Anyagszerkezettan és anyagvizsgálat 2015/16 Szilárdságnövelés Dr. Szabó Péter János szpj@eik.bme.hu 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
Szilárdság Feszültség MPa Kontrakció % 2016.05.03. 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 agb agb bl Mechanikai tulajdonságok változása 600 500 400 300 200 100 ahol a - keményedési kitevő, G csúsztató rug. modulusz, ρ diszlokációsűrűség L diszlokációk szabad úthossza e - alakváltozás R m R e Lágyacél Z 50 40 30 20 10 0 0 0 10 20 30 40 50 60 Alakváltozás mértéke % 5 Mozgásképtelen (sessilis) diszlokációk (Lomer-Cottrell gát) 6 2
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
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 R e acél alumínium nagy szemcse Hall Petch-egyenlet kis szemcse 1 2 d e e0 1 2 R R kd R e0 - 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
R p0,2 MPa 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: r r 0 G C r 0 ahol G a csúsztató rugalmassági modulusz C az ötvöző atom koncentrációja r 0 az alapfém atomsugara r az ötvöző fém atomsugara. 2 13 Az ötvözőelemek hatása a Cu-alapú ötvözetek folyáshatárára Be Fém sugár (r-r Cu )/r Cu *100 nm Cu Zn Al Sn Ni Si Be 0.1278 0.1332 0.1432 0.1509 0.1243 0.1176 0.114 --- 4,2 % 12,0 % 18,1 % -2,7 % -8,0 % -10,8 % 0 Si Sn Al Ni Zn 10 20 30 Tömeg % 14 Ötvözés hatása Az interstíciós ötvözők szilárdságnövelő hatása (nagyságrenddel) erősebb mint a szubsztitúciós ötvözőké. 15 5
Hőmérséklet Hőmérséklet 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 T a Homogenizálás Edzés Öregítés A koncentráció B idő Mesterséges és természetes öregítés Eredeti Edzett Öregített 17 Metastabil fázisok jellegzetes görbéi Oldódási görbék Kiválások kezdeti görbéi a A z Koncentráció X zónák Idő logaritmusa 18 6
Szabadentalpia Keménység 2016.05.03. Öregítés termodinamikai folyamata z atel. ai. z G Idő a túltelített a I zónák a II a III aegyensúlyi 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 Keménységváltozás folyamata Koherens kapcsolat zónák szemikoherens inkoherens Kiválásos keményedés Idő logaritmusa 21 7
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 Belső felület Modulusz hatás: a mátrix és a kiválás rugalmassági modulusza eltérő, ezért nagyobb feszültség szükséges a diszlokáció mozgatásához, ha az megközelíti a kiválást. b 22 t Diszlokáció és inkoherens kiválások l D l D l A szilárdság növekedése: ahol N v N C k r V l 3 4 3 3 G b D, N 3 l / D, Gb K r 1 3 C 4 3 D r 3C 23 Orowan-mechanizmus Diszlokáció-hurkok létrejötte 8
Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése R p02 MPa 4 % Cu Öregítési idő, óra 25 Al-Cu ötvözet kiválásos keményítése Nemesíthető ötvözetek: korlátolt oldódás, kemény 2. fázis Al-Cu: Al 2 Cu Al-Mg-Si: Mg 2 Si Al-Zn-Mg: Zn 2 Mg 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
Diszperziós ötvözetek Diszperziós ötvözetek: porkohászat (sajtol + izzít, HIP): Al + SiO 2, Cu + Al 2 O 3 belső oxidáció (O 2 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