מאפייני מתח-מאמץ של אלומיניום

הן ממקומו בטבלה המחזורית, עם מספר אטומי של 13 בגבול בין אלמנטים מתכתיים ולא מתכתיים, והן ממבנה מעוקב (FCC) המרוכז בפניו, ברור כי אלומיניום הוא אחד היסודות הפעילים ביותר מבחינה כימית. למעשה, יש לו זיקה חזקה מאוד לחמצן, אשר נראה לעשות אלומיניום נוטה בקלות קורוזיה. מעניין, פני השטח של אלומיניום המיוצר לאחרונה יגיב מיד עם חמצן, לייצר שכבת תחמוצת דקה, יציבה יחסית אינרטית המגנה על המתכת הבסיסית הן מפני חמצון וסוגים אחרים של התקפות כימיות. מאפיין משטח זה, בנוסף לאופיו הקל יחסית וקשיותו, הוא מה שהופך את האלומיניום לחומר בנייה רצוי מאוד.

ציפוי תחמוצת על משטחי אלומיניום הוא בדרך כלל דק מאוד (כ 50 עד 100 Å) ונצמד בחוזקה לחומר הבסיס, בניגוד תחמוצות ברזל טיפוסיות הנפוצות בפלסות. שכבת תחמוצת היא כל כך דקה כי זה לא משפיע על המאפיינים המכניים של אלומיניום, והוא כמעט שקוף לעין, ובכך לא לגרוע התכונות האסתטיות של החומר. ישנן מספר טכניקות אנודיזציה שניתן להשתמש בהן כדי להגדיל את העובי של שכבת תחמוצת זו כדי לשפר את עמידות הקורוזיה והשחיקה שלה. אחד החיסרון הפוטנציאלי של אלומיניום לשקול לפני השימוש בו הוא שהוא נמס בטמפרטורה נמוכה יחסית, ולכן אינו מתאים ליישומים בטמפרטורה גבוהה.

אלומיניום הוא קל משקל, בעל צפיפות בערך 1/3 של פלדה; מערכת יחסים זו 1/3 נכונה גם עבור מודולוס של גמישות, אשר נלקח לעתים קרובות כמו 70GPa (10,000 ksi) עבור אלומיניום. כוחו ותכונות מכניות אחרות, אשר נמוכים מאוד במצבו הטהור, ניתן לשפר באופן משמעותי על ידי alloying וטיפול בחום, בדיוק כמו במקרה של פלדה. חיזוק יכול להיות מושגת גם באמצעות עבודה קרה או התקשות מתח, שבו החומר מגולגל או נמשך דרך מת וכתוצאה מכך ירידה באזור של הסדין או הסורגים.

התוספות העיקריות לסגסוגת לאלומיניום הן נחושת, מנגן, סיליקון, מגנזיום ואבץ. אלמנטים אחרים מתווספים גם בכמויות קטנות יותר עבור עידון תבואה ולפתח תכונות מיוחדות:

• נחושת יש מסיסות ניכרת באלומיניום ומעניק אפקט חיזוק משמעותי באמצעות המאפיינים הקשוחים של סגסוגת. סגסוגות אלומיניום רבות מכילות נחושת כתוספת העיקרית או בין האלמנטים העיקריים alloying, בריכוזים של 1 עד 10%.
• מנגן יש מסיסות מוצקה מוגבלת באלומיניום, אבל בריכוזים של כ 1% יוצר סדרה חשובה של סגסוגות אלומיניום יצוק שאינו ניתן לטיפול בחום.
• סיליקון מוריד את נקודת ההיתוך ומגביר את הנזילות של אלומיניום. עלייה מתונה בכוח מסופקת גם על ידי תוספות סיליקון.
• מגנזיום מספק חיזוק ושיפור משמעותיים של מאפייני הקשת העבודה של אלומיניום. יש לו מסיסות גבוהה יחסית אלומיניום מוצק אבל סגסוגות Al-Mg המכילים פחות מ 7% Mg אינם מראים מאפייני טיפול בחום ניכרים. מגנזיום מתווסף גם בשילוב עם אלמנטים אחרים, בעיקר נחושת ואבץ, לשיפורים גדולים עוד יותר בכוח.
• אבץ מועסק בסגסוגות יציקה ובשילוב עם מגנזיום בסגסוגות מחושלות כדי לייצר סגסוגות הניתנות לטיפול בחום בעלות החוזק הגבוה ביותר בין סגסוגות אלומיניום.
• בדיל משפר את האנטי-פריידקציה האופיינית לאלומיניום, וסגסוגות אל-סן יצוקות משמשות לעתים קרובות עבור מסבים.
• נחושת וסיליקון הם alloyed יחד סגסוגות יציקה סדרת 3xx.x נפוץ. טווחים רצויים של מאפיינים ומאפיינים מתקבלים הן סגסוגות הניתנות לטיפול בחום והן בסגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום.
• מגנזיום וסיליקון מתווספים בפרופורציות משוערות כדי ליצור Mg₂Si, המהווה בסיס להקשת גיל בסגסוגות מחושלות ויציקות.

שני סוגים כלליים של מוצרי אלומיניום מוכרים בדרך כלל: יצוק ויציקה. כל אלומיניום שנוצר על ידי חומר זורם לתוך חול או עובש קבוע, להיות יצוק למות, או להיות יצוק על ידי כל תהליך אחר שבו הליהוק הוא הצורה הסופית, מכונה אלומיניום יצוק; כל מוצר אחר נלקח כמוצר מחושל. בארה"ב, סגסוגות יצוקות אלומיניום (גיליון, צלחת, שחול, חיצוצים, חישלות) יש מספר זיהוי בן ארבע ספרות, בעוד סגסוגות יצוק יש מספר תלת ספרתי משמאל לנקודה העשרונית וספרה אחת מימין לנקודה העשרונית (ראה טבלה 1). הספרה הראשונה מגדירה את המרכיב העיקרי alloying עבור סגסוגות יצוקות ויצוקות. המרכיב העיקרי alloying הוא בדרך כלל 5 אחוזים או פחות (לפי משקל) סגסוגות יצוקות אותו או גבוה יותר סגסוגות יצוק. רוב סגסוגות מכילים שניים עד ארבעה אלמנטים אחרים אבל בכמות קטנה בהרבה מאשר המרכיב alloying העיקרי. ביעוד סגסוגת מחושלת, שתי הספרות האחרונות בסדרת 1XXX מעניקות את אחוז האלומיניום המינימלי מעל 99.00%. בסדרת 2XXXX עד 9XXX, שתי הספרות האחרונות מציינות את הסגסוגות הבודדות הרשומות עבור הסדרה. הספרה השנייה מייעדת שינוי של הסגסוגת המקורית. מערכת ייעוד סגסוגת דומה ליציקות. במקרה זה, הספרה השנייה והשלישית נותנות את אחוז האלומיניום המינימלי מעל 99.00% עבור סגסוגות lXX.X. ב-2 אקס-אקס. X עד 9XX. סדרת X, שני המספרים השניים הם סגסוגות בודדות הרשומות בסדרה. עבור סגסוגות יצוק, המספר מימין לנקודה העשרונית נותן טופס מוצר: 0 עבור יציקות, ו 1 ו 2 (מגבלות הרכב צר יותר מאשר 1) עבור מטיל. סגסוגות בקבוצות 2, 6 ו 7 ניתנות לטיפול בחום.

טבלה 1: מערכת ייעוד סגסוגת אלומיניום יצוקה ויצוקה.

בנוסף, מספר מזג משמש כדי לציין כיצד המוצר היה מפוברק, והוא חל הן על מוצרים מחושלים ויציקה. מזגי F ו- O חלים על כל סגסוגות וצורות המוצר. טמפרטורים ייעודיים TXXXX להחיל על סגסוגות וצורות מוצר המקבלים ומגיבים לטיפול תרמי לאחר ייצור. סגסוגות אלה אמורים להיות בחום לטיפול. סגסוגות מחושלות בסדרת 2XXXX, 6XXX ו- 7XXX וסגסוגות הגבס נמצאות בדרך כלל בקבוצה זו. סגסוגות שאינן ניתנות לטיפול בחום צוברות את כוחן ומאפיינים אחרים על ידי התקשות המתח, ומזג של H מצוין. בקבוצה זו נכללים 1 XXX, 3XXX ו- 5XXX. פרטים נוספים על הרוחות כלולים במסמכי התייחסות שונים של איגוד האלומיניום.

המזג הבסיסי הוא:

• "F" או מפוברק: חל על מוצרים של גיבוש תהליכים שבהם אין שליטה מיוחדת על תנאי התקשות תרמית או עבודה.
• "0" או חישול: חל על מוצרים מחושלים, אשר כבר מחומם כדי לבצע recrystallization ולייצר את מצב החוזק הנמוך ביותר, ועל מוצרי יציקה, אשר מחושלים כדי לשפר את הדביקות ואת היציבות ממדית.
• "H" או זן מוקשח: חל על מוצרים מחושלים אשר מתחזקים על ידי מתח התקשות באמצעות עבודה קרה; הקשחת המתח עשויה להיות מלווה טיפול תרמי משלים אשר מייצר ירידה מסוימת בכוח. ה- H תמיד מלווה בשתי ספרות או יותר. ישנן שלוש קטגוריות בסיסיות להקשחת מתח: HI, H2 ו- H3, שבהן הספרה הראשונה מציינת את הפעולות הבסיסיות (1 = זן מוקשח בלבד; 2 = מחוסן ו מחושה חלקית; 3 = מתח מוקשח ומיוצב). הספרה השנייה מציינת את מידת התקשות המתח (1= רבעון; 2 = חצי; 3 = מלא; ו 4 = קשה במיוחד).
• "W" או פתרון מטופל בחום: מזג לא יציב החל רק על סגסוגות אשר מזדקנים באופן ספונטני בטמפרטורת החדר לאחר טיפול בחום פתרון.
• "T" או מטופלים תרמית: חל על מוצרים אשר מטופלים בחום, לפעמים עם מתח משלים התקשות, כדי לייצר מזג יציב מלבד F או 0. ה- T תמיד מלווה בספרה אחת או יותר. בעיקרון, סגסוגות אלומיניום הניתנות לטיפול בחום יזדקנו באופן טבעי בטמפרטורת החדר לאחר ההרוואות ויתחזקו על ידי התקשות משקעים.

תמונה 1 מראה עקומת מתח אופיינית לאלומיניום T661. זהו חומר עם כוח טוב ונוקשות, קל לסיים אנודייז. אלומיניום T6 6061 משמש בדרך כלל במארזים עבור מוצרים אלקטרוניים רבים, כגון מחשבים ניידים טלוויזיות.

עקום המתח ב-Fig. 1 אינו מציג נקודת תשואה חדה, אלא ירידה הדרגתית במודולוס של גמישות. כדי לקבוע נקודת תשואה למטרות הנדסיות, ASTM וארגונים אחרים אימצו את גישת ההיסט של 0.2%. כפי שמוצג ב- Fig. 2, הדבר דורש קביעת קו ההתאמה הטובה ביותר לחלק הליניארי של ההתנהגות, וציור קו עם שיפוע דומה המתחיל במתח של 0.2%. הכוח שבו קו שני זה מצטלב עקום מתח-מתח מוגדר באופן שרירותי ככוח התשואה.

איור 1: עקומת מתח אופיינית לאלומיניום שטופלו בחום.

איור 2: הגדרת חוזק תשואה לחומרים ללא נקודת תשואה ברורה.

מן המדידות ותאנה 3, אלומיניום שטופלו בחום, כגון 6061T6 המשמש במבחן זה, יציג בדרך כלל % התארכות בטווח של 8%-13%. חשוב לציין שכמעט כל העיוות הוא לוקליזציה באמצעי אחסון קטן ולכן התארכות %היא רק ממוצע; באופן מקומי הזן יכול להיות הרבה יותר גבוה. שים לב גם כי הפחתת האחוז של שטח היא גם מדידה קשה מאוד לעשות כמו המשטחים אינם אחידים; לכן ערך זה ינוע במידה ניכרת.

טבלה 1. תוצאות בדיקות מתח על דגימות אלומיניום מעגליות 6061 T6.

איור 3 - צוואר בדגימה מאלומיניום. 

איור 4 - משטח כשל סמי-רקיע טיפוסי. 

באופן כללי, אלה ישתנו משבר גיסת רקיע (גביע חרוט) לשבר מחשוף שביר. הכישלון המוצג ב- Fig. 3 ותאנה 4 עולה בקנה אחד עם תהליך זה, אך ניתן לראות פחות משיכות באלומיניום זה בהשוואה לפלדה המגולגלת החמה בסרטון JoVE על "מאפייני מתח-זן של פלדות". לכן כישלון זה יכול להיות מאופיין כצינור למחצה גם אם התארכות %הוא גדול יחסית. תוצאות אופייניות מוצגות ב איור 1.

ניסוי זה תיאר כיצד להשיג עקומת מתח-זן עבור אלומיניום טיפוסי. הבדלים עקומות מתח-זן ניתן לייחס כל הבדל בעיבוד (למשל, יציקה, שחול, טיפול בחום או עבודה קרה) הרכב כימי (למשל, סוג ואחוז של סגסוגות). תהליכים וסגסוגות אלה להגדיל את כוחו של אלומיניום על ידי גורם של 20 עד 60 פעמים מזה של החומר הטהור. הבדיקות הראו כי אלומיניום הוא חומר רקיע כאשר טעון במתח חד-אקסיאלי.

אלומיניום הוא חומר מאוד תכליתי וקשוח. איגוד האלומיניום מציין כי "... היישומים שלה משתרעים מפריטים יומיומיים כמו כלי רכב חסכוניים בדלק, טלפונים חכמים, רוכסנים וסיכול חיווט רשת החשמל של האומה, פסגת אנדרטת וושינגטון ושיכון תחנת החלל הבינלאומית. ... 75 אחוזים מדהימים מכל האלומיניום שיוצר אי פעם עדיין בשימוש. ייצור אלומיניום ממוחזר דורש רק 8 אחוזים מהאנרגיה ויוצר 8% מהפליטות בהשוואה לייצור ראשוני".

היישום החשוב ביותר של מבחן המתח המתואר כאן הוא בתהליך בקרת האיכות במהלך הייצור של אלומיניום. תקני ASTM דורשים כי בדיקה כזו תנוהל על דגימות מייצגות של כל חום של אלומיניום, ותוצאות כאלה חייבות להיות עקיבות לאמות מידה שנקבעו. יצרני אלומיניום משתמשים בתקנים כגון ISO/TS 16949 ודומים ל- QC/QA של חומרים לתעשיות הרכב והקשורות.

רדיד אלומיניום בתעשיית הבישול מסתמך על בדיקות מתיחה כדי להבטיח כי רדיד אלומיניום הוא גמיש מספיק כדי להיות תמרון בקלות ביד. כנ"ל לגבי פחיות סודה - חזק מספיק כדי להישאר במקום כאשר מוחזק, אבל למחוץ בקלות כאשר רוצים.