Utwardzanie wydzieleniowe

Z Wikipedii

Utwardzanie wydzieleniowe także umocnienie dyspersyjne lub umocnienie wydzieleniowe - metoda obróbki cieplnej metali prowadząca w efekcie do zwiększenia ich wytrzymałości mechanicznej. Utwardzenie jest efektem wydzielenia rozpuszczonego składnika z roztworu przesyconego a w temperaturze niższej prowadzące w efekcie do zmiany właściwości stopu.

[edytuj] Warunki stosowania

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).

[edytuj] Etapy procesu

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

Przesycanie polega na nagrzaniu metalu do stanu płynnego, rozpuszczeniu składników fazy (lub faz) umacniającej i wygrzaniu stopu w tej temperaturze w celu uzyskania jednorodnego roztworu. Przy szybkim schłodzeniu otrzymuje się roztwór stały w stanie metastabilnym (przesyconym). 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 odpowiednio 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. Skutkuje nawet prawie dwukrotnym zwiększeniem własności wytrzymałościowych, przy mniejszej ale wciąż stosunkowo niezłej 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 atomy rozpuszczone w sieci rozpuszczalnika.

[edytuj] Mechanizm zjawiska

Stop przesycony powoli chłodzony do temperatur 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: τ=2GεC
• 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: τ=(γ*C1/2/b) gdzie C jest udziałem objętościowym wydzieleń w stopie. W umocnieniu wydzieleniowym pewien udział ma również umocnienie roztworowe, związane z obecnością w roztworze atomów obcych.