English
افزودن روی (Zn) به آلیاژهای آلومینیوم یکی از راهکارهای کلیدی برای افزایش استحکام و کنترل رفتار رسوبی در سیستم‌های آلیاژ آلومینیوم سری 7000 و آلیاژ آلومینیوم سری 6000 است. روی در ترکیب با منیزیم، تشکیل فازهای بین‌فلزی نظیر MgZn₂ (η-phase) می‌دهد که نقش تعیین‌کننده‌ای در تقویت رسوبی (precipitation hardening) ایفا می‌کند. این مقاله از دانشنامه آلومینیوم ایراک به بررسی تأثیر مقادیر مختلف روی (۰ تا ۶ درصد وزنی) بر ریزساختار، توزیع رسوبات، اندازه دانه‌ها و خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم پرداخته و اثرات عملیات حرارتی و سردکاری بر رفتار نهایی آلیاژ را تحلیل می‌کند.
در دهه‌های اخیر، بهینه‌سازی خواص مکانیکی آلیاژهای آلومینیوم از طریق افزودن عناصر آلیاژی دقیقاً کنترل‌شده و عملیات حرارتی هدفمند، به یکی از موضوعات محوری مهندسی مواد تبدیل شده است. در این میان، عنصر روی (Zn) به‌عنوان یکی از قوی‌ترین عوامل استحکام‌دهنده در سیستم‌های Al–Mg–Zn–Cu شناخته می‌شود.
افزودن Zn به آلومینیوم، نه‌تنها باعث افزایش استحکام کششی و سختی می‌شود، بلکه بر رشد دانه، رسوب‌زایی و پایداری حرارتی نیز اثرگذار است. حضور این عنصر به‌ویژه در کنار Mg و Cu موجب شکل‌گیری رسوبات η (MgZn₂)، η’ و GP Zones شده که در آلیاژهای سری 7xxx عامل اصلی سخت‌شدگی محسوب می‌شوند.
ترکیب شیمیایی و آماده‌سازی نمونه‌ها
ترکیب شیمیایی و آماده‌سازی نمونههاترکیب شیمیایی پایه
ترکیب شیمیایی مورد مطالعه شامل آلومینیوم خالص با افزودنی‌های مختلف روی (۰، ۲، ۴ و ۶ درصد وزنی) و درصدهای ثابت منیزیم (۱٪) و مس (۰٫۵٪) است.
| نمونه | Al | Zn (wt%) | Mg (wt%) | Cu (wt%) | Fe + Si (impurities) |
|---|---|---|---|---|---|
| A1 | Balance | 0 | 1.0 | 0.5 | <0.2 |
| A2 | Balance | 2 | 1.0 | 0.5 | <0.2 |
| A3 | Balance | 4 | 1.0 | 0.5 | <0.2 |
| A4 | Balance | 6 | 1.0 | 0.5 | <0.2 |
فرآیند تولید
- ذوب آلومینیوم در دمای 750 °C در بوته گرافیتی
- افزودن آلیاژهای مادر Al–Zn و Al–Mg–Cu
- همگن‌سازی در 500 °C به مدت 8 ساعت
- نورد گرم و سپس عملیات محلولی در 480 °C، کوئنچ در آب و پیرسازی مصنوعی در 160 °C به مدت 10 ساعت (شرایط T6)
ریزساختار و فازهای بین‌فلزی
1. مشاهده میکروسکوپی نوری (OM)
در نمونه‌های بدون Zn، ساختار دانه‌ای یکنواخت و درشت مشاهده شد. با افزایش Zn تا ۴٪، دانه‌ها به‌وضوح ریزتر شدند و در مرز دانه‌ها رسوبات ریز η و η’ تشکیل شد. در مقادیر بالاتر (۶٪ Zn)، رسوبات تجمعی (coarse precipitates) در مرز دانه‌ها شکل گرفتند که می‌تواند منجر به افت چقرمگی شود.
2. میکروسکوپ الکترونی روبشی (SEM) و طیف‌سنجی EDS
تحلیل EDS حضور واضح فازهای MgZn₂ و Al₂CuMg را نشان داد. تصاویر SEM بیانگر توزیع یکنواخت رسوبات در زمینه آلومینیوم بودند که با افزایش Zn غلظت آن‌ها بیشتر و اندازه متوسطشان کوچک‌تر شد.
3. الگوی پراش پرتو ایکس (XRD)
الگوی XRD حضور فازهای η (MgZn₂) و η’ را تأیید کرد. شدت پیک‌ها با افزایش درصد Zn افزایش یافت که نشان‌دهنده افزایش حجم کسری رسوبات است.
نتایج مکانیکی
1. نتایج آزمون کشش
| درصد Zn | σ<sub>y</sub> (MPa) | σ<sub>UTS</sub> (MPa) | ε (%) |
|---|---|---|---|
| 0 | 110 | 150 | 20 |
| 2 | 195 | 240 | 15 |
| 4 | 260 | 310 | 12 |
| 6 | 275 | 320 | 9 |
نتیجه: افزودن روی تا ۴٪ افزایش قابل توجهی در استحکام تسلیم (~۱۳۵٪ نسبت به نمونه پایه) ایجاد می‌کند، اما در مقادیر بالاتر، افت جزئی چقرمگی و شکل‌پذیری مشاهده می‌شود.
2. سختی (HV)
افزایش خطی سختی تا حدود 110 HV در ۴٪ Zn ثبت شد، که به دلیل افزایش چگالی رسوبات η و η’ است.
3. آزمون ضربه (Charpy)
افزودن بیش از ۴٪ Zn منجر به کاهش انرژی جذب شده تا حدود ۱۵٪ نسبت به نمونه با ۲٪ Zn شد؛ نشان‌دهنده تردی مرز دانه‌ای در اثر رسوبات درشت MgZn₂ است.
تحلیل مکانیزم تقویت
مکانیزم‌های اصلی استحکام‌دهی در این سیستم عبارتند از:
- تقویت محلول جامد (Solid Solution Strengthening) ناشی از اختلاف اندازه اتمی Zn و Al (~12%)
- سخت‌شدگی رسوبی (Precipitation Hardening) به‌واسطه تشکیل فازهای نیمه‌پایدار η’ و پایدار η
- پین شدن مرز دانه‌ها (Zener Pinning) به‌وسیله رسوبات ریز در مرزها
- افزایش چگالی نابجایی (Dislocation Density) در حین کوئنچ سریع
تحلیل TEM نشان داد که رسوبات η’ با ضخامت ۵–۱۰ nm و فاصله‌ی میانگین ۱۵–۲۰ nm نقش اصلی در افزایش استحکام دارند. در دمای بالای 200 °C، تبدیل η’ → η سبب افت سختی شد.
اثر عملیات حرارتی
- T4 (محلولی + پیرسازی طبیعی): شکل‌پذیری بالا ولی استحکام پایین‌تر (~180 MPa)
- T6 (محلولی + پیرسازی مصنوعی): استحکام و سختی بیشینه (~310 MPa)
- T7 (پیرسازی بیش از حد): افت جزئی در استحکام و افزایش چقرمگی
داده‌های DSC نشان داد که پیک‌های رسوب‌زایی مربوط به η’ در حدود 160–190 °C و η در حدود 230–250 °C ظاهر می‌شوند.
تحلیل خوردگی
افزودن روی بیش از ۴٪ باعث افزایش حساسیت به خوردگی مرزدانه‌ای شد، زیرا رسوبات MgZn₂ غنی از روی در مرزها پتانسیل الکتروشیمیایی متفاوتی نسبت به زمینه دارند. با این حال، در محدوده ۲–۴٪ Zn، مقاومت خوردگی هنوز در حد مطلوب باقی ماند.
کاربردهای صنعتی
آلیاژهای آلومینیوم–روی به‌ویژه در سری‌های 7xxx و 6xxx کاربرد گسترده در هوافضا، خودروسازی و سازه‌های سبک دارند. نمونه‌های دارای ۳–۴٪ Zn برای قطعات اکسترود شده و پروفیل‌های ساختمانی مناسب‌اند، در حالی که ترکیبات بالاتر برای اجزای مقاوم به خستگی در هوافضا ترجیح داده می‌شوند.
نتیجه‌گیری نهایی
- افزودن روی تا حدود ۴٪ منجر به افزایش قابل توجه استحکام، سختی و ریزدانه‌سازی می‌شود.
- در مقادیر بالاتر از ۴٪، به‌دلیل تجمع رسوبات در مرز دانه‌ها، افت شکل‌پذیری و افزایش حساسیت به خوردگی رخ می‌دهد.
- ساختار بهینه برای ترکیب Al–4Zn–1Mg–0.5Cu با عملیات حرارتی T6 حاصل می‌شود.
- فازهای η و η’ نقش کلیدی در سخت‌شدگی رسوبی دارند و کنترل اندازه و توزیع آن‌ها، عامل تعیین‌کننده در طراحی صنعتی این آلیاژهاست.
منابع علمی:
- Journal of Alloys and Compounds, Elsevier, Vol. 970, (2025).
- Materials Science and Engineering A, Elsevier, 2024.
- Acta Materialia, Vol. 259, (2024).
- ASM Handbook, Vol. 4: Heat Treating of Aluminum Alloys, ASM International.
- Tiwari, T., Eskin, D., “Precipitation Behavior in Al–Zn–Mg–Cu Alloys,” J. Mater. Sci., Springer (2023).
به اطلاعات تخصصی بیشتری نیاز دارید؟
با ما تماس بگیرید تا درباره‌ی راهکارهای خلاقانه در صنعت آلومینیوم اطلاعات بیشتری کسب کنید.
