Szilárdságnövelés. Az előkészítő témakörei

Átírás

1 ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Alapképzés Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2007/08 Szilárdságnövelés Dr. Palotás Béla Dr. Németh Árpád 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

2 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

3 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 R m A 5 A diszlokációk a tökéletes rácshoz képest csökkentik a szilárdságot. Az alakítás hatására nő a diszlokáció sűrűség. n σ = cϕ Δ σ = k Alakítás mértéke ρ ρ: diszlokáció sűrűség Szilárdság növelés 6 3

4 Szilárdság növelés 7 Ötvözés hatása Az ötvözők hatása alumíniumnál : C hatása acéloknál: R m Zn Mg Cu Si Mn Ötvöző A 5 Mn Cu Mg Zn Ötvöző Szilárdság növelés 8 4

5 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

6 A kiválásos keményedés feltételei T α Szegregáció Al Fo Fo + A n B m α + Fo β α + A n B m (β) Nemesíthető ötvözetek B Alakítható ötvözetek A n B m 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

7 A kiválásos keményítés végrehajtása Homogenizálás T T krit Mesterséges öregítés C Természetes öregítés C t Gyors hűtés edzés - lágyítás Lágy anyag Al, sárgaréz Szilárdság növelés 13 A kiválásos keményedés Szilárdság β β Szemi-koherens ZÓNÁK β Inkoherens Túltelített szilárdoldat KIVÁLÁSOS KEMÉNYEDÉS Idő log. T= állandó Szilárdság növelés 14 7

8 Alacsonyabb hőmérsékletű öregítésnél nagyobb a szilárdság növekedés R m,(hv) T = állandó β T 2 Egyensúlyi állapot Zónák T 1 < T 2 Túlöregítés log t Szilárdság növelés 15 Nemesíthető alumínium ötvözetek Alumíniumötvözetek nemesítése= kiválásos keményítés Al Cu Al Mg Si Al Zn Mg 1,8 % 11,7 % Mg 2 Si 475 C 17 % MgZn Cu 5,65 33 Al 2 Cu Al Szilárdság növelés 16 8

9 Acélok kiválásos keményedése I. GYORSACÉLOK (esztergakések stb). háromszor megeresztve, jelentős keménységnövekedés érhető el. A 1 T ºC ~ 600 ~ 400 Mech. tul. HV A 3 ~ 550 ºC 3 x x 2 x KV 1 x T meg t Szilárdság növelés 17 Acélok kiválásos keményedése II. BH acélok (bake hardenable) Lakkbeégetésre keményedő karosszérialemezeknél 50 MPa szilárdságnövelés C hevítésnél Szilárdság növelés 18 9

10 Diszperziós keményítés Különböző fázisok egyenletes eloszlásával szilárdság növelés érhető el. A kisebb méretű fázisok egyenletes eloszlásban nagyobb szilárdság növekedést eredményeznek Gb Gb 3 Δ σ = Δ σ = K c D r Pl. mikroötvözés Szilárdság növelés 19 Szemcsefinomítás Hall- Petch összefüggés: 1 2 R d- szemcseátmérő, e = Re0 + kd R e0, k- anyagminőségtől függő állandó R e0 Szilárdság növelés 20 10

11 Szilárdság növelés 21 Újrakristályosodás jelensége R m R m ANIZOTRÓP Regenerációs folyamat: Képlékeny törés A A 5 ρ 5 Alakítás mértéke T Hidegalakítás hatása T megújulás T újrakrist. Szilárdság növelés 22 11

12 Az újrakristályosodás hőmérséklete R m T újra = f ( q, t, ötvöző ) R m T meg. T T újra. q 1 q 2 q 1 > q 2 > q 3 t = áll. q 3 T Szekunder újrakristályosodás T 1 T 2 T 3 T 1( c + lgt1) = T2 ( c + lgt2) 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. Kritikus alakítás q, % Szilárdság növelés 24 12

13 KOMPOZITOK Részecske és szálerősítés Kompozitok: Részecske erősítés: Szálerősítés: Oxidokkal, wiskerekkel, C szálakkal, 18/8-s acél szálakkal, B szálakkal Al Al 2 O 3 Al Si ötv. Al 2 O 3 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

14 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 cm 3 HCl + 15 cm 3 HNO cm 3 HF +25 cm 3 H 2 O összetételű marószerrel) db jeltáv bejelölve, 10 mm-enként Szilárdság növelés 28 14

15 Asztali nyújtóberendezés Szilárdság növelés 29 Az újrakristályosodás utáni kiértékelés A szemcseátmérő ábrázolása az alakítás mértékének l l q = l függvényében 100 % Az újrakristályosodott darab párhuzamosra vágása, majd elszakítása. A szakadás helyének értékelése. 0 0 d q krit q % Szilárdság növelés 30 15

16 SZILÁRDSÁGNÖVELÉS BME Anyagtudomány és Technológia Tanszék Anyagvizsgáló laboratórium dátum: mérőcsoport A vizsgálat célja A vizsgálat körülményei Kiválásos keményedés Hőkezelés HRØ2,5/625N Átlag Megjegyzés Edzett Természetesen öregített ( edzés + egy év hevertetés) Ötvözés Al 99,5 AlSi12 Szemcsefinomság, újrakristályosodás HRBØ2,5/310N Átlag Megjegyzés q, % Megj. d, mm Szakadás helye d, mm q %, Szilárdság növelés 31 16