TULOSTEN TARKASTELU

Koemateriaalien muovattavuusominaisuuksia tarkastellaan yksiaksiaalisesta veto- ja kuumavetokokeesta sekä tasopintojen välisestä tyssäyksestä saatujen muovattavuus- parametrien avulla. Saatuja tuloksia verrataan keskenään ja tarkastellaan niiden yhteensopivuutta teorian sekä muualla suoritettujen kokeiden kanssa.

9.1 Vetokokeet huoneenlämpötilassa 9.1.1 Myötö- ja murtolujuus

Jauhemetallurgisen pursotustilassa olevan AA6061-seoksen huoneenlämpötilassa mitattujen myötö- ja murtolujuuden todettiin kasvavan lujitelisäyksen myötä (taulukko 8). Myötölujuuden kasvu oli noin 38 % ja murtoluj uuden kasvu noin 30

% 20 tilavuus-% :n SiC-partikkelilisäyksellä. Saadut tulokset ovat yhteneviä mm.

Naitin /51/ ja McDanelsin /52/ esittämien havaintojen kanssa, joiden mukaan alhaisen ja keskinkertaisen (esim. AA6061-F-seos) lujuuden omaavien alumiini­

seosten lujuudet yleensä lisääntyvät lujitepitoisuuden kasvaessa aina 30 - 40til.-%

lujitepitoisuuksiin asti.

Valetusta aihiosta pursotetulla AA6061-15til.% AUOß-komposiitilla todettiin olevan hieman jauhemetallurgista AA6061-seosta pienemmät lujuusarvot edellisen partikkelilisäyksestä huolimatta. Tämä hieman yllättävä tulos johtuu todennäköisesti materiaalien erilaisesta valmistus- ja lämpökäsittelyhistoriasta. Valamalla valmis­

tetulla komposiitilla on mitä ilmeisimmin jauhemetallurgisia materiaaleja selvästi pehmeämpi matriisi, mikä voi johtua mm. materiaalin mahdollisesti alhaisemmasta pursotuslämpötilasta ja pursotteen suuremmasta poikkileikkauksesta johtuvasta hitaammasta jäähtymisnopeudesta (valetun komposiitin halkaisija oli 0 50 mm kun se jauhemetallurgisilla materiaaleilla oli ainoastaan 018 mm). Koska karkenevien alumiiniseosten erkaumalujitus tavallisesti on selvästi voimakkaampaa kuin partikkelilujitteiden aikaansaama lujitusvaikutus, voidaan jauhemetallurgisen AA6061-seoksen valettua komposiittia korkeammat lujuusarvot pitkälle selittää ensin mainitun materiaalin nopeammasta jäähtymisestä aiheutuvasta voimak- kammasta luonnollisesta vanhenemisesta.

9.1.2 Murtovenymä j a murtokurouma

Lujitelisäyksen havaittiin alentavan jauhemetallurgisen AA6061 -seoksen murtove- nymän ja murtokurouman arvoja selvästi. Murtovenymä väheni 25,0 %:sta 7,3

%:iin ja murtokurouma 69,9 %:sta 10,5 %:iin. Saadut tulokset tukevat useiden tutkijoiden /31, 50-52/ esittämiä havaintoja, joiden mukaan partikkeleiden ja/tai viskereiden lisääminen matriisiin huonontaa syntyvän komposiitin sitkeys- ja muovattavuusominaisuuksia hyvin merkittävästi.

Valetusta aihiosta pursotetun AA6061-15til.% AI2O3 -komposiitin murtovenymän ja murtokurouman arvot todettiin niin ikään lujittamatonta AA6061-seosta huonommiksi, mutta kuitenkin selvästi paremmiksi kuin jauhemetallurgisen AA6061-20til.% SiC komposiitin (taulukko 8). Valetun komposiitin jauheme- tallurgista komposiittia paremmat sitkeysominaisuudet johtunevat paitsi ensin mainitun materiaalin pienemmästä lujitemäärästä myös sen pohjana olevan matriisin alhaisemmasta lujuustasosta (pienempi erkaumalujitus), kuten edellisellä sivulla todettiin.

Koetulosten ja kitjallisuudessa esiintyvien havaintojen perusteella näyttää selvältä, että tekijät, jotka kohottavat lujuutta (esim. partikkelilisäys, seostus, erkautuminen, kylmämuokkaus) alentavat sitkeyttä. Ainoastaan partikkelikoon pienentämisen on havaittu nostavan lujuutta sitkeyden pysyessä lähes muuttumattomana.

9.1.3 Muokkauslujittuminen

Koemateriaaleilla saatiin kaksi muokkauslujittumiseksponentin arvoa, joista ni kuvaa jännitys-venymäkäyrän alkuosaa (e < 0,04) ja П2 käyrän loppuosaa (e >

0,04). Käytännön muovausprosesseja ajatellen on lähinnä käyrän loppuosaa kuvaavilla suureilla merkitystä, sillä käytetyt venymät (reduktiot) ovat todellisissa muovausprosesseissa lähes poikkeuksetta yli 0,04 (tämä vastaa noin 4 % kylmämuokkausta !).

Lujitteiden lisääminen jauhemetallurgiseen AA6061-seokseen todettiin vähentävän materiaalin muokkauslujittumiskykyä sekä pienillä (e< 0,04) että suurilla (e> 0,04) venymillä (taulukko 8). Valamalla valmistetun AA6061-15til.% AI2O3 komposiitin jauhemetallurgista AA6061-20til.% SiC komposiittia korkeammat n-arvot johtuvat

todennäköisesti edellisen pienemmästä lujitepitoisuudesta ja alhaisemmasta lujuustasosta. Saadut tulokset näyttäisivät näin vahvistavan Lloydin /13/ esittämiä tuloksia, joiden mukaan partikkelilujitettujen alumiinikomposiittien muokkaus- lujittumiskyky pienenee partikkelimäärän sekä matriisin lujuustason kohotessa (kts.

kuva 11).

Taulukon 8 tuloksia tarkasteltaessa voidaan havaita, että n-arvojen kasvaessa murtovenymä kasvaa. Tämä voidaan yksinkertaisesti selittää johtuvan siitä, että n- arvon kasvaessa materiaalin muokkauslujittumiskyky kasvaa. Tällöin materiaalin paikallinen kuroutuminen pyrkii estymään ja venymä leviää laajemmalle alueelle vetosauvan pituussuunnassa vaikuttaen näin suoraan kokonaisvenymään murtumishetkellä.

9.2 Kuumavetokokeet 9.2.1 Myötö- ja murtolujuus

Lämpötilan nostamisen todettiin alentavan kaikkien tutkittujen koemateriaalien lujuusarvoja. Lämpötilavälillä 20 - 200° C oli varsinkin myötölujuuksien lasku vielä verrattain hidasta, mutta lämpötilavälillä 200 - 450° C jo varsin nopeaa (kuva 36).

Saadut tulokset ovat sopusoinnussa mm. Humphreysin /50/, Nairin /51/ ja Phillipsin /63/ (kts. kuvat 15 ja 16) esittämien tulosten kanssa, joiden mukaan alumiiniseosten ja alumiinimatriisikomposiittien myötö- ja murtolujuudet laskevat ensin hitaasti lämpötilan noustessa, kunnes lämpötilan ylittäessä 200 - 300° C muutoslämpötilan, lujuusarvojen lasku selvästi nopeutuu.

Jauhemetallurgisen AA6061-20til.% SiC komposiitin havaittiin säilyttävän lujittamatonta AA6061 seosta selvästi korkeammat lujuusarvot aina 200°C asti. Tätä korkeammissa lämpötiloissa lujitteiden lujuutta nostava vaikutus laskee verrattain nopeasti ja on lähes olematon lämpötilassa 450 °C (kuva 36). Koska keraamiset lujitteet kuitenkin säilyttävät lujuutensa huomattavasti alumiiniseosten sulamis- lämpötiloja korkeampiin lämpötiloihin /4/, on komposiittin lujuuden laskun syynä ennen muuta matriisin lujuuden aleneminen.

9.2.2 Murtovenymä ja murtokurouma

Lämpötilan nostaminen huoneenlämpötilasta lämpötilaan 200 C todettiin kasvattavan kaikkien koemateriaalien murtokurouman arvoja melko voimakkaasti.

Lämpötilan kohottaminen edelleen lämpötilaan 450 °C ei sensijaan enään parantanut komposiittien murtokurouman arvoja, kun taas lujittamattoman AA6061 seoksen murtokurouman arvo edelleen kasvoi melko tasaisesti (kuva 37b).

Kaikkien tutkittujen koemateriaalien murtovenymän arvot kasvoivat lämpötilan kasvaessa (kuva 37a). Suurin kasvu todettiin molempien komposiittien osalta lämpötilavälillä 20 - 200 °C ja lujittamattoman AA6061 seoksen osalta lämpötilavälillä 200 - 450°C. Kirjallisuudessa esitettyjen tietojen /51, 52, 67, 68/

mukaan sekä lujittamattomien että lujitettujen alumiiniseosten murtovenymä kuuluisi kasvaa voimakkaimmin 200 °C korkeammissa lämpötiloissa, mikä näyttäisi olevan ristiriidassa tässä työssä saatujen tulosten kanssa molempien komposiittien osalta, mutta yhteneväinen lujittamattoman AA6061-seoksen osalta.

Syynä materiaalien murtovenymän kasvuun on ensisijaisesti se, että lämpötilan kasvaessa vetosauvan kurouma-alueen venymä kasvaa , kuten myös McDanels /52/

ja Phillips /63/ ovat todenneet. Erityisesti komposiitin AA6061-20til.% SiC kohdalla murtovenymän kasvuun vaikuttaa lisäksi myös se, että lämpötilan kohotessa onkalonmuodostuminen leviää koko vetosauvan mittapituudelle, kun se huoneenlämpötilassa on paikallistunut hyvin suppealle alueelle murtopinnan välittömään läheisyyteen (kts. kuvat 56 ja 57). Onkalonmuodostumisen voimistuminen ja leviäminen koko mittapituudelle lämpötilan kohotessa johtaa lämpötilassa 450° C komposiitin AA6061-20til.% SiC murtovenymän kasvuun myös siitä huolimatta, että sen murtokurouma samalla hieman laskee.

Sama ilmiö on luultavasti toiminnassa myös valetun ja pursotetun komposiitin AA6061-15til.% AI2O3 kohdalla, joskin selvästi heikompana johtuen ko.

komposiitin alhaisemmasta lujuustasosta ja lujitemäärästä. On nimittäin todettu /96/, että deformaation paikallistuminen kasvaa huomattavasti matriisin lujuustason ja lujitemäärän kohotessa (kuva 58). Tällöin lämpötilan noustessa materiaalin sitkeyden parantumisen aiheuttama onkalonmuodostumisen ja deformaation leviä­

misen suhteellinen vaikutus on mahdollisesti pienempi materiaaleissa, joissa deformaatio jo ennestään on levinnyt laajemmalle alueelle.

I--- 3 mm I 11---5 mm

Ëo.o%

0.5%

3%

Fig. 1. Reduction in area at various distances from fracture surface for- SiC-Al composite tensile samples: (a) un­

deformed; (b) 20 vol.% SiC; (c) 5 vol.% SiC; (d) 0 vol.% SiC.

Kuva 58. Murtokurouman arvo eri etäisyyksillä vetosauvan murtopinnasta Al-SiC- komposiiteissa /96/.

a) deformoimaton sauva; b) 20til.% SiC; c) 5til.% SiC ja d) Otil.% SiC.

9.3 Tyssäyskoe

9.3.1 Kriittinen korkeusreduktio

Koemateriaalien kriittisten korkeusreduktioiden todettiin riippuvan ennenkaikkea materiaalien lujitepitoisuudesta ja tyssäyslämpötilasta. Lujitepitoisuuden kasvu alensi kriittistä reduktiota, kuten myös Kanetake /22/ on todennut (kts. kuva 18).

Tässä tutkimuksessa havaittiin 20 til.-% piikarbiidipitoisuuden alentavan kriittistä reduktiota huoneenlämpötilassa mitattuna noin 36 %-yksikköä ja 15 til.-% alumiini- oksiidipitoisuuden noin 29 %-yksikköä.

Lämpötilan kasvun todettiin kohottavan materiaalien kriittistä reduktiota, kuten useat muutkin tutkijat /22, 67, 68, 97/ ovat todenneet. Vertailumateriaalina käytetyn AA6061 seoksen sitkeys kasvoi lämpötilan noustessa niin suureksi, että sitä ei saatu murtumaan. Komposiittien kriittiset korkeusreduktiot kasvoivat lujitepitoisuudesta riippuen noin 48 - 55 %:sta noin 70 - 74 %:iin kun lämpötilaa nostettiin huoneenlämpötilasta lämpötilaan 450° C (taulukko 9 ja kuva 38). Komposiittien kriittisen reduktion kohoaminen lämpötilan mukana johtuu pääasiassa siitä, että niiden pohjana olevan matriisiseoksen sitkeys samalla paranee, kuten myös Xiong et ai. /97/ ovat todenneet.

9.3.2 Murtumatyypit

Tyssätyissä näytteissä havaittiin pitkittäinen-, viistoja sekamurtuma. Yhtään selvää kaksoisviistomurtumaa ei havaittu. Pitkittäiset murtumat esiintyivät lähinnä suurilla ja muut murtumatyypit pienemmillä kriittisillä korkeusreduktioi 11a (taulukko 9).

Murtumatyypit voidaan selittää kohdassa 2.2.3 esitetyn mukaisesti seuraavasti, pienillä reduktioilla tyssäyskappaleen ulkopinnan kaareutuminen on verrattain pientä, jolloin aksiaalijännitys oz pysyy negatiivisena (puristavana) koko tyssäyksen aikana ja murtumatyypiksi muodostuu viistomurtuma (kuva 4). Kun materiaalin sitkeys kasvaa joko pienemmän lujitepitoisuuden tai kohonneen lämpötilan takia tyssäystä voidaan jatkaa suurempiin reduktioihin. Tyssäyksen edistyessä koekappaleen ulkopinnan kaareutuminen kuitenkin kasvaa ja aksiaalijännitys oz muuttuu tyssäyksen loppuvaiheessa positiiviseksi (vetojännityk-seksi). Tällöin seurauksena on pitkittäismurtuma.

Koska murtuman tapahtuessa jännitystila voi vaihdella kappaleen pinnan eri osilla, saattaa syntyä sekä viisto- että pitkittäismurtumien yhdistelmiä eli sekamurtumia /16/. Tässä työssä sekamurtumat näyttäisivät syntyvän jonkinlaisella transitio- reduktioalueella" (50 < rc < 60), jossa viistomurtumien syntyminen vähitellen häviää reduktion kasvaessa antaen lopuksi tietä puhtaille pitkittäismurtumille.

7.4 Veto- ja tyssäyskoetulosten vertailu

Verrattaessa tyssäyskokeen antaman kriittisen reduktion ja vetokokeen antamien murtovenymän ja murtokurouman arvoja toisiinsa havaitaan, että ne kaikki reagoivat samalla tavalla partikkelimäärän kasvuun, ts. kaikki parametrit alenevat partikkelimäärän kasvaessa. Kyseiset parametrit näyttävät lisäksi reagoivan samalla tavalla lämpötilan nostoon, joskin kummankin komposiitin kohdalla murto­

kurouman ja murtovenymän arvot kasvoivat voimakkaimmin lämpötila-aluella 20 - 200 °C, kun taas kriittinen korkeusreduktio kasvoi voimakkaimmin lämpötilavälillä 200 - 450 °C. Syynä parametrien hieman erilaiseen käyttäytymiseen voi johtua tyssäyskokeen ja vetokokeen erilaisesta jännitystilasta tai niissä havaittujen murtumien erilaisesta syntytavasta. Vetokokeessa sauvan murtumisen aiheuttavat kuroumakohtaan sauvan keskelle kehittyvät onkalot. Tyssäyskokeissa murtuman aiheuttavat koekappaleen pintaan muodostuvat mikroskooppiset säröt.

Tyssäyskokeen murtuma korreloi materiaalin pinnanlaadun ja pintarakenteen kanssa, kun taas vetokokeen murtuma on yhteydessä materiaalin mikrorakenteeseen ja sisäisiin epähomogenisuuksiin. Todennäköisin syy on kuitenkin se, että tyssäyskokeessa todellinen lämpötila on mitä ilmeisimmin ollut sekä 200 C ja 450

°C nimellislämpötilaa alempi johtuen lämmönjohtumisesta työkaluihin ja muuhun ympäristöön. Voidaan siis spekuloida sillä ajatuksella että, tyssättäessä nimellislämpötilassa 200 °C todellinen lämpötila on itse asiassa ollut sen verran pienempi, että matriisin sitkeys ei vielä ole lähtenyt voimakkaaseen nousuun.

Voidaan edelleen ajatella, että nimellislämpötilassa 450 °C tyssättäessä todellinen lämpötila on jonkun verran alhaisempi, jolloin se mahdollisesti osuisi paremmin materiaalien maksimimuovattavuuslämpötila-alueelle. Tämän mukaan on siis mahdollista että vetokokeessa ollaan ylitetty komposiittimateriaalien sopivin muo- vattavuuslämpötila, jolloin sitkeys on kääntynyt jälleen laskuun.