Skład chemiczny materiałów metalicznych jest czynnikiem deter-minującym ich strukturę i właściwości. W stopach na osnowie fazy międzymetalicznej z układu Fe-Al szczególne znaczenie ma stężenie aluminium, które determinuje rodzaj występującej fazy, a co za tym idzie – jej właściwości. Także wiele mikrododatków stopowych doda-wanych w procesach metalurgicznych wpływa na właściwości materia-łów międzymetalicznych. Modyfikacja struktury przez odpowiednią kombinację dodatków stopowych, a także odpowiedni dobór parame-trów obróbki cieplno-plastycznej pozwalają kontrolować właściwości użytkowe materiałów [12].
Zawartość aluminium w stopie w sposób znaczący wpływa na jego właściwości plastyczne. Wpływ środowiska pary wodnej jest przyczyną niskiej ciągliwości ze względu na powstającą w tych warunkach kru-chość środowiskową, powodującą kruche pękanie stopów FeAl. Wraz ze
wzrostem stężenia aluminium w składzie zmniejsza się wpływ środowi-ska pary wodnej na plastyczność stopów FeAl aż do osiągnięcia składu stechiometrycznego. Jednocześnie zwiększają się stopień uporządkowa-nia oraz gruboziarnistość struktury obniżająca plastyczność [47]. Każde odchylenie od składu stechiometrycznego generuje defekty punktowe, których koncentracja rośnie wraz ze wzrostem różnicy udziału skład-ników stopowych. Zależność wytrzymałości na rozciąganie w funkcji stężenia aluminium, określana jako wytrzymałość sieci krystalicznej, wykazuje znaczący wzrost dla składu bliskiego stechiometrycznemu (rys. 1.3.1). Duża liczba wakansów powoduje wzrost twardości stopów międzymetalicznych FeAl. Wzrost twardości związany jest z efektem zamrożenia wakansów nadmiarowych podczas szybkiego chłodzenia materiału (rys. 1.3.2) [36].
Rys. 1.3.1. Wytrzymałość sieci krystalicznej FeAl w zależności od zawartości Al Fig. 1.3.1. Strength of the FeAl crystal lattice depending on the Al content
Źródło: Kupka M.: Struktura i właściwości stopów na osnowie fazy FeAl otrzyma-nych w procesach metalurgiczotrzyma-nych. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2005.
Rys. 1.3.2. Wpływ stężenia wakansów na mikrotwardość stopów FeAl
Fig. 1.3.2. The effect of vacancy concentration on the microhardness of FeAl alloys Źródło: Kupka M.: Struktura i właściwości stopów na osnowie fazy FeAl
otrzyma-nych w procesach metalurgiczotrzyma-nych. Wydawnictwo Uniwersytetu Śląskiego, Katowice 2005.
Badania przeprowadzone w pracy [51] na stopach FeAl mających różną zawartość aluminium (34%, 40%, i 50% at. Al) wykazały, że nie ma różnicy w strukturze dyslokacji podczas ich odkształcenia. Bez względu na stosunek żelaza do aluminium odkształcenie plastyczne wy-stępujące wewnątrz poszczególnych ziaren przebiega w szerokich pas-mach i kilku systepas-mach poślizgu.
Plastyczność tych stopów zmniejsza chropowatość oraz wewnętrz-ne pory i zanieczyszczenia na granicach ziaren. Stopy, które w swoim składzie zawierają ponad 40% at. aluminium, pękają międzykrystalicz-nie, natomiast stopy o składzie poniżej 40% at. aluminium w sposób transkrystaliczny łupliwy. Istotną cechą stopów na osnowie fazy mię-dzymetalicznej FeAl zwiększającą ich kruchość jest oddziaływanie ato-mowego wodoru w aluminium. Wodór dostaje się do stopu ze źródła w postaci pary wodnej, wody, kwasu lub jako wodór gazowy. W wyso-kiej temperaturze na powierzchni stopu tworzy się ochronna warstwa tlenku aluminium, uniemożliwiająca przedostanie się wodoru do stopu, w wyniku tego zjawiska kruchość wodorowa maleje. W temperaturze ujemnej szybkość reakcji aluminium z wilgocią jest znacznie obniżo-na, co również powoduje zmniejszenie kruchości wodorowej materiału
[26, 41]. Na plastyczność stopów FeAl wpływ mają również wakanse termiczne, zatrzymywane podczas chłodzenia z wysokiej temperatury.
Temperatura wygrzania powinna zapewnić dostateczną ruchliwość dyfu-zyjną wakansów i umożliwić ich anihilację. W celu usunięcia wakansów stopy na osnowie fazy międzymetalicznej FeAl wyżarza się najczęściej w temperaturze 400°C/120 h [25, 32, 36].
Badania nad poprawą właściwości plastycznych stopów FeAl wy-kazały korzystny wpływ dodatków stopowych takich jak: cyrkon, niob, chrom, tytan, węgiel i bor. Problem niejednorodności składu chemicz-nego w objętości materiału uzyskiwachemicz-nego na drodze odlewania może być natomiast wyeliminowany przez zastosowanie metody metalurgii proszków [8, 36, 6]. Wprowadzenie dodatków stopowych takich jak ty-tan, chrom, kobalt, nikiel i miedź podczas procesów technologicznych wywiera również wpływ na granicę plastyczności (rys. 1.3.3) [59].
Odchylenie składu stechiometrycznego fazy FeAl, poprawiające jej plastyczność, można uzyskać, zastępując częściowo żelazo chromem.
Wprowadzenie dodatku chromu w ilości ok. 5% do stopu FeAl poprawia jego właściwości plastyczne w temperaturze pokojowej oraz zapewnia dobre właściwości w temperaturze podwyższonej [42]. Zgodnie z wy-kresem równowagi fazowej FeAlCr w fazie Fe40Al rozpuszcza się do ok. 6% chromu. Na podstawie badań własnych [23] prowadzonych dla stopu Fe40Al5Cr stwierdzono, że z chromem wykazuje mniejszą liczbę wakansów po wyżarzaniu niż stop bez dodatku chromu. Ponadto chrom w przypadku stopu o stężeniu aluminium wynoszącym 40% at. obniża twardość, nie wpływając na właściwości plastyczne stopu. Z kolei stop Fe45Al bez dodatku chromu jest bardziej plastyczny, a dodatek w ilości 5% at. chromu podnosi odporność na działanie wodoru pochodzącego ze środowiska. Po dodaniu chromu granica plastyczności oraz napręże-nie zrywające były wyższe, natomiast zmnapręże-niejszyła się wielkość ziarna.
Dodatki takie jak mangan, chrom, tytan, mające skłonność do zajmo-wania podsieci aluminium, sprzyjają międzykrystalicznemu pękaniu, natomiast stopy z dodatkiem kobaltu, niklu lub miedzi wykazały dość duży udział pękania transkrystalicznego.
Rys. 1.3.3. Wpływ rodzaju dodatku stopowego na umowną granicę plastyczności Fig. 1.3.3. Impact of the type of alloying additive on the yield strength
Źródło: Bystrzycki J.: Stopy z układu Fe-Al, pod redakcją Z. Bojara i W. Przetakie-wicza. Materiały metalowe z udziałem faz międzymetalicznych. Warszawa 2006.
Molibden wprowadzony do stopu FeAl w niewielkich ilościach (ok. 0,2%) poprawia wysokotemperaturową wytrzymałość, odporność na pełzanie i plastyczność w temperaturze pokojowej oraz spawalność.
Zdolność do przeróbki plastycznej poprawia dodatek tytanu i cyrkonu przez rozdrobnienie ziarna. Dodatki te powodują również wzrost gra-nicy plastyczności w temperaturze pokojowej oraz podwyższonej [36, 13]. Wprowadzenie cyrkonu i chromu podobnie jak w stopach
konwen-cjonalnych podwyższa temperaturę rekrystalizacji. Słaba ciągliwość stopów FeAl może zostać poprawiona przez mikrododatki niklu [23].
Wprowadzanie do związków międzymetalicznych z układu FeAl tytanu i chromu ogranicza niszczenie warstwy Al2O3 [30, 34]. Dodatek boru spowalnia rekrystalizację i prowadzi do wolniejszego wzrostu ziarna przez zmniejszenie mobilności granic ziaren [62]. Według danych za-wartych w pracy [42] wpływ dodatków stopowych na właściwości
sto-pów FeAl można podsumować następująco:
− chrom minimalizuje kruchość wodorową,
− nikiel powoduje umocnienie stopów pozbawionych wakansów ter-micznych,
− tytan ułatwia przeróbkę plastyczną,
− cyrkon powoduje rozdrobnienie struktury krystalicznej, hamując re-krystalizację ziaren i powoduje umocnienie stopu,
− bor przyczynia się do rozdrobnienia ziaren, umacnia ich granice oraz poprawia plastyczność stopu,
− molibden poprawia odporność na pełzanie stopu oraz zwiększa pla-styczność materiału w temperaturze pokojowej,
− niob wpływa na właściwości stopu podobnie jak molibden, powodu-jąc zwiększenie jego plastyczności w temperaturze pokojowej.
Dodatki stopowe takie jak cyrkon, bor, wolfram, tytan w ilości 0,01--0,05% mas. wprowadzone do ciekłego stopu, umożliwiają sterowanie procesem krystalizacji, powodując zmianę struktury pierwotnej, a co za tym idzie – zmianę właściwości stopu. Modyfikatory mogą także przy-czynić się do odgazowania stopu i usunięcia zanieczyszczeń [42].
Umocnienie stopów FeAl może być wywołane działaniem dwóch różnych procesów:
− umocnieniem roztworowym (dodatki 1-5% at. X ≡ Cr, Ti, Mn, Co, Ni rozpuszczają się w osnowie FeAl, tworząc po homogenizacji jed-nofazowe stopy B2 FeAl – X);
− umocnieniem wydzieleniowym (dodatki 0,8-5% at. X ≡ B, Zr, Ta, Nb, Re, Hf o ograniczonej rozpuszczalności tworzą wydzielenia faz wtórnych, hamując ruch dyslokacji).
Dodatek stopowy, jakim jest bor, korzystnie wpływa na umocnie-nie granic ziaren tylko w przypadku, kiedy zawartość aluminium umocnie-nie przekracza 46% at. Pierwiastek ten gromadzi się na granicach ziaren stopu FeAl, co powoduje zwiększenie ich wytrzymałości kohezyjnej.
Jednak dodanie boru do stopów FeAl o składzie stechiometrycznym lub zbliżonym do tego składu nie wpływa znacznie na ich plastyczność [26, 8, 11].
1.4. Obróbka plastyczna metodą wyciskania stopu na osnowie