utwardzenie wydzieleniowe, Studia, SEMESTR 3, NOM

(MELA)

Wstęp: Stale o strukturze austenitycznej, a także inne stopy- głównie nieżelaznych- nie wykazujące przemian alotropowych, lecz charakteryzujące się zmienną rozpuszczalnością jednego ze składników w roztworze stałym, mogą być poddawane utwardzeniu wydzieleniowemu

1.       Utwardzanie wydzieleniowe: Polega na utwardzeniu stopu dyspersyjnymi cząstkami fazy wydzieleniowej z przesyconego roztworu. Jest to obróbka cieplna składająca się z operacji: przesycania i starzenia.

JAKIE STOPY MOŻNA UTWARDZAĆ WYDZIELENIOWO?? (MELA)

Umacniać wydzieleniowo można tylko takie stopy, które w stanie stałym w

wysokiej temperaturze mają strukturę jednofazową, natomiast  w  niskiej

strukturę dwufazową, i w których przy niezbyt dużej szybkości chłodzenia,

można uzyskać roztwór przesycony. Do najważniejszych technicznych stopów

umacnianych wydzieleniowo należą stopy aluminium. Utwardzaniu

wydzieleniowemu są także poddawane stopy na osnowie innych pierwiastków,

np. miedzi (brązy berylowe), magnezu i tytanu.  Umocnienie wydzieleniowe

wykorzystuje się w niektórych stalach, np. stalach maraging.

Wykres o ograniczonej rozpuszczalności składnika A i składnika B

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z przesycania i starzenia.

Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać

następujące warunki:

- osnowa powinna być o dużej ciągliwości, natomiast wydzielenia twarde;  MELA

- twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziarn  MELA

osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko

rozprzestrzeniać się przez materiał, powodując jego zniszczenie;

- cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie ZAGI

rozmieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne z

osnową  (wydzielenia koherentne to takie, na granicy których z osnową jest

zachowana ciągłość płaszczyzn i kierunków krystalograficznych);

- cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas ZAGI

sprzyjają zarodkowaniu pęknięć.

2.       Przesycanie: polega na nagrzaniu stopu do temperatury wyższej o ok. 30 do 50 stopni  od granicznej rozpuszczalności, w celu rozproszenia wydzielanego składnika ( w stalach najczęściej cementytu trzeciorzędowego) w roztworze stałym, wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu. W wyniku przesycania uzyskuje się strukturę jednofazową. W przypadku stali austenitycznych strukturę stanowi austenit przesycony węglem. Własności wytrzymałościowe stali po przesycaniu ulegają niewielkiemu zmniejszeniu, lecz zwiększają się własności plastyczne.

Schemat operacji przesycania:

1-2 nagrzewanie stopu do temperatury T powyżej linii granicznej rozpuszczalności w stanie stałym,

2-3 wygrzewanie w temperaturze T w czasie zapewniającym uzyskanie jednorodnego roztworu stałego ALFA

3-4 oziębienie do temperatury otoczenia z szybkością większą od krytycznej szybkości rozpadu.

(ZAGI)

3.       Starzenie: polega na nagrzaniu stopu uprzednio przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzaniu w tej temperaturze i studzeniu. W czasie starzenia następuje wydzielanie w przesyconym roztworze stałym składnika znajdującego się w nadmiarze, w postaci faz o wysokiej dyspersji. W niektórych przypadkach starzenie zachodzi z udziałem faz pośrednich oraz stref Guiniera- Prestona, będących kompleksami, w których segregują atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika.

STREFY GP- cienkie płytki o grubości kilku średnic atomowych (kilkunastu nm). Powodują duże naprężenie w sieci i wzrost twardości. Wymiar tych stref wzrasta w miarę podwyższania temperatury starzenia.

Starzenie powoduje umocnienie, przejawiające się zwiększeniem własności wytrzymałościowych i zmniejszeniem własności plastycznych.

Przebieg starzenia- jako procesu dyfuzyjnego- zależy od czasu i temperatury. Gdy temperatura jest zbyt wysoka, występuje efekt przestarzenia, polegający na koagulacji wydzieleń i zaniku ich koherencji, co nie powoduje wzrostu twardości w stosunku do stanu przesyconego, przeciwnie- wpływ na jej obniżenie.

Koagulacja to proces polegający na łączeniu się cząstek fazy w większe agregaty tworzące fazę ciągłą o nieregularnej strukturze.

Starzenie jest przyspieszane przez odkształcenie plastyczne na zimno. Niekiedy starzenie przebiega już w temperaturze pokojowej- starzenie samorzutne.

Starzenie może być także procesem niepożądanym, np. w blachach do głębokiego tłoczenia oraz w stalach kotłowych, gdyż powoduje zmniejszenie własności plastycznych i wzrost kruchości.

SCHEMAT PROCESU STARZENIA (1-2 Mela, 3-5 Zagi)

1.       Skupianie się atomów składnika rozpuszczalnego wewnątrz sieci krystalicznej roztworu stałego grupy tzw. Klastery jako stadium wstępne do utworzenia stref GP  I (Strefy Guiniera-Prestona pierwszego rodzaju). Są to cienkie płytki o grubości kilku średnic atomowych (kilkunastu nm), które powodują odkształcenie sieci roztworu stałego, zwiększenie naprężeń, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia wytrzymałości stopu oraz zmianę innych własności. Orientacyjnie wymiary strefy GP1 wynoszą grubość od 0,5 do 1 nm, średnica 4-6 nm.

·         Klastery: małe zespoły powiązanych ze sobą atomów metalu występujące w niektórych cząsteczkach bądź kryształach. 

2.       Powstanie stref GP II w wyniku uporządkowania w strefach GP I i powstania nadstruktury. Strefy GP II są fazą wstępną do powstania faz metastabilnych koherentnych. Strefy GP II powstają intensywnie w temperaturze ok 100 stopni i mają wymiary: grubość od 1-4 nm i średnica 10-40 nm. Naprężenia występujące w sieci krystalicznej w wyniku powstania stref GP II są przyczyną największej wytrzymałości stopu.

3.       Powstanie metastabilnych faz  pośrednich koherentnych ( takie, które mają koherentne granice międzyfazowe z osłoną). Koherentne- wspólne

4.       Przemiana koherentnych metastabilnych faz w fazy stabilne i niekoherentne z osnową.

5.       Koagulacja cząstek faz stabilnych, czyli proces wzrostu cząstek polegający na dyfuzyjnym wzroście cząstek większych przy jednoczesnym rozpuszczaniu się cząstek mniejszych. Wiąże się to ze zmniejszeniem naprężeń w sieci krystalicznej i w konsekwencji  zmniejszeniem wytrzymałości stopu.

Koagulacja- zlepianie się cząstek w większe zespoły.

Następnie po SCHEMACIE JEST WYKRES Z DOBRZANA, komentarz: gdy temperatura starzenia jest zbyt wysoka, następuje proces przestarzenia.

ALUMINIUM

Początek MELA

Aluminium występuje w przyrodzie w bardzo wielu minerałach i jest trzecim (po tlenie i krzemie) pierwiastkiem pod względem udziału w skorupie ziemskiej. Główną rudą jest boksyt, z którego wytwarza sią Al2O3, a następnie przez elektrolizę  tlenku rozpuszczonego w stopionym kriolicie, otrzymuje się aluminium hutnicze, które może być dalej podane rafinacji. Aluminium wytwarza się w 17 gatunkach o różnym stopniu czystości, od 99,99 do 99,00 %

Metal ten krystalizuje w sieci A1, a więc cechuje się dużą plastycznością.

Parametr sieci a= 0,40408nm

Temp topnienia= 660,4

Temp wrzenia=2060

Aluminium kwalifikuje się do grupy metali lekkich z powodu małej gęstości równej 2,7

Czyste aluminium cechuje się wysoką przewodnością elektryczną oraz dobrą przewodnością cieplną.

Przewodność elektryczna tego metalu maleje wraz ze zwiększeniem stężenia zanieczyszczeń i domieszek, do których należą Fe, Si, a także Cu, Zn i Ti. Te pierwiastki powodują zmniejszenie plastyczności, ale zwiększają wytrzymałość.

Dzięki bogatemu występowaniu w przyrodzie jest szeroko stosowany w przemyśle lotniczym.  Na powietrzu pokrywa się cienką warstwą Al2O3, która chroni je przed dalszym utlenianiem, jest odporne na działanie wody wielu kwasów organicznych oraz związków atomowych. Nie jest odporne na działanie wodorotlenków oraz wody morskiej.

Podstawowym obecnie surowcem do produkcji aluminium jest minerał zwany boksytem. Zawiera on do 60% wodorotlenku glinu oraz inne zanieczyszczenia tlenkowe. Jakość boksytu jest oceniana na podstawie składu chemicznego. Im więcej Al2O3 znajduje się w boksycie a mniej SiO2 tym lepszym jest on surowcem do produkcji aluminium.

W Europie główne złoża boksytu znajdują się we Francji i na Węgrzech a ponadto we Włoszech, Rumunii i Jugosławii.

(ZAGI)

Aluminium: odlewnicze i do obróbki plastycznej:

Stopy do obróbki plastycznej zawierają zwykle do ok. 5% pierwiastków stopowych, najczęściej Cu, Mg, Mn, niekiedy także Si, Zn, Ni. Niektóre z tych stopów są stosowane w stanie zgniecionym lub po wyżarzeniu rekrystalizującym, a część jest poddawana obróbce cieplnej polegającej na utwardzeniu wydzieleniowym.

Odlewnicze stopy aluminium są przeważnie stopami wieloskładnikowymi o dużym stężeniu od 5-25% pierwiastków stopowych, głównie Si, Cu, Mg, Zn i Ni. Charakteryzują się dobrą lejnością i często małym skurczem odlewniczym.

Zastosowanie:

Gatunki aluminium hutniczego są stosowane do produkcji stopów oraz licznych produktów codziennego użytku, urządzeń dla przemysłu spożywczego,  na niektóre przewody elektryczne, wymienniki ciepła, w budownictwie, a w postaci folii – na opakowania artykułów spożywczych. Aluminium rafinowane (o wysokiej czystości) jest stosowane w elektronice i elektrotechnice oraz do budowy specjalnej aparatury chemicznej.

STOPY ALIMINIUM Z MIEDZIĄ: MELA

W układzie podwójnym Al-Cu występują dwa roztwory stałe graniczne aCu (Al. w Cu) i aAL (Cu w Al) oraz 9 roztworów wtórnych na osnowie faz międzymetalicznych. Niektóre z tych faz i roztworów wtórnych utworzonych na ich osnowie krystalizują bezpośrednio w cieczy w wyniku reakcji eutektycznej lub perytektycznej, niektóre zaś powstają w stanie stałym.

}          Dwuskładnikowe stopy Al-Cu:

•          Dobra lejność,

•          Stosunkowo dobra plastyczność,

•          Niska wytrzymałość.

}          Główne zastosowanie przemysłowe- stopy wieloskładnikowe:

•          Odlewy części samochodowych

•          Odlewy części maszynowych średnio i wysoko obciążonych.

Stopy Al-Cu podlegają obróbce cieplnej, powodując znaczny wzrost wytrzymałości i zmniejszenie zakresu plastyczności.

UTWARDZENIE WYDZIELENIOWE STOPÓW ALUMINIUM Z MIEDZIĄ:

Stopy Al z Cu poddawane są utwardzaniu wydzieleniowemu. W wyniku przesycania miedzią roztwór stały w znajduje się w stanie metastabilnym cechującym się nadmiarem energii swobodnej. W pierwszym stadium starzenia w sieci przesyconego roztworu stałego różno węzłowego w o przypadkowym rozmieszczeniu atomów Cu (rys a) w płaszczyznach {100} tworzą się skupiska atomów miedzi zwane strefami GP(rys b) . (ZAGI)

Strefy GP powstają podczas starzenia samorzutnego w temperaturze pokojowej i mają postać cienkich płytek o grubości kilkudziesięciu i średnicy kilkuset nanometrów, całkowicie koherentnych z osnową roztworu w. Różnice średnic atomów Al i Cu powodują znaczne odkształcenia sprężyste i naprężenia sieci i w wyniku tego, umocnienie stopu. Zakończenie procesu jest związane z ustabilizowaniem się twardości. Wówczas około 50% atomów Cu znajduje się w strefach GP. Podczas starzenia w temperaturze wyższej od ok. 100°C w płaszczyznach {100} roztworu w następuję wydzielenie fazy przejściowej ʘ’’ o sieci tetragonalnej (rys. c), koherentnej z osnową, powodujące umocnienie stopu mniejsze od wywołanego strefami GP. (MELA)

W temperaturze ok 200°C po rozpuszczeniu się w osnowie ʘ’’ następuje wydzielenie fazy ʘ’  o składzie stechiometrycznym zbliżonym do Al3,6Cu2 o sieci regularnej półkoherentnej z osnową. Częściowo koherentne wydzielenia silnie umacniają stop, z czym jest związany wzrost jego twardości.  Długotrwałe wygrzewanie  w temperaturze około 200°C lub zwiększenie temperatury starzenia powoduje spadek twardości zwany przestarzeniem stopu. Jest to spowodowane przemianą fazy ʘ’ w fazę ʘ(CuAl2) o składzie równowagowym, strukturze tetragonalnej i sieci niekoherentnej z osnową roztworu w (rys d). (ZAGI)

Odlewnicze stopy Al z Cu w stanie utwardzonym wydzieleniowo wykazują wytrzymałość na rozciąganie Rm=210 MPa, twardość 60 HB i wydłużenie A=6%.

Wpływ wydzielania poszczególnych faz na twardość przedstawiono na rys. 7. (MELA)

Wydzielanie faz w procesie starzenia następuje w kolejności wzrostu ich

stabilności, zatem wydzielanie każdej następnej fazy prowadzi do

rozpuszczania się wydzielonej wcześniej, mniej stabilnej fazy.

Wpływ temperatury i czasu starzenia na granicę plastyczności stopu AlCu4

przedstawiono na rys. 8. (ZAGI)

Z tego rysunku wynika, że z obniżeniem temperatury

starzenia  wydłuża się czas potrzebny do uzyskania maksymalnej

wytrzymałości. Starzenie w niskiej temperaturze jest korzystne, gdyż uzyskuje

się wtedy większą wytrzymałość, a ponadto jej maksimum rozciąga się na

większy przedział czasowy, co ułatwia realizację procesu starzenia. Ponadto

uzyskane własności są bardziej jednorodne. W procesie starzenia w wyższej

temperaturze optymalne własności wytrzymałościowe osiąga się w krótszym

czasie, wskutek czego warstwa  powierzchniowa przedmiotu może być

przestarzona, a rdzeń niedostarzony.