ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Alapképzés
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2007/08
Szilárdságnövelés
Dr. Palotás Béla
[email protected]
Dr. Németh Árpád
[email protected]
Szilárdság növelés
1
Az előkészítő témakörei • A szilárdságnövelés fontossága • A szilárdságnövelés módszerei – – – – – – –
A képlékeny hidegalakítás Ötvözés Hőkezelés Diszperziós keményítés Szemcsefinomítás Újrakristályosodás Részecske és szálerősítés
• Gyakorlaton elvégzendő feladatok Szilárdságnövelés
2
1
A szilárdságnövelés fontossága • Személyautóknál 100 kg tömegcsökkenés 0,7 l/100 km benzinfogyasztás csökkenés Repüléstechnika könnyűfémek alkalmazása • Magnézium a jövő anyaga
Szilárdság növelés
3
Korszerű acélszerkezetek • Nagyobb szilárdság ⇒ Kisebb falvastagság • Hegeszthető szerkezeti acélok 1000 MPa folyáshatárt is elérték
Hidak, felhőkarcolók, autódaruk (100 m 2000 kN )
Szilárdság növelés
4
2
A szilárdságnövelés lehetőségei Feladat: akadályozni a diszlokációk mozgását
• • • • • • •
Tökéletes rácsú egykristályok Képlékeny hidegalakítás Ötvözés Hőkezelés Diszperziós keményítés Szemcsefinomítás A módszerek kombinációja pl, termomechanikus kezelések • Kompozitok létrehozása Szilárdság növelés
5
Képlékeny hidegalakítás Rm A5 Alakítás mértéke A diszlokációk a tökéletes rácshoz képest csökkentik a szilárdságot. Az alakítás hatására nő a diszlokáció sűrűség. Szilárdság növelés
σ = cϕ n Δσ = k ρ
ρ: diszlokáció sűrűség 6
3
Szilárdság növelés
7
Ötvözés hatása Az ötvözők hatása alumíniumnál : Rm Zn Mg
Cu Si Mn
Ötvöző
Szilárdság növelés
C hatása acéloknál:
A5
Zn
Mn Cu Mg Ötvöző
8
4
Szilárdságnövelés pl. alakítható acéloknál
• Csak szilárdoldatos szilárdságnövelés: – 0,1 % Mn 4 MPa szil. növelés – 0,1 % Si 10 MPa – 0,1 % P 100 MPa, de szemcsehatáron ridegít-B akadályozza
Szilárdság növelés
9
Hőkezelés •Allotróp átalakulással rendelkező anyagoknál (acél, Ti) Acélok: nem egyensúlyi átalakulások hatása – Perlites, bénites átalakulások – Martenzites átalakulás a legnagyobb szilárdságváltozást eredményezi
Allotróp átalakulás nélküli anyagoknál (alumínium, hőálló acélok…) – Kiválásos keményedés – ha a feltételei teljesülnek Szilárdság növelés
10
5
A kiválásos keményedés feltételei T Fo
Fo + AnBm
α + Fo
β
α α + AnBm (β) Szegregáció Al
Nemesíthető ötvözetek Alakítható ötvözetek
B AnBm
• Az oldóképesség változzon a hőmérséklet függvényében • Nagy keménységű fázis váljon ki • Megfelelő diffúziós tényezője legyen az ötvözőnek Szilárdság növelés
11
Homogenizálás T
T
t Homogenizálás hőmérsékleti tartománya (a szolidusz alatt) Szilárdság növelés
12
6
A kiválásos keményítés végrehajtása Homogenizálás T
Tkrit
Mesterséges öregítés 120 - 180 °C Természetes öregítés 20 – 40 °C t
Gyors hűtés „edzés”- „lágyítás”
„Lágy” anyag Al, sárgaréz
Szilárdság növelés
13
A kiválásos keményedés Szilárdság
β´´ β´ ZÓNÁK
Szemi-koherens β
Inkoherens
Túltelített szilárdoldat KIVÁLÁSOS KEMÉNYEDÉS Szilárdság növelés
Idő log.
T= állandó 14
7
Alacsonyabb hőmérsékletű öregítésnél nagyobb a szilárdság növekedés Rm , (HV)
β´´
T = állandó T2
Egyensúlyi állapot T1 < T2 Zónák
Túlöregítés
log t Szilárdság növelés
15
Nemesíthető alumínium ötvözetek Alumíniumötvözetek nemesítése= kiválásos keményítés 11,7 %
Al – Cu Al – Mg – Si Al – Zn – Mg
Mg2Si 475 °C
1,8 %
17 %
MgZn2
660
548
5,65
33
Cu
Al2Cu
Al
Szilárdság növelés
16
8
Acélok kiválásos keményedése I. GYORSACÉLOK (esztergakések stb). 1200 – 1290 ºC
T A1 háromszor megeresztve, jelentős keménységnövekedés érhető el.
A3 ~ 550 ºC 3 x
~ 600 ~ 400
- 70 … -80 t Mech. tul.
3x 2x
HV
1x KV Tmeg
Szilárdság növelés
17
Acélok kiválásos keményedése II. • BH acélok (bake hardenable) • Lakkbeégetésre keményedő karosszérialemezeknél 50 MPa szilárdságnövelés 170-220 0C hevítésnél
Szilárdság növelés
18
9
Diszperziós keményítés • Különböző fázisok egyenletes eloszlásával szilárdság növelés érhető el. • A kisebb méretű fázisok egyenletes eloszlásban nagyobb szilárdság növekedést eredményeznek Δσ =
Gb D
Δσ = K
Gb 3 c r
– Pl. mikroötvözés
Szilárdság növelés
19
Szemcsefinomítás
Hall- Petch összefüggés:
R = R + kd
−
e e0 d- szemcseátmérő, Re 0 − Re0, k- anyagminőségtől függő állandó Szilárdság növelés
1 2
20
10
Szilárdság növelés
21
Újrakristályosodás jelensége ANIZOTRÓP Regenerációs folyamat: Rm
Rm Képlékeny törés A5
ρ
A5 T
Alakítás mértéke Hidegalakítás hatása Szilárdság növelés
Tmegújulás
Tújrakrist. 22
11
Az újrakristályosodás hőmérséklete Rm
Tújra = f (q, t , ötvöző )
T
Rm q1
q1 > q2 > q3
q2
Tmeg Tújra.
t = áll.
q3
.
T T1
Szekunder újrakristályosodás
T2 T 3
T1 (c + lg t1 ) = T2 (c + lg t 2 )
Szilárdság növelés
23
Szemcseméret újrakristályosodásnál d = f (q, T , t , ötvöző )
d, mm
f(T) f(t)
d, mm
A kritikus alakítást el kell kerülni: 3 … 15 %, értéke az ötvöző tartalomtól függően. Szilárdság növelés
Kritikus alakítás
q, % 24
12
KOMPOZITOK Részecske és szálerősítés • Kompozitok: – Részecske erősítés:
– Szálerősítés: – Oxidokkal, wiskerekkel, C – szálakkal, 18/8-s acél szálakkal, B – szálakkal
Al – Al2O3 Al – Si ötv. Al2O3 szálakkal (∅ 8 -11 μm) Szilárdság növelés
25
Gyakorlaton elvégzendő feladatok • Ötvözés hatásának vizsgálata • Alakítási keményítés (Al, Cu huzalon) • Kiválásos keményedés vizsgálata – Keményedés bizonyítása (természetesen öregbített anyagon)
• Újrakristályosodás vizsgálata – Szemcseméret változásának elemzése
• Szemcsefinomítás szilárdság növelő hatásának bizonyítása – Durvaszemcsés anyagnak kisebb a szilárdsága Szilárdság növelés
26
13
Kiválásos keményedés vizsgálata • AlZn4Mg2 ötvözet kiválásos keményedése és vizsgálata – „Edzett” állapot (gyakorlaton) – Hevertetett állapot (edzett + természetesen öregedett hosszú ideig (több, mint egy évet)
Szilárdság növelés
27
SZEMCSEFINIMÍTÁS Újrakristályosítás • Ék alakú Al 99,5 próbatest hidegalakítása húzással (előzetesen lágyítva) • Újrakristályosító hőkezelés 520 ºC – on 20 perc hőntartással • Szemcsék láthatóvá tétele maratással ( 45 cm3 HCl + 15 cm3 HNO3 + 15 cm3 HF +25 cm3 H2O összetételű marószerrel) 20 20
10 200 15 db jeltáv bejelölve, 10 mm-enként Szilárdság növelés
28
14
Asztali nyújtóberendezés
Szilárdság növelés
29
Az újrakristályosodás utáni kiértékelés • A szemcseátmérő ábrázolása az alakítás mértékének q=
d
l − l0 100 % l0
függvényében
qkrit
q%
• Az újrakristályosodott darab párhuzamosra vágása, majd elszakítása. A szakadás helyének értékelése. Szilárdság növelés
30
15
SZILÁRDSÁGNÖVELÉS
BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék Anyagvizsgáló laboratórium
dátum: mérőcsoport
A vizsgálat célja A vizsgálat körülményei Kiválásos keményedés Hőkezelés
HRØ2,5/625N
Átlag
Megjegyzés
HRBØ2,5/310N
Átlag
Megjegyzés
Edzett Természetesen öregített („edzés”+ egy év hevertetés) Ötvözés Al 99,5 AlSi12 Szemcsefinomság, újrakristályosodás Megj.
q, % d, mm Szakadás helye
d, mm
Szilárdság növelés
q %,
31
16
