Metallisten materiaalien muovattavuus riippuu metallurgisista tekijöistä ja ulkoisista prosessiolosuhteista /48/.
Materiaalit, joilla on alhainen muodonmuutoslujuus (myötölujuus) ja suuri muodon- muutoskyky ovat parhaiten muovattavia /48, 49/. Alhainen muodonmuutoslujuus on tärkeä ominaisuus, sillä se vaikuttaa muovausprosessin voimantarpeeseen ja työkalujen kestoikään kaikissa muovausmenetelmissä. Työkappaleen murtumisen ja halkeamisen estämiseksi on puolestaan materiaalin muodonmuutoskyvyn ylitettävä tietty muovausmenetelmästä riippuva kynnysarvo. Muodonmuutoskykyä kuvaavina suureina on käytetty mm. murtovenymää, murtokuroumaa, n-arvoa sekä tyssäys- tai puristuskokeilla määritettyä korkeusreduktion arvoa murtumishetkellä.
4.1 Metallurgiset tekijät
Alumiinimatriisikomposiittien ominaisuuksiin ja muovattavuuteen keskeisesti vaikuttavia metallurgisia tekijöitä ovat lujitteen määrä, koko, muoto ja jakautuminen, matriisin seostus sekä matriisin mikrorakenne, johon voidaan tehokkaasti vaikuttaa lämpökäsittelyllä ja/tai varsinaista muovausta edeltävällä esimuokkauksella.
4.1.1 Lujitteen määrä
Alumiiniseosten myötö- ja murtolujuudet kasvavat yleensä lujitepitoisuuden mukana /31, 50-52/. Suurin keskimääräinen kasvu saavutetaan alhaisen ja kohtalaisen lujuuden omaavissa alumiiniseoksissa. Erittäin lujissa seoksissa on huoneen
lämpötilassa mitattujen myötö- ja murtolujuuksien kasvu tyypillisesti vähäistä (taulukko 3).
Taulukko 3. SiC partikkeleita 20til.% sisältävien Al-komposiittien ja vastaavien lujittamattomien matriisiseosten tyypillisiä lujuusominaisuuksia/50/.
TABLE 1 Typical properties of 20tv SiC composites and their matrix alloys.
Material 0.2* Proof stress UTS Ductility
(MPa) (MPa) *
Al-1100 35 90 35
Al-1100 ♦ SiC 90 180 10-15
Al-6061 IT6I 275 310 12
Ai—6061 (T6I + Sic 400 500 5-6
Al-2024 (T6) 395 495 10
At-2024 (Тб) ♦ Sic 400 520 3-4
Al-7075 (Тб) 500 570 12
Al-7075 (Тб) + Sic 450 550 3-4
Ai-8090 (Тб) 480 530 6
Ai-8090 (Тб) + Sic 500 530 2-3
Lujitepitoisuuden vaikutus komposiittien sitkeysominaisuuksiin on selvä ja yksiselitteinen: sitkeys laskee lujitepitoisuuden kasvaessa. Kuvassa 10 on esitetty lujitepitoisuuden vaikutus vetokokeella määritettyyn sitkeyteen (todelliseen murtovenymään) /31/. Vastaavanlainen riippuvuus on saatu myös tasomuodon- muutostilaisen murtumissitkeyden (Kic) ja lujitepitoisuuden /53, 54/ sekä elastis- plastisen murtumissitkeyden (Jic) ja lujitepitoisuuden /55/ välille.
O 150
Fig. 10. Ductility versus volume fraction of А1гО, particles for different aluminum alloy composites.4*
Kuva 10. AI2O3 partikkelipitoisuuden vaikutus AA2014 ja AA2024 pohjaisten komposiittien todelliseen murtovenymään /31/.
Lloyd /13/ on tutkinut SiC-partikkelipitoisuuden ja vanhennusajan vaikutusta seoksen AA6061 muokkauslujittumiseksponentin arvoon. Kuvasta 11 havaitaan, että materiaalin muokkauslujittumiseksponentti pienenee voimakkasti partikkeli- määrän ja vanhennusajan (matriisin lujuustason) kasvaessa.
-o- 6061 6061 -10%SiC 6061 - 20% SiC
16 24 Aging Time (hours)
Fig. 5. Variation of the work hardening index, n, with ageing time.
Kuva 11. Vanhennusajan vaikutus alumiiniseoksen AA6061 sekä alumiinikompo- siittien AA6061-10til.% SiCp ja AA6061-20til.% SiCp muokkaus
lujittumiseksponentin n arvoon /13/.
4.1.2 Lujitteen jakauma
Epätasainen lujitejakauma heikentää komposiitin sitkeysominaisuuksia, sillä se johtaa alueisiin, joilla on suuri paikallinen lujitepitoisuus ja siitä johtuva suurentunut murtumisherkkyys /50, 56/. Komposiiteilla suoritetut kokeelliset tutkimukset ovat osoittaneet, että epähomogeenisen lujitejakauman todennäköisyys kasvaa lujitepitoi- suuden ja lujitteiden pituus-halkaisijasuhteen kasvaessa ja lujitekoon pienentyessä /40, 56, 57/.
4.1.3 Lujitteen koko
Pienempien partikkeleiden on todettu nostavan komposiittien myötö- ja murto- lujuuksia enemmän kuin suurten /58, 59/. Arsenaultin et ai. /58/ mukaan tämä
johtuu ennenkaikkea siitä, että pienemmät partikkelit synnyttävät rakenteeseen suuremman dislokaatiotiheyden ja hienomman sellikoon (kuva 12).
PARTICLE DIAMETER (D) цт
Fig. 1. The change in the yield stress as a function of SiC particulate size. The matrix is a 1100A1 alloy. The com
posite is in the annealed condition.
20V% StG? /1100 AI
■ DISLOCATION DENSITY
• SUBGRAIN SIZE 1.5
-4 £
PARTICLE SIZE (D) pm
Fig. 6. The change in dislocation density as a function of particulate size.
(a) (b)
Kuva 12. Partikkelikoon vaikutus pehmeäksihehkutetun AA1100-20til.% SiC komposiitin a) myötölujuuteen b) dislokaatiotiheyteen ja sellikokoon /58/.
Partikkelikoolla ei ole havaittu olevan merkittävää vaikutusta alumiinimatriisi- komposiittien murtumissitkeyteen /53/ sen paremmin kuin murtovenymään ja murtokuroumaan /58/ partikkelikoon ollessa alle 20 Jim. Tätä huomattavasti suurempien lujitteiden (> 100 [im) on sensijaan todettu heikentävän materiaalien sitkeysominaisuuksia /53, 60/.
4.1.4 Matriisin seostus
Alumiiniseosten muovattavuus vaikeutuu yleensä seostuksen kasvaessa. Seosaineet kohottavat alumiinin muodonmuutoslujuutta ja muokkausvoiman tarvetta sekä edesauttavat murtuman syntymistä. Eniten muodonmuutoslujuutta nostavat suuren jähmeäliukoisuuden alumiiniin omaavat seosaineet kuten kupari, magnesium ja pii.
Alhaisen liukoisuuden omaavien seosaineiden kuten kromin, mangaanin, titaanin ja zirkonin vaikutus on vähäisempi. Riittävän suurissa määrissä ne voivat kuitenkin muodostaa metallien välisiä yhdisteitä suurina erkaumina edistäen näin murtuman syntymistä/12/.
Kuvassa 13 on esitetty seostuksen vaikutus alumiinin suhteelliseen taottavuuteen ilmaistuna muodonmuutoksen suumutena käytettyä energiamäärää kohden. Samasta kuvasta selviää myös kunkin seoksen sopivin taontalämpötila.
Forging temperature, eF 700 750 800 850 900
Alloy 6061
2014 7010, 7075,
7049, 7050
Forging temperature, °C
Fig. 2 Forgeobility and forging temperatures of various aluminum alloys
Kuva 13. Alumiiniseosten suhteellinen taottavuus /9/.
4.1.5 Matriisin lämpökäsittelyillä
Muokattavat alumiiniseokset ja komposiitit, joiden seosainepitoisuudet ovat suuret, homogenisoidaan usein ennen kuumamuovausta. Homogenisointihehkutus tasoittaa rakenteessa varsinkin valun jäljiltä jääneitä konsentraatioeroja ja parantaa kuuma- muovattavuutta /12, 40/. Huolellisesti suoritetun homogenisointihehkutuksen on lisäksi havaittu parantavan komposiittien mekaanisia ominaisuuksia sekä helpottavan mm. karkenevien seosten liuotushehkutusta /40/.
Alumiiniseokset kylmämuovataan tavallisesti pehmeäksihehkutetussa tilassa. Jotkut karkenevat alumiiniseokset soveltuvat varsin hyvin kylmämuovaukseen välittömästi lioutuskäsittelyn jälkeen, sillä erkautuskarkeneminen tapahtuu huoneenlämpötilassa hitaasti. Keinovanhennetun materiaalin kylmämuovattavuus on hyvin rajoitettu /11, 12/.
4.1.6 Edeltävä muokkaus
Useimmat komposiittiaihiot esimuokataan ennen varsinaista tuotteeksi tapahtuvaa muovausta (esim. takomista) /40/. Esimuokkauksen päätarkoituksena on parantaa toisaalta komposiittimateriaalin muovattavuutta ja toisaalta valmiin tuotteen mekaanisia ominaisuuksia.
Dutta et ai. /61/ tutkivat kuumamuokkauksen vaikutusta sulasekoitusmenetelmällä valmistetun AA5083-10til.% SiCp komposiitin mikrorakenteeseen ja ominai
suuksiin (kuva 14). He havaitsivat, että komposiitin sitkeys kasvaa huomattavasti kuumamuokkausasteen kasvaessa lujuusominaisuuksien pysyessä lähes muuttu
mattomina. Parantuneen sitkeyden katsottiin johtuvan matriisissa olevien huokosten sulkeutumisesta, matriisin hienontuneesta raerakenteestä sekä lujitepartikkelien tasaisemmasta jakautumisesta.
% Total Hot Reduction
20
Figure 9 : Yield strength (YS), ultimate tensile strength (UTS) and percent elongation to failure as a function of percent hot-work.
kuva 14. Kuumamuokkausasteen vaikutus AA5083-10til.% SiCp komposiitin myötölujuuteen (YS), murtolujuuteen (UTS) ja murtovenymään /61/.
McDanels /52/ saavutti korkeampia murtovenymän arvoja voimakkaasti kuumamuo- katuissa jauhemetallurgisissa Al-SiC komposiiteissa verrattuna kirjallisuudessa esiintyviin arvoihin vähemmän kuumamuokatuille komposiiteille. Tämän hän arveli johtuvan voimakkaammin muokattujen komposiittien pienemmästä huokoisuu
desta, tasaisemmasta lujitejakaumasta ja matriisissa olevien nauhamaisten sulkeumien tehokkaammasta hajoamisesta muokkauksessa.
H arri gan et al. /62/ käyttivät kuumamuokkausta hyväksi parantaessaan jauhe- metallurgisten AA6061-SiCp komposiittien partikkelijakaumaa, murtolujuutta ja murtovenymää. Kuumavalssauksen todettiin parantavan sitkeyttä reduktioasteen ollessa noin 64 % ja sitä suurempi kun taas lujuusominaisuuksien parannus kävi ilmeiseksi vasta 80 % tai tätä suuremmilla reduktioasteilla.
Kuumapursottamalla valmistettaville jauhemetallurgisille alumiini- ja alumiinikom- posiittiaihioille suositellaan vähintään 10:1 suuruisia pursotussuhteita riittävän muovattavuuden ja hyvien mekaanisten ominaisuuksien saavuttamiseksi /23, 40/
Tätä pienempien pursotussuhteiden käyttö ei riko tarpeeksi tehokkaasti jauheiden päällä olevaa oksidikerrosta eikä riitä murskaamaan ja hajauttamaan komposiiti- aihioissa olevia lujiterykelmiä. Parhaimmat ja tasaisimmat ominaisuudet saavutetaan käyttämällä vähintään 30-40:1 pursotussuhteita, mutta tämä rajoittaa pursotteiden poikkileikkauksen kokoa ja vaatii lisäksi tehokkaan puristimen. Taulukossa 4 on esitetty pursotussuhteen vaikutus jauhemetallurgisten Al-Si-X seosten kriittiseen korkeusreduktioon 450°C: n koelämpötilassa.
Taulukko 4. Seostuksen ja pursotussuhteen vaikutus jauhemetallurgisten Al-Si-X seosten kriittiseen reduktioon lämpötilassa 450°C /23/.
Table 3 Results of the upsetting test_______________ ________
Sample Sample name Atomizing Extrusion Maximum reduction
Na ГПаср PaS ratio X ______
No. (Base metal) gas ratio Z
1 12Si (2014) air 13 77 (74-79)
2 20Si (2014) air 13 63 (62-64)
3 12Si-5Fe(2014) air 13 59 (58-59)
4 20Si-5Fe(2014) air 13 48 (44-50)
5 20Si-5Fe air 13 60 (58-61)
6 20Si-8Fe(2014) air 13 40 (38-44)
7 20Si-5Fe-2Ni air 13 70 (69-72)
8 20Si-5Fe-2Ni argon 13 71 (70-72)
9 20Si-5Fe-2Ni nitrogen 13 71 (70-73)
10 20Si-5Fe-2Ni air 2 60 (57-61)
11 20Si-5Fe-2Ni air 8 69 (67-71)
12 20Si-5Fe-2Ni air 26 74 (72-75)
13 20Si-5Fe-2Ni air 41 75 (72-76)
4.2 Muovausolosuhteet
Materiaalin muovattavuuteen olennaisesti vaikuttavia prosessimuuttujia ovat lämpötila, muodonmuutosnopeus, jännitystila ja voiteluolosuhteet.
4.2.1 Lämpötila
Alumiinikomposiittien myötö- ja murtolujuudet laskevat yleensä lämpötilan noustessa, vaikkakaan lasku ei yleensä ole yhtä nopeaa kuin lujittamattomilla matriisiseoksilla (kuvat 15 ja 16) /31, 51, 63/. Nopein lasku tapahtuu tyypillisesti lämpötila-alueella 200 - 300 °C, minkä jälkeen lujuuden lasku yleensä tasaantuu samalla kun materiaalin muokkauslujittumisnopeus pienenee (kuva 17)/31, 51, 64/.
Noin 500 °C: n lämpötilassa saattaa komposiitin muodonmuutoslujuus laskea matriisiseosta alhaisemmaksi samalla kun sen muodonmuutosnopeusherkkyys (strain rate sensitivity) kasvaa. Tämän on katsottu johtuvan hienorakeisen komposiitin alkavasta raerajaliukumisesta /65/.
SiC/AI
AI CONTROL
0 IOO 200 300 400
TEMPERATURE (C)
[i-~
The 0.22 offset yield strength versus temperature for the SiC/AI (site end for the 2024 A1 control. (1 MPa - 0.145 ksi.)Kuva 15. Lämpötilan vaikutus myötölujuuteen sekä seoksessa AA2024-F että AA2024-F - pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC-viskereitä /63/.
600
-SiC/AI
500
-Al CONTROL
400 ы 300 -200
-100
-100 200
TEMPERATURE (C)
pig. 5 - Ultimate tensile strength as a function of temperature for the SiC/AI composite and for the 2024 A1 control. (1 MPa - 0.145 ksi.)
Kuva 16. Lämpötilan vaikutus murtolujuuteen sekä seoksessa AA2024-F että AA2024-F - pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC-viskereitä /63/.
Uelfor»
T*mp#filur#*(C)
Fig. 1. Work hardening and uniform elongation for 2S composite. (E = 5x10 s )
Kuva 17. Lämpötilan vaikutus AA1200-15til.% SiCp komposiitin muokkaus- lujittumisnopeuteen ja tasavenymään muodonmuutosnopeudella è = 5xl0"2 s'1 /64/.
Alumiinikomposiittien tasavenymän on todettu laskevan lämpötilan ylittäessä muutoslämpötilan 200 - 300 °C (kuva 17) /64/, mutta koska kuroutuminen samalla yleensä voimistuu /52, 63/, kokonaisvenymä (= tasavenymä + paikallisen kurouman venymä) tavallisesti lisääntyy (kuva 18). Noin 500 °C :ssa ja tätä suuremmissa lämpötiloissa komposiitin sitkeys tavallisesti laskee matriisiseoksen alkavan sulamisen ja rakeiden läpi etenevän murtumisen seurauksena /65, 66/.
6e'
AI CONTROL
S'C/AI
r---- NO NECKING
OO 200 30
TEMPERATURE (C)
. plastic fracture strains plotted on a logarithmic scale versus for the S1C/A1 composite and for the 2024 Л1 control.
Kuva 18. Lämpötilan vaikutus murtovenymään sekä seoksessa AA2024 että AA2024-pohjaisessa matriisissa, missä on 21 til.% SiC:a /63/.
Humphreysin /50/ mukaan voidaan edellä esitettyjen kokeellisten havaintojen perusteella alumiinikomposiitten deformaatiokäyttäytymisessä todeta kolme selvästi erottuvaa lämpötila-aluetta:
T< 200 - 300 °C Suuri muokkauslujittuminen, korkea muodonmuutoslujuus, alhainen sitkeys (muovattavuus)
T> 200 - 300 °C Pieni muokkauslujittumisnopeus, parantunut sitkeys (muo
vattavuus)
T> 500°C Heikentynyt sitkeys (muovattavuus), suuri muodonmuutos- lujuusherkkyys, raerajoihin liittyvä murtuminen.
Kanetake /22/ tutki lämpötilan vaikutusta sintratun sekä sintratun ja pursotetun (pursotuslämpötila 200 tai 450 °C, pursotussuhde 6:1) Al-seoksen (99,5 %) ja partikkelilujitettujen Al-10til.% AI2O3 komposiittien kriittiseen korkeusreduktioon (kuva 19).
Extruded
Slnt-Vf« O % ---- O
Upsetting Temperature /°С
Fig.9 Critical reduction in height in upsetting at various tem
peratures.
Kuva 19. Lämpötilan vaikutus sintrattujen sekä sintrattujen ja pursotettujen Al- seosten ja Al-10til.% AI2O3 komposiittien kriittiseen korkeusreduktioon tyssäyksessä /22/.
Lujittamattomien seosten kriittinen reduktio vaihtelee valmistusprosessin mukaan.
Pelkästään sintrattujen seosten kriittinen reduktio kasvaa lämpötilan suuretessa.
Lämpötilassa 200 °C pursotetuilla seoksilla on heikoin tyssättävyys, vaikka myös niiden reduktio kasvaa lämpötilan kasvaessa. Syynä materiaalien heikompaan tyssättävyyteen on alhaisesta pursotuslämpötilasta johtuva muokkauslujittuminen.
Lämpötilassa 450 °C pursotetuilla seoksilla on paras tyssättävyys huoneen- ja 200
°C: en lämpötilassa, mutta 450 °C:en lämpötilassa todettiin tyssättävyys heikommaksi kuin pelkästään sintrattujen materiaalien.
Komposiittien tyssättävyys paranee lämpötilan noustessa. Tosin niiden kriittinen korkeusreduktio on aina noin 30 - 40 % alhaisempi kuin lujittamattomien seosten.
Komposiittien tapauksessa ei materiaalien valmistusmenetelmällä näytä olevan suu
rempaa vaikutusta tyssäysominaisuuksiin, joskin 450 °C:ssa pursotetulla
materiaa-lilla on hieman suurempi kriittisen korkeusreduktion arvo huoneenlämpötilassa.
Kanetaken /22/ mukaan tämä viittaa siihen, että komposiittien tyssättävyyttä kontrol
loivat pääasiassa lujitteen määrä ja tyssäyslämpötila, eikä valmistuksen yhteydessä mahdollisesti tapahtuvalla muokkauslujittumisella juurikaan ole merkitystä.
Suzuki et ai. /67/ sekä Fujita et ai. /68/ tutkivat sulapuristusvalettujen AA6061- 20til.% SiCw - ja AA2024-20til.% SiCw komposiittien muovattavuutta lämpötila- alueella 300 - 500 °C (kuva 20). Tutkimustulosten mukaan voidaan AA6061- pohjainen komposiitti tyssätä murtumatta noin 60 % korkeusreduktioon lämpötila- alueella 400 - 500 °C. AA2024-pohjainen komposiitti voidaan puolestaan tyssätä noin 50 % reduktioon lämpötila-alueella 400 - 450 °C. Lämpötila-alueella 450 - 500
°C havaittu muovattavuuden lasku johtuu matriisiseoksen alkavasta sulamisesta /67/.
20%SiCw./2024 O • as east Д A as homonized 20%SiCw./606 I
(a) 20ZSÍCW./6061. (b) 2<ttSiCv./2024
Fig.4-4 Formability of squeeze case billet.
kuva 20. Sulapuristusvalettujen AA6061-20til.% SiCw ja AA2024-20til.% SiCw komposiittien muovattavuus lämpötila-alueella 300 - 500 °C /68/.
4.2.2 Muodonmuutosnopeus
Alumiiniseosten ja komposiittien muodonmuutoslujuus kasvaa yleensä muodon
muutosnopeuden lisääntyessä (kuvat 21 ja 22) /12, 66, 69-72/. Kylmämuovauk- sessa on nopeuden vaikutus yleensä varsin vähäinen, mutta muodonmuutos
nopeuden vaikutus kasvaa kuumamuovauksessa, jolloin muokkausvoiman tarve kasvaa selvästi nopeuden kasvaessa.
e = 0.4 д T = 400'C