UTWARDZANIE

UTWARDZANIE

WYDZIELENIOWE

WYDZIELENIOWE

Utwardzanie wydzieleniowe jest mechanizmem

umocnienia stopów za pomocą wydzielonych

cząstek i należy do jednych z szerzej

stosowanych metod podwyższania

wytrzymałości materiałów metalicznych - w

szczególności metali nieżelaznych. Procesowi

takiemu poddaje się stopy, których składniki

tworzą ze sobą układ równowagi z malejącą w

miarę obniżania temperatury rozpuszczalnością

w stanie stałym

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwu etapów:
przesycania i starzenia.

Przesycanie

polega na nagrzaniu

stopu powyżej linii granicznej
rozpuszczalności, wygrzaniu w tej
temperaturze, tak aby uzyskać
jednorodny roztwór stały, i następnym
gwałtownym ochłodzeniu. Szybkość
chłodzenia musi być dostatecznie duża,
aby uniemożliwić rozpad roztworu na
mieszaniną. Technologicznie
przesycanie jest więc procesem
podobnym do hartowania. Zasadnicza
różnica pomiędzy nimi polega na tym,
że w czasie tego pierwszego nie
zachodzi przemiana alotropowa, która
ma miejsce podczas hartowania i
przesycanie nie prowadzi do wzrostu
twardości. Przesycony roztwór stały
charakteryzuje się nadmiarem energii
swobodnej, jest wiąc termodynamiczne
niestabilny.

Drugim zabiegiem jest

starzenie

. Dążąc do stanu równowagi

przesycony roztwór podlega starzeniu,

czyli wydzielaniu cząstek fazy

równowagowej, co może odbywać się

bezpośrednio, lub częściej, z

wydzielaniem faz przejściowych -

metastabilnych. Faza podstawowa

zmienia przy tym swój skład chemiczny,

pozostawiając nie zmienioną sieć

krystaliczną, natomiast faza wydzielona

różni się od osnowy składem i typem

sieci. W sprzyjających warunkach cząstki

metastabilne mogą pozostawać takimi

przez dowolnie długi okres czasu i ulegać

dalszej przemianie dopiero w wyniku

zmiany warunków (np. podwyższenie

temperatury).

Starzenie może przebiegać samorzutnie

w temperaturze otoczenia, lub przy

podwyższonej temperaturze - niższej

jednak od temperatury nasycenia

roztworu, przy czym im wyższa

temperatura tym efekt wzrostu własności

wytrzymałościowych jest mniejszy

następuje efekt przestarzenia

Wpływ temperatury
wygrzewania na przebieg
procesów starzenia

W niektórych przypadkach starzenie
zachodzi z udziałem faz pośrednich
oraz
stref Guiniera–Prestona, będących
kompleksami, w których segregują
atomy rozpuszczone w sieci
rozpuszczalnika 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, a
przeciwnie – wpływa na jej obniżenie.
Starzenie jest przyspieszane przez
odkształcenie plastyczne na zimno.
Niekiedy starzenie przebiega już w
temperaturze pokojowej, wówczas
nosi nazwę starzenia
samorzutnego.

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

W roku 1938 Guinie i Preston niezależnie stwierdzili występowanie w
starzonych stopach skupisk atomów rozpuszczonych w przesyconym
roztworze. Skupiska te nazwano strefami Guinie - Prestona (strefy
GP). Stanowią one zwykle pierwsze stadium wydzielania z przesyconych
roztworów stałych -szczególnie stopów na bazie aluminium, w czasie
niskotemperaturowego starzenia (do ok. 180°C). Są to całkowicie
koherentne z osnową obszary, w których atomy osnowy zastąpione są
atomami substancji rozpuszczonej. Charakteryzuje je bardzo niska energia
powierzchniowa. Powstają bardzo szybko, bez wyraźnego okresu
inkubacyjnego. Pomimo iż siła pędna do wydzielania się stref GP jest
mniejsza aniżeli do wydzielania fazy równowagowej, to jednak bariera
zarodkowania jest niższa i strefy zarodkują znacznie gwałtowniej. Mają
grubość ok. dwóch odległości międzyatomowych,
ok. 10 nm średnicy i rozmieszczone są w odległościach ok. 10 nm.

Strefy Guinie -
Prestona

Efekt umocnienia od
wydzieleń

Umocnienie od wydzieleń jest podstawową składową w stopach
utwardzanych dyspersyjnie. Wydzielenia hamują ruch dyslokacji.
Poruszająca się dyslokacja może oddziaływać z cząstką w dwojaki
sposób:

•przecinać cząstki (jest to mechanizm Fridela)

•tworzyć pętle dyslokacyjne wkoło cząstek (jest to mechanizm Orowana)

Mechanizm Fridela

Mechanizm Orowana