آشنایی با آلومینیوم و آلیاژهای آن


2-1- مشخصات فیزیکی آلومینیم

آلومینیوم از عناصر اصلی گروه Ш جدول تناوبی است. عدد اتمی آن 13 جرم اتمی آن در اندازه گیری فیزیکی 9901/26 آنگسترم ودر اندازه گیری شیمیایی 98/26 تعیین شده است.
شعاع اتمی آن در 25 درجه سانتیگراد برابر42885/1 آنگسترم وشعاع یونی آن از روش گلداسمیت برابر 57/0 آنگسترم بدست آمده است که در ساختمان FCC و بدون هیچگونه تغییر شکل آلوتروپیکی متبلور می شود.
Si وMg با عدد اتمی 14و12 همسایه های اصلی آلومینیم می باشند. ثابت کریستالی آلومینیوم و مطابق شرایط فیزیکی قطر اتمی آن dAl=2.8577A0 می باشد .بدیهی است
حلالیت آلومینیوم به نسبت زیادی به قطر اتمی آن بستگی دارد ومطابق آنچه در مباحث متالورژی فیزیکی بیان می شود اختلاف قطر اتمهای حلال و محلول نباید از 15% تجاوز کند در حالیکه شکل ساختمانی والکترونهای مدار آخر نیز در این حلالیت بی تاثیر نیستند.
بطور مثال در مورد منیزیم و سیلسیم فاکتور اندازه اتمی نسبت به آلومینیم مطابق روابط زیر است:

و اختلاف در مدار آخر به ترتیب (1+)برای Mg و (1-) برای Si می باشد. اعداد همسایگی Mg و Si به ترتیب 6(منشور فشرده) و4(ساختمان الماس) در مقایسه با 12 برای Al است؛که در مجموع
می توان گفت حلالیت جامد سیلسیم در آلومینیم ناچیز وحلالیت منیزیم از مقدار بیشتری برخوردار است.
با توجه به حلالیت نفوذی عناصر در آلومینیم اتمهایی با قطر کوچک : (کربن54/1،ازت40/1،بر75/1،هیدروژن74/0واکسیژن20/1 آنگسترم) را میتوان پیش بینی کرد که از طریق بین نشینی و نفوذی در آلومینیم،محلول جامد تشکیل دهند ولی تاثیر انرژی آزاد مناسب و تشکیل ترکیبات بین فلزی و غیرفلزی مانع حلالیت عناصر فوق(بجز هیدروژن)در آلومینیم می گردد و تشکیل ترکیباتی مانندAl4C3،AlN،AlB2،Al2O3وAl5C3N را باعث می شوند.
از بحث فوق نتیجه می شود که عناصر با قطر اتمی بیشتر از 1.17A0نمیتوانند در آلومینیوم به طریق بین نشینی حل شوند و هیدروژن تنها عنصری است که حلالیت آن در حالت جامد مسلم میباشد.
آلومینیوم جامد با عدد همسایگی 12 فاصله همسایگی 2.86 A0 بعد از ذوب دارای عدد همسایگی 11و فاصله همسایگی بیش از A038 میگردد.
ضریب انبساط خطی حدود 4  % است، گرمای نهان گداز این عنصر 5/2 کیلوکالری بر مول می باشد که در مقایسه با گرمای تبخیر (6/69کیلوکالری برمول) نسبت آن حدود 27است و به همین دلیل در جریان ذوب احتمال تبخیر و تصعید آن نیست.

2-2- تقسیم بندی آلیاژهای آلومینیوم

1- آلیاژهای کارپذیر (Wrought Alloys) که قابلیت پذیرش انواع و اقسام کارهای مکانیکی (نورد،فورج،اکستروژن) را دارند.
2- آلیاژهای ریختگی (Casting Alloys)

آلیاژهای کارپذیر هم خود به دودسته تقسیم می شوند:

1- آلیاژهای عملیات حرارتی ناپذیر، این آلیاژها با عملیات حرارتی سخت نمی شوند و تنها بوسیله کار سرد سخت می شوند.
2- آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر، این آلیاژها بوسیله عملیاتهایی مانند پیرسازی (Aging) طبیعی و مصنوعی سخت می شوند.

استانداردهای طبقه بندی آلومینیم در کشورهای مختلف متفاوت است در اینجا از استاندارد A.A (انجمن آلومینیم) که یک استاندارد آمریکایی است استفاده می شود.
استاندارد A.A هر آلیاژآلومینیم را با 4 عدد مشخص کرده و در 8 گروه طبقه بندی کرده است که:
- عدد اول گروه اصلی را مشخص می کند.
- دومین عدد تغییر آلیاژ را نسبت به آلیاژ اولیه نشان می دهد.
- سومین و چهارمین عدد خلوص آلومینیم یا درصد مقدار سایر عناصر را نشان می دهد.
8 گروه اصلی به ترتیب زیر هستند:



گروه1: معروف به سری 1000 با خلوص حداقل %99 آلومینیم. غیر قابل
عملیات حرارتی، مقاومت خوب حرارتی و خوردگی دارد، هادی خوب
الکتریسیته است، خواص مکانیکی پایین دارد، قابلیت ماشین کاری و
قابلیت انواع شکل دادنش بالاست(کارپذیری عالی).
دو عدد سوم و چهارم آلیاژ نشان دهنده مقدار آلومینیم است

بطور مثال در آلیاژ1050 داریم:
یعنی در این آلیاژ باید حداقل%5/99 آلومینیم داشته باشیم.

گروه2: سری 2000،عنصر آلیاژی اصلی آن مس است. قابل عملیات حرارتی
است، خواص مکانیکی بالایی دارد ولی مقاومت خوردگی آن نسبت به
سری 1000 کم است.

گروه3: سری 3000، مهمترین عنصر آلیاژی منگنز و بعد منیزیم است، غیر قابل
عملیات حرارتی، دارای استحکام کم تا متوسط، کارپذیری خوب که قابل
مصرف عمومی است.

گروه4: سری 4000، عنصر آلیاژی اصلی آن سیلسیم است، اکثراً غیر قابل
عملیات حرارتی، دارای نقطه ذوب پایین و مناسب برای آندایزینگ.

گروه5: سری 5000، عنصر آلیاژی اصلی منیزیم و بعد منگنز است. عملیات
حرارتی ناپذیر، با تغییر مقدار منیزیم استحکام تغییر می کند. قابلیت
جوشکاری خوبی دارد و در محیطهای آبی مقاومت بسیار خوبی دارد.

گروه6: سری 6000، عناصر آلیاژی اصلی سیلسیم ومنیزیم هستند، قابل عملیات
حرارتی، فرم پذیری خوبی دارند، استحکام متوسط تا زیاد و مقاومت به
خوردگی خوبی دارند.

گروه7: سری 7000، عنصر آلیاژی اصلی روی است، قایل عملیات حرارتی
است واستحکام بالایی دارد.

گروه8: سری 8000، دارای عناصر آلیاژی آهن وسیلسیم، غیر قابل عملیات
حرارتی ،دارای خواص مختلف مناسب برای تولید فویلهای صنعتی با ضخامت بسیار کم

.2-2-1-علائم نامگذاری حالات سختی و انواع عملیات حرارتی

علائم نامگذاری حالات سختی و انواع عملیات حرارتی که عموماً توسط بیشتر صنایع مورد استفاده قرار می گیرد بر پایهنظام دسته بندی آمریکایی (A.A) می باشد. این سیستم هر دو گروه آلیاژهای غیر قابل عملیات حرارتی(کرنش سختی پذیر) و آلیاژهای عملیات حرارتی پذیر را در بر میگیرد.
علائم نامگذاری مذکور توسط جامعه آلومینیم(A.A) در قالب مجموعه های «اطلاعات و استاندتردهای آلومینیم» و«عملیات تمپر سختی برای محصولات آلومینیم و آلیاژهای آن» تعریف شده اند. این نظام دسته بندی A.A به منظور استفاده در کشورهای (CEN) در استانداردهای اروپایی (EN515) برای آلومینیم و آلیاژهای کارپذیر آن نیز توسعه یافته است. همچنین دیگر سازمانهای بین المللی نظیر ISO وAECMA هم از این طبقه بندی استفاده می کنند.
علائم نامگذاری حالات و عملیات مختلف بر روی آلیاژهای آلومینیم بصورت یک پسوند مورد استفاده قرار می گیرند که پس از نشانه نامگذاری آلیاژ با یک خط پیوند(-) از این نشانه جدا میشوند.
عملیات و حالات اصلی با حروف پسوندF،O،H،WوT معرفی می شوند و بدنبال این حروف یک یا چند عدد می آید. این اعداد نشاندهنده بخشهای فرعی عملیات اصلی می باشند.
علائم حالت مختلف مطابق استاندارد A.A بدین شرح است:
F: ساخته شده بدون کنترل بر خواص مکانیکی
O: آنیل شده (تبلور مجدد شده)
O1: از دمای آنیل کردن به آرامی سرد شده
O2: انجام عملیات ترمودینامیکی برای شکل دهی سوپر پلاستیک
O3: انجام عملیات همگن سازی برای بهبود شکل پذیری
H: کار سخت شده (کرنش سخت شده)
حرف H همواره با دو یا چند عدد همراه است که این اعداد نشان دهنده موارد
زیر می باشند:
عدد اول: عملیات اصلی انجام شده را نشان می دهد و شامل یکی از اعداد زیر
است:
1- کرنش سخت شده بدون عملیات حرارتی اضافه
2- کرنش سخت شده وبطور جزئی آنیل شده
3- کرنش سخت شده و پایدار شده توسط عملیات حرارتی
4- کرنش سخت شده و لاک زده یا رنگ شده
عدد دوم: میزان سخت کاری را نشان می دهد و شامل یکی ازاعداد زیر است:
1- 8/1سخت
2- 4/1سخت
4- 2/1سخت
6- 4/3سخت
8- تمام سخت
9- خیلی سخت (برای کاربردهای ویژه)
3و5و7- عملیات تغییر سختی واسطه ای
عدد سوم: تغییرات عملیات مختلف(مرتبط با اعداد اول و دوم) را نشان میدهد:
مثالها:
H34 = کرنش سخت شده و پایدار شده- 2/1سخت
Hxx5 = کرنش سخت شده- برای لوله های جوشکاری شده
W: عملیات حرارتی محلولی (سختی محلولی)
عملیات حرارتی محلولی،نوعی عملیات تغییر سختی ناپایدار می باشد. این
عملیات بر روی آلیاژهایی که بطور خودبخودی در دمای محیط پیر می شوند
پس از عملیات انحلال روی می دهد. این نشانه (W) تنها در حالتی بکار می
رود که مدت زمان پیر شدن همراه آن نشان داده شود نظیر W1/2h.
T: عملیات حرارتی برای کسب بازپخت های پایدارتر از F،O یا H. در این
حالت می توان یک کرنش سختی اضافه نیز داشت. Tهمواره با یک یا چند
عدد پس از آن همراه است که این اعداد نشان دهنده موارد زیر می باشند:
عدد اول: عملیات اصلی انجام شده را نشان می دهد و شامل یکی از اعداد
زیر است:
1- سرد شده از درجه حرارت زیاد فرآیند شکل دادن و پیرسازی طبیعی
برای کسب شرایط پایداری واقعی
2- سرد شده از درجه حرارت زیاد فرآیند شکل دادن،کار سرد و
پیرسازی طبیعی برای کسب شرایط پایداری واقعی
3- عملیات حرارتی محلولی،کار سرد و سپس پیرسازی طبیعی برای کسب شرایط پایداری واقعی
4- عملیات حرارتی محلولی و پیرسازی طبیعی برای کسب شرایط پایداری واقعی
5- سرد شده از درجه حرارت زیاد فرآیند شکل دادن و سپس پیرسازی مصنوعی
6- عملیات حرارتی محلولی و پیرسازی مصنوعی
7- عملیات حرارتی محلولی و فوق پیری(Overaged) همراه با پایداری
8- عملیات حرارتی محلولی، کار سرد و سپس پیرسازی مصنوعی
9- عملیات حرارتی محلولی،پیرسازی مصنوعی و سپس کار سرد
10- (فقط در نظام دسته بندی آمریکایی A.A) سرد شده از درجه
حرارت زیاد فرآیند شکل دادن،کار سرد و سپس پیرسازی مصنوعی
اعداد اضافی: این اعداد تغییرات در عملیات T1 تا T9 را نشان می دهند.
اعداد اضافی، بیانگر تغییرات در عملیات اصلی می باشند که تغییر مهمی در
خصوصیات محصول را سبب شوند. این اعداد می توانند برای مشخص
کردن یک یا چند عملیات زیر مورد استفاده قرار گیرند:
- عملیات حرارتی محلولی یا عملیات رسوبی
- میزان کار سرد بعد از عملیات حرارتی محلولی
- عملیات تنش گیری
مثالها:
T31: عملیات حرارتی محلولی،کارسرد به میزان حدود 1% و سپس
پیرسازی طبیعی
T3510: عملیات حرارتی محلولی، تنش گیری توسط کشش به میزان
کنترل شده و سپس پیرسازی طبیعی. در این حالت پس از
کشش عملیات تاب گیری انجام نمی شود.
T3511: مشابه T3511 بجز اینکه عملیات تاب گیری جزئی نیز بعد از
کشش انجام می پذیرد تا با تلرانس های استاندارد مطابقت
داشته باشد.