Осадочное твердение

Дисперсионное твердение, также нераспределенной старению , является тепловой обработкой для увеличения прочности в сплавах . Этот процесс также известен как отверждение . Он основан на осаждении из метастабильных фаз (например интерметаллидов ) в тонко измельченной форме, так что они представляют собой эффективное препятствие для дислокационных движений. Предел текучести металлов может быть увеличена до 300 МПа.

Основы

Когда используется отверждение , растворимость одного или нескольких легирующих элементов уменьшается с понижением температуры. Поэтому закалка возможна не для всех сплавов, а только при соблюдении определенных требований:

• Сплав образует смешанные кристаллы с одним или несколькими элементами сплава при повышенных температурах .
• Компоненты упрочняемого сплава должны демонстрировать уменьшающуюся растворимость с понижением температуры.
• Легирующие элементы должны иметь растворимость в основном металле, которая уменьшается с понижением температуры.
• Движущая сила и скорость диффузии должны быть достаточно большими при температуре осаждения, чтобы выполнять работу зародышеобразования.
• Образующиеся осадки должны тонко распределяться в материале и быть устойчивыми к коагуляции при рабочих температурах .

Зона Гинье-Престон

Зоны Гинье-Престона - это области порядка 3-10 нм, в которых происходят процессы сегрегации ( сегрегации ). Перенасыщенные атомы элемента сплава диффундируют и образуют агрегаты в форме стержней или пластинок. Некоторые из этих процессов происходят уже при комнатной температуре и препятствуют перемещению дислокаций в случае пластической деформации . Увеличение прочности и твердости выходит за рамки эффекта упрочнения твердого раствора . Зона названа в честь Андре Гинье и Джорджа Доусона Престона , которые смогли идентифицировать зоны независимо друг от друга в 1938 году, в том числе в алюминиево-медных сплавах.

Влияние на пластическую деформацию

Осадочное упрочнение - это явление, которое можно классифицировать по шкале между упрочнением твердого раствора и измельчением зерна , но оно отличается от того и другого. Взаимодействие с дислокациями зависит от типа, размера и плотности распределения выделений ( интерметаллических фаз ). Выделения могут быть когерентными , частично когерентными или некогерентными с матрицей. Дислокации могут проходить через когерентные и частично когерентные выделения, в то время как некогерентные выделения ведут себя как границы зерен . Однако локальная область растяжения выделения оказывает на дислокации силу, которую необходимо преодолеть при пересечении. Выделения и создаваемые ими поля искажения в решетке матрицы предотвращают скольжение дислокаций и тем самым повышают технологическую прочность и сопротивление пластической деформации.

Когерентные выделения расположены внутри зерна и возникают в элементах сплава с аналогичными параметрами решетки . Наибольшее увеличение прочности обычно достигается при размере частиц менее 50 нм - оптимальный радиус частиц зависит от физических свойств матрицы и фазы осаждения. Механизм Орована описывает теоретический максимум необходимого увеличения напряжения, которое дислокация должна приложить, чтобы преодолеть преципитацию. Небольшие выделения можно обойти, в то время как крупные или «мягкие» выделения удаляются, что приводит к меньшему увеличению напряжения.

Элементы сплава с разными параметрами решетки часто некогерентно отделяются на границах зерен. Некогерентные выделения могут быть сферическими, если осадок имеет относительно высокую поверхностную энергию , или диспергированным, если поверхностная энергия очень низкая. В результате их поверхностной энергии некогерентные выделения имеют тенденцию к росту. Большие выделения растут за счет растворения мелких выделений, и происходит коагуляция ( созревание Оствальда ). Наблюдается снижение предела текучести и прочности из-за старения.

Этапы лечения

Закалка делится на три этапа обработки : термообработка на твердый раствор , закалка и старение (осаждение).

Отжиг раствора (диффузионный отжиг, гомогенизация)

Сплав нагревают до тех пор, пока все элементы, необходимые для осаждения, не перейдут в раствор. Температура не должна опускаться ниже определенного уровня, иначе останутся крупные частицы, ухудшающие механические свойства материала. С другой стороны, нельзя превышать температуру эвтектики сплава, так как в противном случае участки с обогащением легирующими элементами могут расплавиться из-за сегрегации .

Время отжига в растворе может составлять от нескольких минут до часов и зависит от структуры (мелкозернистая, крупнозернистая), типа сплава, типа полуфабриката (прокат, ковка) и размеров детали.

Частицы, выпадающие в осадок во время диффузионного отжига или ранее, называются дисперсоидами . Они контролируют рекристаллизацию , препятствуя перемещению границ зерен. Из-за их низкого содержания в сплаве, их размера и несогласованности с матрицей увеличение их прочности обычно незначительно.

Отпугивать

Диффузии и , таким образом , образование осадка можно предотвратить путем закалки . В смешанных кристаллических остатках в метастабильном, пересыщенных однофазном состоянии. Это достигается охлаждением не ниже критической скорости . Холодная вода, закаленная вода, масло или сжатый воздух могут служить закалочной средой.

Аутсорсинг

Поскольку во время предыдущей закалки образовалось много зародышей, образуется множество мелких выделений, которые равномерно распределены в структуре . Это позволяет целенаправленно настраивать свойства заготовки.

Последующее старение при температуре от 150 до 190 ° C (от 450 до 500 ° C для мартенситностареющей стали ) ускоряет диффузию . Температура старения зависит от сплава. Перенасыщенный однофазный смешанный кристалл превращается в двухфазный сплав за счет образования выделений. Фаза, которая является когерентной по объему и обычно возникает с более высокой долей, называется матрицей , новообразованным выделением . Тип и скорость выделения зависят от температуры, поскольку движущая сила диффузии также зависит от температуры. Зарождение зародышей, рост зародышей и коагуляцию (старение) можно регулировать.

Старение после длительного хранения можно описать уравнением Кельвинга :

${\ displaystyle 2 \ Omega {\ frac {\ gamma} {r}} = RT * ln {\ frac {c} {c_ {0}}}}$

с молярным объемом , удельной межфазной энергией , радиусом осаждения , общей газовой постоянной , температурой и концентрациями . Уравнение утверждает, что чем больше радиус осадка, тем ниже концентрация на границе раздела. Соответственно диффузный z. B. углерод или азот от мелких до крупных осадков. ${\ displaystyle \ Omega}$${\ displaystyle \ gamma}$${\ displaystyle r}$${\ displaystyle R}$${\ displaystyle T}$${\ displaystyle c, c_ {0}}$

Если сталь выдерживается при температуре старения, углерод и азот через некоторое время могут осаждаться в решетке железа в форме карбидов , нитридов или карбонитридов. Закаленная сталь является примером вытеснения углерода дислокациями и образования облаков Коттрелла .

Закалка алюминиевых сплавов

Испытание на длительное упрочнение [AlMgSi1] по методу определения твердости по Виккерсу в рамках проекта модуля «Материаловедение 1 (металлы)» в Техническом университете Кельна, кампус Гуммерсбаха

Осадки закалка является самым важным способом повышения прочности некоторых алюминиевых сплавов ( алюминий-медных сплавов и алюминий-магний-кремниевых сплавов ), так как они не имеют полиморфное превращение и , следовательно , не могут быть закалены через мартенсит формацию.

Ярким примером дисперсионного твердения является дюралюминий , сплав, состоящий из алюминия , 4% меди и 1% магния . Термическая обработка раствора происходит при температуре от 495 ° C до 505 ° C. После закалки материалу можно придать форму. Окончательная прочность достигается холодным старением (при комнатной температуре) или искусственным старением (дисперсионным отжигом ). Заметное явление затвердевания наблюдается уже через несколько минут при комнатной температуре. Это достигает максимума примерно через 4 дня.

Процессы отверждения могут быть замедлены глубокой заморозкой (мин. –20 ° C). Это используется, например, для заклепок из таких сплавов в авиастроении, чтобы добиться более длительного времени обработки. Заклепки хранятся в охлаждающем контейнере до тех пор, пока они не будут подвергнуты дальнейшей обработке в закаленном перенасыщенном состоянии. Затем происходит холодное отверждение при комнатной температуре.

Отверждаемые старением алюминиевые сплавы более подвержены коррозии, чем чистый алюминий, поскольку осадки препятствуют образованию замкнутого оксидного слоя.

веб ссылки

• Разъяснение терминов холод и искусственное старение

Индивидуальные доказательства

1. ^ Т. Гладман: Осадочное упрочнение металлов . В кн . : Материаловедение и технологии . Лента 15 , вып. 1 , 1999, с. 30-36 , DOI : 10,1179 / 026708399773002782 . 
2. ↑ ^{a b c d} Бергманн, Вольфганг: Технология материалов: Применение: с 44 таблицами. 4-е издание Мюнхен: Hanser, 2009.
3. ^ ОБМ Хардуэн Дюпарк: Престон зон Гинье-Престон. Гинье . В: Металлургическая и материалы Сделки B . Лента 41 , нет. 5 октября 2010 г., ISSN  1073-5615 , стр. 925-934 , DOI : 10.1007 / s11663-010-9387-г ( springer.com [доступ 2 ноября 2020]). 
4. ↑ Зона Гинье-Престон. Spektrum Akademischer Verlag, доступ к 2 ноября 2020 года . 
5. ↑ Бергманн, Вольфганг: Материаловедение 1: Структурная структура материалов - Металлические материалы - Полимерные материалы - Неметаллические-неорганические материалы. М: Carl Hanser Verlag GmbH & Co KG, 2013 г.
6. ↑ Гюнтер Готтштейн: Материаловедение и технология материалов, физические основы . 4. доработка. Издание 2014 г., Берлин, Гейдельберг, 2014 г., ISBN 978-3-642-36603-1 , стр. 282 . 
7. ↑ Винфрид Бартманн: Устаревание. В: Комплексные решения Bartmann в стальных зданиях. Винфрид Bartmann, доступ к 2 апреля 2021 . 
8. ↑ Манфред Риле, Эльке Зиммхен: Основы технологии материалов . 2-е издание. Немецкое издательство базовой промышленности Штутгарт, стр. 250 .