi dislokacemi ovlivněné dynamickým deformačním stárnutím

f2 ~ interakce mezi dislokacemi a příměsovými atomy (ovlivněné dynamickým def. stárnutím)

- je úměrné množství příměsí podél dislokačních linií

- hustota dislokací roste s rostoucí deformací

- koncentrace příměsových atomů je konstantní

Od jistého stupně deformace klesá a klesá tw.

Přírůstek napětí po přerušení relaxačního testu by měl od jistého stupně deformace klesat.

Shrnutí předchozíhoShrnutí předchozího

Slitina Mg-12Li-5Al (LA125)Slitina Mg-12Li-5Al (LA125)po tepelném zpracování po tepelném zpracování

LA125 RT

0.0 0.1 0.2 0.3 0.4

[ M

Pa

]

0

100

200

300

nežíhaný vzorek

350°C/1h - voda RT

Deformace jednoosým tlakem při RT Deformace jednoosým tlakem při RT (počáteční deformační rychlost 1,7(počáteční deformační rychlost 1,7··1010-4-4 s s-1-1))

Rychlostní závislost tepelně Rychlostní závislost tepelně zpracované slitiny LA125zpracované slitiny LA125

350 °C / 1h 350 °C / 1h → voda RT→ voda RT

ZávěryZávěry

Hořčíkové slitiny a kompozity s matricemi Hořčíkové slitiny a kompozity s matricemi z těchto slitin mají vlastnosti, které je předurčují z těchto slitin mají vlastnosti, které je předurčují k technickým aplikacím.k technickým aplikacím.

V automobilovém, leteckém a elektrotechnickém V automobilovém, leteckém a elektrotechnickém průmyslu již hořčíkové materiály úspěšně průmyslu již hořčíkové materiály úspěšně konkurují ostatním materiálům.konkurují ostatním materiálům.

Další výzkum hořčíkových materiálů a vývoj Další výzkum hořčíkových materiálů a vývoj jejich aplikací může mít příznivé ekonomické jejich aplikací může mít příznivé ekonomické a ekologické důsledky.a ekologické důsledky.

Očekávané směry výzkumu Očekávané směry výzkumu v blízké budoucnostiv blízké budoucnosti

výzkum v oblasti degradace mechanických výzkum v oblasti degradace mechanických vlastností slitin Mg-Li, Mg-Li-X vlastností slitin Mg-Li, Mg-Li-X a kompozitů na jejich bázia kompozitů na jejich bázi

výzkum v oblasti tepelného zpracovánívýzkum v oblasti tepelného zpracování další výzkum kompozitů na bázi slitin Mg-Li, další výzkum kompozitů na bázi slitin Mg-Li,

Mg-Li-XMg-Li-X

Pane Bože, dej, aby už ten Drozd skončil !Pane Bože, dej, aby už ten Drozd skončil !

Děkuji za pozornost

Documents

Superlehké slitiny hořčíku