Utwardzanie wydzieleniowe

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania

Utwardzanie wydzieleniowe lub umocnienie wydzieleniowe (nieściśle nazywane też umocnieniem/utwardzeniem dyspersyjnym) - metoda obróbki cieplnej metali, prowadząca do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Wzmocnienie/umocnienie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z przesyconego roztworu stałego, co w temperaturze niższej prowadzi w efekcie do zmiany struktury i właściwości stopu.

Warunki stosowania[edytuj | edytuj kod]

Utwardzanie wydzieleniowe jest możliwe tylko dla stopów:

  • w których dodatek stopowy częściowo rozpuszcza się w osnowie
  • w wysokich temperaturach tworzy z osnową roztwór stały graniczny
  • przy obniżaniu temperatury wykazuje małą rozpuszczalność graniczną.

Utwardzanie wydzieleniowe jest najefektywniejsze, gdy zmniejszenie rozpuszczalności dodatku stopowego zachodzi w wysokiej temperaturze tuż poniżej maksimum rozpuszczalności i prowadzi do wydzielenia fazy wtórnej. Utwardzanie wydzieleniowe jest bardzo efektywne, niestety w praktyce można go stosować w stosunku do nielicznych stopów: Cu-Be, Al-Cu. Ni-Cr, Fe-Ni (niektóre wysokostopowe stale niklowe, tzw. martenzytyczne starzone).

Etapy procesu[edytuj | edytuj kod]

Proces utwardzania składa się z dwóch etapów: przesycania oraz starzenia.

Przesycanie polega na nagrzaniu metalu do temperatury niższej, niż temperatura, w której mogłyby się pojawiać pierwsze krople ciekłego stopu (poniżej linii solidusu), ale na tyle wysokiej, aby stop o danym składzie był jednofazowy i wygrzaniu stopu w tej temperaturze w celu uzyskania jednorodnego roztworu stałego. Przy szybkim schłodzeniu otrzymuje się przesycony roztwór stały, w stanie metastabilnym. Otrzymana struktura jest na ogół nietrwała, gdyż składnik stopowy znajdujący się w roztworze w nadmiernej ilości wykazuje tendencję do wydzielenia się. Przesycanie w niewielkim stopniu podwyższa właściwości mechaniczne stopów i w zasadzie poprzedza starzenie.

Starzenie, kolejny etap obróbki cieplnej stopów metali uprzednio przesyconych, polega na wygrzaniu ich w temperaturze niższej od temperatury przesycenia w celu wydzielenia z roztworu stałego przesyconego fazy (lub faz) o odpowiednim stopniu dyspersji, zawierającej składnik stopowy, znajdujący się w roztworze w nadmiarze. Może skutkować niemal dwukrotnym zwiększeniem wytrzymałości, przy mniejszej, ale wciąż stosunkowo dużej, ciągliwości. Dobre starzenie wymaga czasu i zachowania odpowiedniej temperatury procesu. Starzenie w temperaturze podwyższonej nazywa się przyspieszonym albo sztucznym, w temperaturze otoczenia - naturalnym albo samorzutnym. W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera - Prestona, będących kompleksami, w których segregują się atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika.

Mechanizm zjawiska[edytuj | edytuj kod]

Przesycony roztwór stały α, powoli chłodzony np. do temperatury otoczenia, podlega przemianie wydzielania składnika przesycającego w postaci stosunkowo dużych ziaren fazy, skupionych głównie na granicach ziarn fazy α. Ten sam stop szybko ochłodzony do temperatury otoczenia ma budowę jednofazową przesyconego roztworu stałego α, ponieważ składnik przesycający nie zdąży się wydzielić. Przesycenie roztworu nadaje mu niewielką wytrzymałość i twardość, ale znaczną ciągliwość. Uprzywilejowanym miejscem zarodkowania wydzieleń są defekty struktury krystalicznej, jak dyslokacyjne granice bloków, pętle dyslokacji, granice ziaren. Duże stężenie wakansów w stopie przesyconym ułatwia dyfuzyjne tworzenie się wydzieleń.

Hamowanie poślizgów dyslokacji przez oddziaływanie pól naprężeń zlokalizowanych wydzieleń jest złożone. Prawdopodobnie polega na równoczesnym działaniu kilku mechanizmów. Dla umocnienia wydzieleniowego typowy jest zakres średniej odległości między źródłami pól naprężeń. Występuje przy tym oddziaływanie dyslokacji i odkształcalnych wydzieleń:

  • dalekiego zasięgu, jeżeli dyslokacja znajduje się od wydzielenia w odległości i rzędu między wydzieleniami. Zostało opracowane przez Motta i Nabarro i dane zależnością: \tau = 2 G \epsilon C
  • bliskiego zasięgu, jeżeli dyslokacja znajduje się bezpośrednio przy wydzieleniu. Opracowane przez Kelly'ego i Fine'a prawdopodobnie jest efektywniejszym czynnikiem umocnienia. Poruszająca się dyslokacja napotykając na drodze poślizgu wydzielenie, dzięki jego odkształcalności pokonuje je przez tzw. przepełzanie. Naprężenie uruchomienia poślizgu dyslokacji dane jest zależnością: \tau = \left ( \frac {\gamma \cdot C_1}  {2 b} \right ) gdzie C_1 jest udziałem objętościowym wydzieleń w stopie. W umocnieniu wydzieleniowym pewien udział ma również umocnienie roztworowe, związane z obecnością w roztworze atomów obcych.