ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK Anyagismeret 2016/17 Szilárdságnövelés Dr. Mészáros István meszaros@eik.bme.hu 1 Az előadás során megismerjük A szilárságnövelő eljárásokat; Az eljárások anyagszerkezeti alapjait; Technológiai alkalmazási lehetőségüket. 2 1
Szilárdságnövelési eljárások Képlékenyalakítás Szemcsefinomítás Ötvözés Alkalmas hőkezelési eljárások a) kiválásos keményedés b) diszperziós keményedés c) allotrop átalakulás esetén. 3 A képlékenyalakítás hatása Szilárdság 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 2
n c k ahol n - keményedési kitevő, c, k - anyagi paraméterek, ρ - diszlokációsűrűség Mechanikai tulajdonságok változása Feszültség MPa 600 500 400 300 200 100 R m R e Lágyacél Z 50 40 30 20 10 Kontrakció % 0 0 0 10 20 30 40 50 60 Alakváltozás mértéke % 5 Szemcsehatár hatása szemcsehatár A szomszédos krisztallitok egymástól eltérő orientációja miatt a szemcsehatárok akadályozzák a diszlokációk mozgását az egyik szemcséből a másikba. 6 3
Szemcsehatárok hatása A határon felhalmozódó diszlokációk feszültségtere (feszültségcsúcs) indítja meg az alakváltozást a szomszédos krisztallitban. Szemcseméret szemcsehatáron felhalmozódó diszlokációk száma Inhomogén alakváltozás 7 Szemcseméret hatása R e acél alumínium nagy szemcse Hall Petch-egyenlet kis szemcse 1 2 d R R kd e e0 1 2 R e0 - egykristály folyási határa, d - szemcseátmérő, k - anyagtól függő állandó 8 4
Ötvözés hatása 1. 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. 9 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: 2 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. 10 5
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 % R p0,2 MPa 0 Si Sn Al Ni Zn 10 20 30 Tömeg % 11 Ötvözés hatása 2. Az interstíciós ötvözők szilárdságnövelő hatása (nagyságrenddel) erősebb mint a szubsztitúciós ötvözőké. 12 6
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 nemesíthető ötvözetekre (korlátolt oldódás, vegyületfázis kiválása) Al-Cu: Al 2 Cu; Al-Mg-Si: Mg 2 Si; Al-Zn-Mg: Zn 2 Mg 13 Kiválásos keményítés folyamata T Hőmérséklet Homogenizálás Edzés Öregítés A koncentráció B idő Mesterséges és természetes öregítés Eredeti Edzett Öregített Túltelített szilárd oldat szegregáció (precipitáció) metastabil állapot 14 7
(túltelített) (I) + G.P. zónák (II) + (koherens) (III) + (szemikoherens) (egyensúlyi) + (inkoherens) Alapfém Diffúzió Diffúzió Ötvöző Túltelített szilárd oldat Guinier-Preston zóna kiválás (1-10 d vastag, 25-75 d átmérő) (koherens) Szilárdság növelési mechanizmusok Koherens fázishatár csúszósíkok folytatódnak kiválásokat a diszlokációk átmetszik Torzult tartományok diszlok. mozgás nehezedik Inkoherens határok diszlokáció - kiválás kölcsönhatás (forrás) Orowan-mechanizmus (folyáshatár) G b D Kiválások átmérője nő D (kiválások közötti távolság) csökken: túlöregítés 8
Acél diszperziós keményítése Az adott ötvözetnél diszperziós keményítés történik Az szilárd oldatból + cementit keletkezik + cementit (Ebben az esetben az elérhető szilárdságnövevekedés kicsi, a kis mennyiségű cementit miatt.) 17 A BME ATT által oktatott néhány további tantárgy, aminek hallgatása segíthet tovább mélyíteni az anyagtudományi ismereteket: Mágneses anyagok (BSc) BMEGEMT AMMMA Mágneses anyagok és vizsgálatuk (MSc) BMEGEMT MGK6 Roncsolásmentes anyagvizsgálat (BSc) BMEGE AGM5 Trendek az anyagtudományban (BSc) BMEGEMT AGM6 9
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 19 10