2016. 10. 05.
ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Anyagismeret 2016/17
Szilárdságnövelés Dr. Mészáros István
[email protected] 1
Az előadás során megismerjük • A szilárságnövelő eljárásokat; • Az eljárások anyagszerkezeti alapjait; • Technológiai alkalmazási lehetőségüket.
2
1
2016. 10. 05.
Szilárdságnövelési eljárások • • • •
Képlékenyalakítás Szemcsefinomítás Ötvözés Alkalmas hőkezelési eljárások a) kiválásos keményedés b) diszperziós keményedés c) allotrop átalakulás esetén. 3
Szilárdság
A képlékenyalakítás hatása
Diszlokációsűrűség
Hidegalakítás során megváltoznak a mechanikai jellemzők. Az anyag szilárdsága nő, képlékenysége és szívóssága csökken. Az aktuális folyáshatár, illetve a feszültség növekedése a következő egyenletekkel írható le: 4
2
2016. 10. 05.
c n
ahol n - keményedési kitevő, c, k - anyagi paraméterek, ρ - diszlokációsűrűség
Feszültség MPa
Mechanikai tulajdonságok változása
600
50
Rm
500 400
40
Re
300
Lágyacél
200
Z
100 0
0
10
20
30
40
Kontrakció %
k
30 20 10
50
Alakváltozás mértéke %
0 60 5
Szemcsehatár hatása szemcsehatár
A szomszédos krisztallitok egymástól eltérő orientációja miatt a szemcsehatárok akadályozzák a diszlokációk mozgását az egyik szemcséből a másikba. 6
3
2016. 10. 05.
Szemcsehatárok hatása
A határon felhalmozódó diszlokációk feszültségtere (feszültségcsúcs) indítja meg az alakváltozást a szomszédos krisztallitban.
Szemcseméret szemcsehatáron felhalmozódó diszlokációk száma Inhomogén alakváltozás
7
Szemcseméret hatása Re
acél alumínium
nagy szemcse
Hall–Petch-egyenlet
Re Re 0 kd
1 2
kis szemcse
d
1 2
Re0 - egykristály folyási határa, d - szemcseátmérő, k - anyagtól függő állandó 8
4
2016. 10. 05.
Ötvözés hatása 1.
Cottrell-atmoszféra
Szilárdoldatos keményítésnél az ötvözőatomok egy része a diszlokácó környezetében helyezkedik el. Az alapfém atomjainál kisebb atomok a csúszósík felett (a nyomott zónában), a nagyobbak a csúszósík alatt (a húzott zónában) helyezkednek el, ez a Cottrell-atmoszféra. 9
A szilárdságnövelés alapvető oka, hogy az oldott atomok torzítják a rácsot, ezzel növelik a rács energiatartalmát. További ok, hogy a diszlokációkat nehéz leszakítani a Cottrell-atmoszféráról. Az ötvözőatomok szilárdságnövelő hatása: r r0 C G r0 2
ahol G – a csúsztató rugalmassági modulusz C – az ötvöző atom koncentrációja r0 – az alapfém atomsugara r – az ötvöző fém atomsugara. 10
5
2016. 10. 05.
Cu Zn Al Sn Ni Si Be
sugár (r-rCu)/rCu*100 nm --0.1278 4,2 % 0.1332 12,0 % 0.1432 18,1 % 0.1509 -2,7 % 0.1243 -8,0 % 0.1176 -10,8 % 0.114
Si
Rp0,2
Fém
MPa
Az ötvözőelemek hatása a Cu-alapú ötvözetek Be folyáshatárára Sn
Al
0
10
Ni
Zn
20
Tömeg %
30 11
Ötvözés hatása 2.
Az interstíciós ötvözők szilárdságnövelő hatása (nagyságrenddel) erősebb mint a szubsztitúciós ötvözőké.
12
6
2016. 10. 05.
Kiválásos keményedés Feltételek (binér rendszerben)
• Az egyik alkotó szilárd állapotban korlátoltan, de jelentős mértékben oldódik a másikban. • A oldódás mértéke a hőmérséklettel csökken. • Az oldó fém lágy és szívós. • A kiváló fázis kemény és szilárd. • A kiválás kezdetben koherens.
Példák nemesíthető ötvözetekre (korlátolt oldódás, vegyületfázis kiválása) Al-Cu: Al2Cu; Al-Mg-Si: Mg2Si; Al-Zn-Mg: Zn2Mg 13
Kiválásos keményítés folyamata Hőmérséklet
T
A
Homogenizálás
Edzés
Mesterséges és természetes öregítés
idő
B
koncentráció
Öregítés
Eredeti
Edzett
Öregített
Túltelített szilárd oldat → szegregáció (precipitáció) metastabil állapot
14
7
2016. 10. 05.
(túltelített)
(I) + G.P. zónák
(II) + (koherens)
(III) + (szemikoherens)
(egyensúlyi) + (inkoherens)
Alapfém
Diffúzió
Diffúzió
Ötvöző
Túltelített szilárd oldat
Guinier-Preston zóna (1-10 d vastag, 25-75 d átmérő)
Szilárdság növelési mechanizmusok
kiválás (koherens)
Koherens fázishatár csúszósíkok folytatódnak kiválásokat a diszlokációk átmetszik Torzult tartományok diszlok. mozgás nehezedik Inkoherens határok
diszlokáció - kiválás kölcsönhatás (forrás) Orowan-mechanizmus (folyáshatár)
G b D
Kiválások átmérője nő D (kiválások közötti távolság) csökken: túlöregítés
8
2016. 10. 05.
Acél diszperziós keményítése • Az adott ötvözetnél diszperziós keményítés történik
• Az szilárd oldatból + cementit keletkezik
+ cementit
(Ebben az esetben az elérhető szilárdságnövevekedés kicsi, a kis mennyiségű cementit miatt.)
17
A BME ATT által oktatott néhány további tantárgy, aminek hallgatása segíthet tovább mélyíteni az anyagtudományi ismereteket: Mágneses anyagok (BSc) BMEGEMT AMMMA
Mágneses anyagok és vizsgálatuk (MSc) BMEGEMT MGK6 Roncsolásmentes anyagvizsgálat (BSc) BMEGE AGM5
Trendek az anyagtudományban (BSc) BMEGEMT AGM6
9
2016. 10. 05.
Fogalmak • • • • • • • • • • •
A képlékenyalakítás szilárdságra gyakorolt hatása A szemcsehatár szerepe az anyag szilárdságára A szemcseméret hatása, a Hall–Petch-egyenlet Cottrell-atmoszféra Az ötvözők szilárdságra gyakorolt hatása A kiválásos keményedés feltételrendszere A kiválások szerkezete A keménységváltozás folyamata A kiválásos keményedés mechanizmusai Természetes és mesterséges öregítés Diszperziós keményedés 19
10
