Paweł Dzida	Metaloznawstwo i obróbka cieplna	II MDZ
Gr. Laboratoryjna 1002	Obróbka cieplna stopów metali nieżelaznych	22.III.2001
	Wady obróbki cieplnej

Umocnienie wydzieleniowe (utwardzanie wydzieleniowe) wykonuje się dla stopów, w których występuje zmienna, zmniejszająca się z obniżaniem temperatury rozpuszczalność składnika stopowego w metalu podstawowym w stanie stałym. Ten rodzaj obróbki cieplnej składa się z dwóch zabiegów cieplnych: przesycania i starzenia.

Przesycanie polega na nagrzaniu stopu, zawierającego nie więcej pierwiastka stopowego niż wynosi jego graniczna rozpuszczalność, do temperatury powyżej krzywej rozpuszczalności w stanie stałym (solvus), wygrzaniu w tej temperaturze i szybkim chłodzeniu. W temperaturze wygrzewania strukturą równowagową jest roztwór stały składnika stopowego w pierwiastku podstawowym stopu. W wyniku chłodzenia z tej temperatury z szybkością większą od szybkości rozpadu roztworu stałego doprowadza się do zatrzymania atomów rozpuszczonego pierwiastka stopowego w przesyconym roztworze. Przesycony roztwór jest metastabilny (termodynamicznie nietrwały), więc będzie dążył do przejścia w stan równowagowy. Taki proces rozpadu roztworu stałego nazywa się starzeniem. Ze względu na podobieństwo technologiczne przesycanie jest niekiedy błędnie zwane hartowaniem. W przeciwieństwie jednak do hartowania podczas przesycania nie zachodzi przemiana alotropowa, a w wyniku przesycania nie otrzymuje się zwiększenia twardości.

Starzenie może przebiegać w temperaturze pokojowej (starzenie samorzutne lub naturalne) albo w podwyższonej, ale niższej od temperatury granicznej rozpuszczalności (starzenie przyspieszone lub sztuczne). Proces starzenia prowadzi do poprawy właściwości wytrzymałościowych stopu. Jest to wynik przemian strukturalnych zachodzących w stopie po jego przesyceniu. Najczęściej wraz z podwyższeniem temperatury starzenia efekt starzenia osiąga się wcześniej, lecz jest mniejszy od efektu uzyskanego w niższej temperaturze. Nie jest to jednak reguła, w przypadku niektórych stopów wpływ temperatury na końcowy efekt starzenia jest odwrotny. Początkowy okres starzenia charakteryzuje się wzrostem umocnienia, które po pewnym czasie osiąga maksimum. Długi czas starzenia powoduje zmniejszenie umocnienia. Zjawisko to nazywa się prze-starzeniem stopu.

Bardzo zbliżone do umacniania wydzieleniowego jest umocnienie dyspersyjne. Podlegają mu materiały zawierające nieodkształcalne wydzielenia twardej fazy o większych rozmiarach w porównaniu z wydzieleniami z przesyconego roztworu. Cząsteczki fazy umacniającej są wprowadzone do stopu w procesie wytwarzania, np. metodami metalurgii proszków lub utleniania wewnętrznego i pomiędzy nimi a osnową występuj e niekoherentna granica międzyfazowa.

W latach dwudziestych i trzydziestych zaczęto kojarzyć wzrost umocnienia w starzonych stopach Al-Cu z procesem wydzielania się faz z przesyconego roztworu stałego. Mechanizm starzenia można prześledzić na stopach Al-Cu, ponieważ jest on charakterystyczny również dla innych stopów, w których linia granicznej rozpuszczalności w stanie stałym pozwala na uzyskanie dużych efektów umacniania wydzieleniowego.

We wczesnym stadium starzenia rozpoczyna się przegrupowanie atomów pierwiastka rozpuszczonego (w tym przypadku atomów miedzi) na określone płaszczyzny atomowe roztworu stałego, gdzie tworzą skupiska atomów. Obszary te, noszące nazwę stref GP (strefy Guiniera-Prestona), mają kształt dysków i są koherentne z osnową. Powstanie stref GP wiąże się ze zniekształceniem i zaburzeniami sieci krystalicznej roztworu stałego. Ponadto moduł sprężystości poprzecznej G wydzieleń jest większy niż osnowy. Utworzone strefy GP oraz zniekształcenie sieci krystalicznej utrudniają ruch dyslokacji, powodując wzrost właściwości wytrzymałościowych. Strefy GP są metastabilne i tworzą się w temperaturze pokojowej. Podgrzanie stopu do temperatury ok. 200°C powoduje ich gwałtowne rozpuszczenie i zmniejszenie właściwości wytrzymałościowych stopu. Zjawisko to nosi nazwę nawrotu.

Kontynuacja procesu starzenia stopów Al-Cu powoduje wydzielenie cząsteczek fazy 9" (dawniej strefy

GP II). Wydzielenia fazy *" mają kształt płytek. Są również koherentne z osnową i tworzą się w temperaturze ok. 130°C. Faza *" przyczynia się przede wszystkim do zwiększenia twardości stopów Al-Cu podczas starzenia przyspieszonego. W miarę rozrostu cząsteczek fazy *" obszar pól odkształconych dookoła wydzieleń się powiększa i płaszczyzny sieciowe ulegają zniekształceniu. W tym stadium starzenia wydzielenia częściowo

tracą koherentność z osnową roztworu stałego. Następuje przekształcenie się wydzieleń fazy *" w fazę *'.

Wydzielenia fazy * ' tworzą się w temperaturze ok. 130°C lub wyższej, zawsze jednak później niż fazy *". Przejściowa faza * ' jest częściowo koherentna z osnową. Ma budowę wyraźnie różniącą się od sieci roztworu stałego. Maksymalne umocnienie w procesie starzenia zachodzi podczas zmiany struktury wydzieleń fazy *" w fazę * '. W wyższej temperaturze, w której powstaje tylko faza * ', otrzymuje się mniejsze właściwości wytrzymałościowe. Występuje tu wspomniane już wcześniej zjawisko przestarzenia stopu.

W czwartym etapie starzenia pośrednie wydzielenia fazy * ' przekształcają się w równowagowe wydzielenia fazy * (AlzCu). Faza * wydziela się w postaci płytek i nie jest koherentna z osnową. Nie ulega już dalszym przemianom, jedynie w przypadku przedłużenia starzenia następuje jej koagulacja.

Teoretyczny model umacniania wydzieleniowego sprowadza się do oddziaływania dyslokacji z cząsteczkami drugiej fazy. Zakres tego oddziaływania jest zależny od rodzaju, wielkości, kształtu i stopnia dyspersji wydzielonych faz. Rozważania teoretyczne dotyczą przede wszystkim wpływu rozmiaru cząsteczek i stopnia ich dyspersji na wartość granicy plastyczności. Rodzaj drugiej fazy najczęściej jest sprowadzany do analizy wydzieleń koherentnych lub niekoherentnych z osnową przy założeniu, że cząsteczki mają kształt kulisty. W rozważaniach teoretycznych wyróżnia się dwa mechanizmy pokonywania wydzieleń przez dyslokację: omijania i przecinania.

Cząsteczki o niewielkich rozmiarach (promień r < 10 nm), koherentne z osnową, znajdujące się blisko siebie, mogą być przecinane przez dyslokacje. Jeśli ich rozmiary i odległości między nimi się zwiększają, to dyslokacje omijają cząsteczki wydzielenia tzw. mechanizmem Orowana.

Mechanizm omijania wydzieleń przez dyslokacje odnosi się zwykle do etapu przestarzenia, tzn. do dużych, niekoherentnych wydzieleń równowagowych fazy *. Dyslokacja omijając cząsteczki wydzielenia, wygina się aż do utworzenia pętli wokół każdej cząsteczki. Po oderwaniu się dyslokacji od cząsteczek efektywna odległość między nimi zostaje zmniejszona przez otaczające je pętle, co utrudnia przechodzenie następnej dyslokacji. Jeśli jednak zdoła ona przejść, prowadzi to do utworzenia dodatkowych pętli, do momentu, w którym ruch dyslokacji zostanie zupełnie zahamowany wskutek ich wzajemnego oddziaływania. Stan taki odpowiada silnemu umocnieniu stopu.

Podczas odkształcenia plastycznego małe wydzielenia koherentne lub częściowo koherentne są przecinane przez dyslokacje. Aby nastąpiło przecięcie cząsteczki wydzielenia przez dyslokację, musi być dostarczona energia na:

a) pokonanie odkształceń sprężystych sieci między wydzieleniem a osnową,

b) wzrost powierzchni danej cząsteczki w wyniku jej przecięcia przez dyslokacje na dwie części,

c) wzrost naprężenia płynięcia poruszającej się dyslokacji wewnątrz cząsteczki, które jest większe niż w osnowie.

Superstopy na osnowie niklu, często stosowane w lotnictwie na elementy pracujące w warunkach dużych obciążeń w podwyższonej temperaturze, dobrą wytrzymałość zawdzięczają umocnieniu przez dyspersyjne wydzielenia fazy międzymetalicznej *' Ni3(Al, Ti). Badania stopów przemysłowych i doświadczalnych wykazały, że stabilność ich właściwości mechanicznych jest bezpośrednio związana ze stabilnością kształtu, rozmiarów i rozmieszczenia umacniającej fazy *'. Dlatego dane opisujące wpływ czasu i temperatury na kinetykę wydzielania oraz rozrostu fazy *' mają podstawowe znaczenie dla praktycznego zastosowania danego stopu.

Siluminy (stopy aluminium z krzemem) przeznaczone do wyrobu tłoków silników spalinowych wykazują właściwości fizyczne i chemiczne niezbędne materiałom eksploatowanym w tak charakterystycznych warunkach. Od tych materiałów jest wymagana stabilność wymiarowa i dobre właściwości mechaniczne w podwyższonej temperaturze. Często stosowanym stopem jest utwardzany wydzieleniowo silumin eutektyczny AK12. W stanie przesyconym stop AK 12 ma mikrostrukturę złożoną z eutektyki *+Si oraz charakteryzuje się małą twardością. Podczas starzenia następuje rozpad przesyconej fazy * i wydzielenie się dyspersyjnych faz międzymetalicznych. Skutkiem tego procesu są zmiany twardości oraz zmiany wymiarów.

Część doświadczalna:

Umacnianie wydzieleniowe stopu aluminium PA38

Warunki obróbki cieplnej stopu:

-przesycanie 480-505⁰C przez 1-3h,

-starzenie samorzutne(przyśpieszone)150-170⁰C,

-ośrodek chłodzący-woda.

R_m180MPa

R_e-100MPa

A_s-20%

Pomiar twardości stopu po przesycaniu:99HB,80HB,89,5HB.

Twardość stopu PA38 po starzeniu naturalnym 168 godzin wynosi 124HB.

---