2016.05.03.
Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat – 2015/16
Szilárdságnövelés
Dr. Szabó Péter János
[email protected]
Az előadás során megismerjük • A szilárságnövelő eljárásokat; • Az eljárások anyagszerkezeti alapjait; • Technológiai alkalmazási lehetőségüket.
2
Szilárdságnövelési eljárások • • • •
Képlékenyalakítás Szemcsefinomítás Ötvözés Alkalmas hőkezelési eljárások a) kiválásos keményedés b) diszperziós keményedés c) allotrop átalakulás esetén. • Kompozit anyagok 3
1
2016.05.03.
Szilárdság
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
e
Feszültség MPa
Mechanikai tulajdonságok változása
bL
600
50
Rm
500
40
400
Re
Lágyacél
30
300 20
200
Z
10
100 0 0
10
20
30
40
Kontrakció %
aGb aGb
ahol a - keményedési kitevő, G – csúsztató rug. modulusz, ρ – diszlokációsűrűség L – diszlokációk szabad úthossza e - alakváltozás
50
0 60
Alakváltozás mértéke % 5
Mozgásképtelen (sessilis) diszlokációk (Lomer-Cottrell gát)
6
2
2016.05.03.
Mozgásképtelen (sessilis) diszlokációk (Lomer-Cottrell gát)
7
Mozgásképtelen (sessilis) diszlokációk (Lomer-Cottrell gát) • A keletkezett diszlokáció Burgers-vektora a/2[110] • A keletkezett diszlokáció vonala a két eredeti csúszósík metszésvonala, az [1-10] irány • Így a keletkezett diszlokáció él típusú, mert a vonala merőleges a Burgers-vektorára • Éldiszlokáció csúszósíkja a vonala és a Burgers-vektora által meghatározott sík, esetünkben a (001) sík • A (001) sík nem csúszósík az FKK rendszerben, vagyis az így keletkezett diszlokáció nem lesz mozgásképes
8
Szemcsehatár hatása szemcsehatár
A szomszédos krisztallitok egymástól eltérő orientációja miatt a szemcsehatárok akadályozzák a diszlokációk mozgását az egyik szemcséből a másikba. 9
3
2016.05.03.
Szemcsehatárok hatása Hall-Petch egyenlet (alsó folyáshatár)
polikr egykr
k d
A határon felhalmozódó diszlokációk feszültségtere (feszültségcsúcs) indítja meg az alakváltozást a szomszédos krisztallitban. Szemcseméret szemcsehatáron felhalmozódó diszlokációk száma Inhomogén alakváltozás
10
Szemcseméret hatása Re
acél alumínium
nagy szemcse
kis szemcse
d
1 2
Hall–Petch-egyenlet Re Re 0 kd
1 2
Re0 - egykristály folyási határa, d - szemcseátmérő, k - anyagtól függő állandó 11
Ötvözés hatása
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. 12
4
2016.05.03.
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: 2
r r0 C G r0
ahol G – a csúsztató rugalmassági modulusz C – az ötvöző atom koncentrációja r0 – az alapfém atomsugara r – az ötvöző fém atomsugara. 13
Fém 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
Rp0,2 MPa
Az ötvözőelemek hatása a Cu-alapú ötvözetek Be folyáshatárára Si Sn Al
0
10
Ni
Zn
20
30
Tömeg % 14
Ötvözés hatása
Az interstíciós ötvözők szilárdságnövelő hatása (nagyságrenddel) erősebb mint a szubsztitúciós ötvözőké.
15
5
2016.05.03.
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: Cu-Al, Cu-Be, Cu-Sn, Mg-Al, Al-Ag, Ti-Al
16
Kiválásos keményítés folyamata Hőmérséklet
T Homogenizálás
a
Edzés
Öregítés
koncentráció
A
Mesterséges és természetes öregítés
idő
B
Eredeti
Edzett
Öregített 17
Metastabil fázisok jellegzetes görbéi Kiválások kezdeti görbéi
Hőmérséklet
Oldódási görbék
a ’
’ ”
” z
A
Koncentráció
zónák
X Idő logaritmusa
18
6
2016.05.03.
Szabadentalpia
Öregítés termodinamikai folyamata
G z
a tel . a I . z Idő
a túltelített a I zónák a II a III a egyensúlyi egyensúlyi 19
Kiválások szerkezete Zóna – néhány atom vastagságú oldott atom rétege a mátrixanyag meghatározott kristálytani síkján; ” – vékony, korongszerű, a mátrixhoz koherensen csatlakozó, az egyensúlyitól eltérő összetételű fázis; ’ – korongszerű, a mátrixhoz szemikoherensen csatlakozó, az egyensúlyitól eltérő összetételű fázis; – a mátrix kristálytani szerkezetétől eltérő, ahhoz inkoherensen csatlakozó egyensúlyi összetételű fázis. koherens inkoherens
20
Keménység
Keménységváltozás folyamata Koherens kapcsolat zónák
’’
’ szemikoherens inkoherens
Kiválásos keményedés
Idő logaritmusa 21
7
2016.05.03.
Kiválásos keményítés mechanizmusai Mérethatás: a mátrix és a kiválás rácsparamétere eltérő, ezért rugalmas feszültségtér jön létre a kiválás környezetében. Elsősorban a zónák létrejöttekor fejti ki a hatását. Határfelületi hatás: új felület jön létre, ha diszlokáció metszi a kiválást, a diszlokáció mozgatásához szükséges erő megnő. Kezdeti állapot
Új felület Felületi energia =2πrbγ
b Belső felület Modulusz hatás: a mátrix és a kiválás rugalmassági modulusza eltérő, ezért nagyobb feszültség szükséges a diszlokáció mozgatásához, ha az megközelíti a kiválást. 22
Diszlokáció és inkoherens kiválások t l D
l D
l A szilárdság növekedése:
Gb D
K
Gb 3 C r 1
ahol
C
N vk N 4 3 3 r , V l 3
N l / D , 3
4 3 r D 3C 23
Orowan-mechanizmus
Diszlokáció-hurkok létrejötte
8
2016.05.03.
Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése Rp02 MPa
4 % Cu
Öregítési idő, óra 25
Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése Nemesíthető ötvözetek: korlátolt oldódás, kemény 2. fázis Al-Cu: Al2Cu Al-Mg-Si: Mg2Si Al-Zn-Mg: Zn2Mg
Túltelített szil. oldat Szegregáció (precipitáció) Metastabil állapot
26
a (túltelített) a (I) + Guinier-Preston I. a (II) + Guinier-Preston II. (koherens) a (III) + (szemikoherens) a (egyensúlyi) + (inkoherens)
G.P. I.
G.P. II.
’
inkoherens 27
9
2016.05.03.
Diszperziós ötvözetek Diszperziós ötvözetek: •porkohászat (sajtol + izzít, HIP): Al + SiO2, Cu + Al2O3 •belső oxidáció (O2 atmoszférában izzít): Al - Si, Cu - Al •Előny: fázisarányt (tulajdonságokat) a hőmérséklet nem változtatja meg kiválásosan nemesített ötvözetek
28
A kiválásos nemesítés problémája •A hőmérséklet növelésével a kiválások mennyisége csökken, mert az ötvözőatomok oldatba mennek •A szilárdság csökken •Az ötvözetet csak egy kritikus hőmérsékletig lehet alkalmazni •Megoldás: a kiválások száma ne függjön a hőmérséklettől
29
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 30
10
