Дисперсионного твердения , называемый также возраст затвердевание или отверждение частиц , является тепловая обработка метод , используемый для повышения предела текучести из ковкого материалов, в том числе большинство конструкционных сплавов алюминия , магния , никеля , титана и некоторых сталей и нержавеющих сталей . В суперсплавах , как известно, вызывает предел текучести аномалии обеспечивает превосходную прочность при высоких температурах.
Осадки закалка зависит от изменений в твердой растворимости с температурой для получения мелких частиц примесной фазы , которая препятствует движению дислокаций или дефектов в кристалле «ы решетки . Поскольку дислокации часто являются доминирующими носителями пластичности , это способствует упрочнению материала. Примеси играют ту же роль, что и частицы веществ в композитных материалах, армированных частицами. Подобно тому, как образование льда в воздухе может вызывать облака, снег или град, в зависимости от термической истории данной части атмосферы, осадки в твердых телах могут производить частицы разных размеров, которые имеют радикально разные свойства. В отличие от обычного отпуска , сплавы необходимо выдерживать при повышенной температуре в течение нескольких часов, чтобы могло произойти осаждение. Эта временная задержка называется «старением». Обработка раствора и старение иногда обозначается сокращением «STA» в спецификациях и сертификатах на металлы.
Обратите внимание, что две различные термообработки с участием осадков могут изменить прочность материала: термообработка на твердый раствор и термообработка с осаждением. Упрочнение твердого раствора включает образование однофазного твердого раствора путем закалки. Термическая обработка с осаждением включает добавление примесных частиц для увеличения прочности материала. [1]
Кинетика против термодинамики
Этот метод использует явление пересыщения и включает в себя тщательное уравновешивание движущей силы осаждения и энергии тепловой активации, доступной как для желательных, так и для нежелательных процессов.
Зарождение зародышей происходит при относительно высокой температуре (часто чуть ниже предела растворимости), так что кинетический барьер поверхностной энергии может быть более легко преодолен и может образоваться максимальное количество частиц осадка. Затем этим частицам дают возможность расти при более низкой температуре в процессе, называемом старением . Это осуществляется в условиях низкой растворимости, так что термодинамика управляет большим общим объемом образования осадка.
Экспоненциальная зависимость диффузии от температуры делает усиление осаждения, как и все виды термообработки, довольно деликатным процессом. Слишком низкая диффузия ( при старении ), и частицы будут слишком маленькими, чтобы эффективно препятствовать дислокациям; слишком много (из- за старения ), и они будут слишком большими и рассредоточенными, чтобы взаимодействовать с большинством дислокаций.
Дизайн сплава
Осадочное усиление возможно, если линия растворимости твердых тел сильно наклонена к центру фазовой диаграммы . Хотя желателен большой объем частиц осадка, следует добавить достаточно небольшое количество легирующего элемента, чтобы он оставался легко растворимым при некоторой разумной температуре отжига .
Элементы, используемые для дисперсионного упрочнения в типичных алюминиевых и титановых сплавах, составляют около 10% их состава. В то время как бинарные сплавы легче понять как академическое упражнение, в коммерческих сплавах часто используются три компонента для дисперсионного упрочнения в таких композициях, как Al (Mg, Cu ) и Ti (Al, V ). Большое количество других компонентов может быть непреднамеренным, но безопасным, или может быть добавлено для других целей, таких как измельчение зерна или устойчивость к коррозии . В некоторых случаях, например, во многих алюминиевых сплавах, повышение прочности достигается за счет коррозионной стойкости.
Добавление большого количества никеля и хрома, необходимых для коррозионной стойкости нержавеющих сталей, означает, что традиционные методы закалки и отпуска неэффективны. Однако выделения хрома, меди или других элементов могут упрочнить сталь на аналогичные величины по сравнению с закалкой и отпуском. Прочность можно регулировать, регулируя процесс отжига, при этом более низкие начальные температуры приводят к более высокой прочности. Более низкие начальные температуры увеличивают движущую силу зародышеобразования. Больше движущей силы означает больше центров зародышеобразования, а больше сайтов означает больше мест для дислокаций, которые будут разрушены, пока готовая деталь используется.
Многие системы сплавов позволяют регулировать температуру старения. Например, некоторые алюминиевые сплавы, используемые для изготовления заклепок для авиастроения, хранятся в сухом льду с момента их первоначальной термообработки до установки в конструкции. После того, как заклепка этого типа деформируется до своей окончательной формы, происходит старение при комнатной температуре и увеличивается ее прочность, скрепляя структуру. Более высокие температуры старения могут привести к чрезмерному старению других частей конструкции и потребуют дорогостоящей термообработки после сборки, поскольку высокая температура старения способствует слишком быстрому росту осадка.
Виды закалки
Существует несколько способов упрочнения матрицы выделениями, которые также могут быть разными для деформирующих выделений и недеформирующих выделений. [2]
Деформирующие частицы:
Упрочнение когерентности происходит, когда граница раздела между частицами и матрицей является когерентной, что зависит от таких параметров, как размер частиц и способ введения частиц. Мелкие частицы, выпавшие из пересыщенного твердого раствора, обычно имеют когерентные границы раздела с матрицей. Упрочнение когерентности происходит из-за разницы атомных объемов между осадком и матрицей, что приводит к деформации когерентности. Связанное с этим поле напряжений взаимодействует с дислокациями, приводя к увеличению предела текучести, подобно размерному эффекту при упрочнении твердого раствора.
Модульное упрочнение происходит из-за разного модуля сдвига осадка и матрицы, что приводит к изменению энергии натяжения линии дислокации, когда линия дислокации разрезает осадок. Кроме того, линия дислокации может изгибаться при попадании в осадок, увеличивая затронутую длину линии дислокации.
Химическое упрочнение связано с поверхностной энергией вновь введенной границы раздела преципитат-матрица, когда частица сдвигается дислокациями. Как и в случае упрочнения модуля упругости, анализ межфазной поверхности может быть затруднен искажением линий дислокации.
Упрочнение порядка происходит, когда осадок представляет собой упорядоченную структуру, в которой энергия связи до и после сдвига различается. Например, в упорядоченном кубическом кристалле состава AB энергия связи AA и BB после сдвига выше, чем у связи AB до этого. Связанное с этим увеличение энергии на единицу площади является энергией противофазной границы и накапливается постепенно, когда дислокация проходит через частицу. Однако вторая дислокация может удалить противофазный домен, оставленный первой дислокацией, когда она пересекает частицу. Притяжение частицы и отталкивание первой дислокации поддерживает сбалансированное расстояние между двумя дислокациями, что затрудняет упорядочение.
Недеформируемые частицы:
В недеформируемых частицах, где расстояние достаточно мало или граница раздела преципитат-матрица неупорядочена, дислокации изгибаются вместо сдвигов. Упрочнение связано с эффективным расстоянием между частицами с учетом конечного размера частиц, но не с их прочностью, потому что, как только частица становится достаточно прочной, чтобы дислокации изгибались, а не рассекались, дальнейшее увеличение сопротивления проникновению дислокаций не повлияет на упрочнение.
Теория
Основными видами упрочняющих осадков являются частицы второй фазы. Эти частицы препятствуют движению дислокаций по решетке. Вы можете определить, будут ли частицы второй фазы выпадать в осадок в раствор, по линии солидуса на фазовой диаграмме для частиц. Физически этот эффект упрочнения можно объяснить как размерными и модульными эффектами , так и межфазной или поверхностной энергией . [2] [3]
Присутствие частиц второй фазы часто вызывает искажения решетки. Эти искажения решетки возникают, когда частицы осадка отличаются по размеру и кристаллографической структуре от атомов хозяина. Более мелкие частицы осадка в решетке-хозяине приводят к растягивающему напряжению, тогда как более крупные частицы осадка приводят к сжимающему напряжению. Дислокационные дефекты также создают поле напряжений. Над дислокацией действует сжимающее напряжение, а ниже - растягивающее. Следовательно, существует отрицательная энергия взаимодействия между дислокацией и выделением, каждый из которых соответственно вызывает сжимающее и растягивающее напряжение или наоборот. Другими словами, дислокация будет притягиваться к осадку. Кроме того, существует положительная энергия взаимодействия между дислокацией и выделением, которые имеют одинаковый тип поля напряжений. Это означает, что дислокация будет отталкиваться осадком.
Частицы осадка также служат для локального изменения жесткости материала. Вывихи отталкиваются участками с большей жесткостью. И наоборот, если осадок делает материал более податливым, то дислокация будет притягиваться к этой области. Кроме того, существует три типа межфазных границ (IPB).
Первый тип - это когерентный или упорядоченный IPB, атомы совпадают один за другим вдоль границы. Из-за разницы в параметрах решетки двух фаз с этим типом границы связана энергия деформации когерентности. Второй тип - это полностью неупорядоченный IPB, в котором нет деформаций когерентности, но частица, как правило, не деформируется до дислокаций. Последний представляет собой частично упорядоченный IPB, поэтому деформации когерентности частично снимаются периодическим введением дислокаций вдоль границы.
В когерентных выделениях в матрице, если осадок имеет параметр решетки меньше, чем у матрицы, то атомное совпадение по IPB приводит к полю внутренних напряжений, которое взаимодействует с движущимися дислокациями.
Есть два пути деформации, один - упрочнение когерентности , рассогласование решеток -
Где модуль сдвига, - когерентное рассогласование решеток, - радиус частицы, - объемная доля частиц, вектор гамбургеров, равняется концентрации.
Другой - модульное упрочнение . Энергия энергии дислокации, когда он прорезает осадок, его энергия равна , изменение энергии отрезка линии равно
- .
Максимальная затронутая длина дислокации - это диаметр частицы, изменение линейного натяжения происходит постепенно на расстоянии, равном . Сила взаимодействия дислокации с осадком равна
- а также .
Кроме того, дислокация может прорезать частицу осадка и ввести больше границы раздела между осадком и матрицей, что является химическим упрочнением . Когда дислокация входит в частицу и находится внутри частицы, верхняя часть частицы сдвигается по отношению к нижней части, сопровождающая вход дислокации. Аналогичный процесс происходит при выходе дислокации из частицы. Полный переход сопровождается созданием площади поверхности матрицы-преципитата примерной величины, где r - радиус частицы, b - величина вектора Бюргерса. Результирующее увеличение поверхностной энергии составляет, где - поверхностная энергия. Максимальная сила между дислокацией и частицей составляет, соответствующее напряжение течения должно быть .
Когда частица сдвигается дислокацией, необходимо пороговое напряжение сдвига для деформации частицы. Выражение для требуемого напряжения сдвига выглядит следующим образом:
Когда размер осадка невелик, необходимое напряжение сдвига пропорциональна размеру осадка Однако для фиксированной объемной доли частиц это напряжение может уменьшаться при больших значениях r из-за увеличения расстояния между частицами. Общий уровень кривой повышается за счет увеличения либо собственной прочности частиц, либо объемной доли частиц.
Дислокаций может также лук вокруг осадок частицы с помощью так называемого механизма Орована.
Поскольку частица не деформируется, дислокация огибает частицы (), напряжение, необходимое для осуществления обхода, обратно пропорционально расстоянию между частицами , это, , где - радиус частицы. Дислокационные петли окружают частицы после операции обхода, последующая дислокация должна быть выдавлена между петлями. Таким образом, эффективное расстояние между частицами для второй дислокации уменьшается до с участием , а обходное напряжение для этой дислокации должно быть , что больше, чем у первого. Однако с увеличением радиуса частицыувеличится, чтобы поддерживать ту же объемную долю осадков, увеличится и уменьшится. В результате материал станет слабее по мере увеличения размера осадка.
Для фиксированной объемной доли частиц уменьшается с увеличением r, так как это сопровождается увеличением расстояния между частицами.
С другой стороны, увеличение увеличивает уровень напряжения в результате меньшего расстояния между частицами. Уровеньне зависит от прочности частиц. То есть, когда частица становится достаточно сильной, чтобы сопротивляться разрезанию, дальнейшее увеличение ее сопротивления проникновению дислокаций не влияет на, который зависит только от свойств матрицы и эффективного расстояния между частицами.
Если частицы А объемной доли диспергированы в матрице, частицы дробятся на и обходятся , максимальная прочность достигается при , где режущее и изгибающее напряжения равны. Если присутствуют изначально более твердые частицы B с той же объемной долей, уровень кривая увеличивается, но кривая один нет. Максимальное упрочнение, большее, чем у частиц А, наблюдается при. Увеличение объемной доли A повышает уровень обоих а также и увеличивает максимальную полученную прочность. Последний находится на, который может быть меньше или больше в зависимости от формы изгиб.
Основные уравнения
Есть два основных типа уравнений для описания двух механизмов дисперсионного твердения:
Дислокация, прорезающая частицы: для большей прочности на ранней стадии она увеличивается с увеличением, где - безразмерный параметр рассогласования (например, при упрочнении когерентности, - дробное изменение параметра решетки преципитата и матрицы), объемная доля осадка, - радиус преципитата, а - величина вектора Бюргерса . В соответствии с этим соотношением прочность материалов увеличивается с увеличением несоответствия, объемной доли и размера частиц, так что дислокации легче прорезать частицы с меньшим радиусом.
Для различных типов упрочнения резанием основные уравнения следующие.
Для усиления когерентности
,
,
где повышенное напряжение сдвига, - модуль сдвига матрицы, а также - параметр решетки преципитата или матрицы.
Для модульного упрочнения
,
,
где а также - модуль сдвига осадка или матрицы.
Для химического упрочнения,
,
,
где - межфазная поверхностная энергия частицы и матрицы.
Для усиления порядка,
(низкий - выпадение на ранней стадии), где дислокации широко разнесены;
(высокая - выпадение на ранней стадии), где дислокации не разнесены на большие расстояния; , где - энергия противофазной границы.
Дислокации, огибающие частицы: когда осадок достаточно сильный, чтобы сопротивляться проникновению дислокаций, изгибы дислокаций и максимальное напряжение задаются уравнением Орована. Изгиб дислокации, также называемый упрочнением Орована [4] , более вероятен, когда плотность частиц в материале ниже.
где прочность материала, модуль сдвига, - величина вектора Бюргерса, расстояние между точками закрепления, а - радиус частицы второй фазы. Это основное уравнение показывает, что при изгибе дислокации прочность обратно пропорциональна радиусу частицы второй фазы., потому что при фиксированной объемной доле осадка интервал между частицами увеличивается одновременно с радиусом частицы , следовательно увеличивается с .
Эти основные уравнения показывают, что механизм дисперсионного твердения зависит от размера частиц осадка. На малых, обрезка будет преобладать, в то время как в целом Поклоны будут преобладать.
Глядя на график обоих уравнений, становится ясно, что существует критический радиус, при котором происходит максимальное упрочнение. Этот критический радиус обычно составляет 5-30 нм.
Вышеупомянутая модель упрочнения Орована не учитывает изменения дислокаций из-за изгиба. Если учесть прогиб и предположить условие нестабильности в механизме Франк-Рида, критическое напряжение для дислокаций, прогибающихся между сегментами закрепления, можно описать как: [5]
где является функцией , - угол между линией дислокации и вектором Бюргерса, - эффективное разделение частиц, вектор Бюргерса, а - радиус частицы.
Примеры материалов для дисперсионного твердения
- Алюминиевые сплавы серии 2000 (важные примеры: 2024 и 2019 годы, а также сплав Y и Hiduminium )
- Алюминиевые сплавы серии 6000 (важный пример: 6061 для велосипедных рам и авиационных конструкций)
- Алюминиевые сплавы серии 7000 (важные примеры: 7075 и 7475 )
- 17-4 нержавеющая сталь ( UNS S17400 )
- Мартенситностареющая сталь
- Инконель 718
- Сплав Х-750
- Рене 41
- Waspaloy
- Стали с дисперсионным упрочнением меди
- Шелковица (урановый сплав)
Смотрите также
- Альфред Вильм
- Сопротивление материалов
- Механизмы усиления материалов
- Металлургия
- Суперсплав
Рекомендации
- ^ WD Каллистер. Основы материаловедения и инженерии , 2-е изд. Wiley & Sons. С. 252.
- ^ а б Тосмас Х. Кортни. Механическое поведение материалов , 2-е изд. Waveland Press, Inc., стр. 198-205.
- ^ Т. Гладман, Осадочное упрочнение в металлах .
- ^ Орован Поклон архивации 2011-09-28 в Wayback Machine
- ^ Soboyejo, Wole О. (2003). «8.6.1 Укрепление вывиха / Орована». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. OCLC 300921090 .
дальнейшее чтение
- Справочник по металлам ASM, том 4, термообработка
Внешние ссылки
- Проект aluMatter
- Дисперсионное упрочнение легких сплавов. Позитронная спектроскопия. [ постоянная мертвая ссылка ]