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
