Starenje metala i legura – očvršćavanje precipitacijom, proces, temperatura i svojstva

Starenje je proces strukturnih promjena koje se dešavaju u leguri u stanju prezasićenog čvrstog rastvora. kontrolirano odvajanje vrlo finih faza iz matricekoji ometaju kretanje dislokacija i, pod odgovarajuće odabranim uslovima, dovode do značajnog povećanja tvrdoća, granica razvlačenja i zatezna čvrstoća Rm.
Starenje je jedna od osnovnih faza jačanje padavina metalne legure. Proces je posebno važan kod legura aluminijumPH nehrđajući čelici, legure kaljeni precipitacijom niklstopala titan i drugi materijali čiji hemijski sastav omogućava formiranje taložnih faza.
Starenje je direktno povezano sa prezasićenostTokom termičke obrade rastvorom, legirajući elementi se rastvaraju u matrici i zadržavaju u njoj dovoljno brzim hlađenjem. Tada se stvara metastabilno stanje – prezasićeni čvrsti rastvorTokom naknadnog starenja, višak rastvorenih komponenti se postepeno oslobađa iz matrice.
Shema očvršćavanja precipitacijom može se predstaviti na sljedeći način:

Šta je starenje legure?

U ravnoteži, rastvorljivost mnogih legirajućih elemenata opada sa smanjenjem temperature. Tokom termičke obrade rastvorom, materijal se zagrijava na temperaturu na kojoj se specifični elementi ili faze mogu rastvoriti u matrici.
Dovoljno brzo hlađenje ograničava mogućnost njihove ponovne emisije. Na sobnoj temperaturi to stvara prezasićeni čvrsti rastvor, koja sadrži veću količinu rastvorene komponente nego što odgovara ravnotežnom stanju na toj temperaturi.
Ovo stanje je termodinamički nestabilno ili metastabilno.
Ako se atomima pruži dovoljna prilika za kretanje difuzijom, započinju procesi koji vode do formiranja atomskih klastera i odvajanja novih faza.
Odgovarajuće mali i razmaknuti dijelovi predstavljaju prepreke za one koji se kreću dislokacijaKretanje dislokacija tada zahtijeva veći napon, što makroskopski rezultira povećanjem čvrstoće i granice tečenja materijala.

Zašto talozi povećavaju čvrstoću materijala?

Plastična deformacija metala nastaje uglavnom zbog kretanja dislokacija u kristalnoj rešetki.
Ako se u matrici formiraju vrlo mali talozi, oni postaju prepreka kretanju dislokacija.
U zavisnosti od veličine, strukture i kristalografskog odnosa taloga i matrice, dislokacija može:

• prorezati male sekrete, ako im to dozvoljavaju struktura i veličina,
• izbjegavajte veće razmake, savijajući se između njih.

Oba mehanizma zahtijevaju dodatnu energiju i povećavaju otpornost materijala na plastičnu deformaciju.
Učinkovitost ojačavanja ne zavisi samo od količine odvojene faze, već i od veličina, oblik, raspored, udaljenost između čestica i njihov odnos s kristalnom rešetkom matrice.

Faze jačanja padavina

Prirodno starenje

Prirodno starenje događa se bez namjernog zagrijavanja materijala, obično na sobnoj temperaturi.
Nakon prezasićenja, atomi nekih legirajućih komponenti zadržavaju dovoljnu pokretljivost da omoguće strukturne promjene tokom vremena, što dovodi do povećanja svojstava čvrstoće.
Proces može trajati od nekoliko sati i dana do mnogo duže, ovisno o vrsti legure i temperaturi skladištenja.
Prirodno starenje je posebno važno kod nekih legura. aluminijum.
To također znači da se svojstva materijala odmah nakon termičke obrade u rastvoru mogu razlikovati od svojstava istog materijala nakon nekoliko dana ili sedmica skladištenja.

Umjetno starenje

Umjetno starenje provodi se na kontroliranoj, povišenoj temperaturi.
Povećanje temperature povećava pokretljivost atoma i ubrzava procese difuzije. To omogućava mnogo brže razdvajanje faza nego tokom prirodnog starenja.
Osnovni parametri procesa su:

• temperatura starenja,
• vrijeme starenja,
• stanje materijala prije starenja,
• brzina grijanja i hlađenja,
• hemijski sastav legure.

Ne postoji jedna univerzalna temperatura starenja. Parametri se moraju individualno odabrati za određenu leguru i potrebna svojstva.

Prirodno starenje i umjetno starenje

Utjecaj temperature i vremena starenja

Temperatura i vrijeme su usko povezani.
Na nižim temperaturama, procesi difuzije se odvijaju sporije, tako da postizanje potrebne strukture obično zahtijeva duže vrijeme.
Viša temperatura ubrzava difuziju i skraćuje vrijeme potrebno za formiranje i rast taloga.
Međutim, previsoka temperatura ili predugo vrijeme mogu dovesti do prekomjernog taloženja i sagorijevanja materijala. zastario.
Stoga, cilj tehnologije nije što više produžiti starenje, već dobiti strukturu taloga koja pruža potrebna svojstva.

Kriva starenja - tvrdoća kao funkcija vremena

Proces starenja može se pojednostavljeno predstaviti kao promjena tvrdoće ili čvrstoće u funkciji vremena.

Shematski:

Prekomjerno starenje

Zastarijevanje je stanje koje nastaje usljed predugog starenja ili primjene dovoljno visoke temperature, pri čemu talozi postaju veći i udaljeniji jedan od drugog.
Precipitati tada prestaju tako efikasno blokirati kretanje dislokacija.
Kao rezultat toga, sljedeće se može smanjiti:

• tvrdoća,
• granica tečenja,
• zatezna čvrstoća Rm.

Međutim, predugo starenje nije uvijek nepoželjno. Kod nekih legura, stanje predugo starenja se namjerno koristi kada su druga svojstva, poput dimenzijske stabilnosti, otpornosti na specifične mehanizme korozije ili ponašanja materijala na povišenim temperaturama, važnija od maksimalne čvrstoće.

Koherentna, polukoherentna i nekoherentna razdvajanja

Odnos između kristalne rešetke taloga i matrice je od ključne važnosti za mehanizam ojačavanja.

Tokom starenja, priroda taloga se može mijenjati kako rastu. To je jedan od razloga zašto se svojstva materijala mijenjaju tokom vremena.

Orowanski mehanizam

Ako su precipitati dovoljno veliki i otporni na rezanje dislokacijom, dislokacija ih mora zaobići.
Zatim se savija između susjednih čestica i može ostaviti dislokacijske petlje oko njih. Ovaj mehanizam se naziva Orowanski mehanizam.
Što su veličina i raspored čestica pogodniji, to je veći napon potreban za pomicanje dislokacija.
Međutim, ako čestice značajno rastu tokom starenja, njihov broj po jedinici zapremine se smanjuje, a prosječna udaljenost između njih se povećava. Dislokacije ih tada mogu lakše zaobići, a efekat ojačavanja počinje da opada.

Zone Guinier–Preston – GP

Kod nekih stopala, posebno stopala aluminijumU ranim fazama starenja mogu se formirati vrlo mali klasteri atoma, koji se nazivaju Guinier–Preston zone – GP zone.
Ovo nisu samo velike čestice druge faze. To su vrlo fina, uređena područja obogaćena specifičnim legirajućim elementima i sposobna da ostanu koherentna s matricom.
Formiranje GP zona može snažno utjecati na kretanje dislokacija i predstavlja jedan od prvih koraka u sekvenci precipitacije koja dovodi do formiranja naknadnih metastabilnih i ravnotežnih faza.
Tačan redoslijed transformacija zavisi od specifičnog sistema legiranja.

Starenje aluminijskih legura

Tragovi aluminijum spadaju među najvažnije materijale koji koriste taložno ojačanje.
Sistemi koji mogu imati takvo ojačanje uključuju, između ostalog, legure zasnovane na kombinacijama:

• Al–Cu,
• Al–Mg-Si,
• Al–Zn-Mg,
• Al–Zn-Mg-Cu.

Nakon termičke obrade rastvorom, legura se može podvrgnuti prirodnom ili vještačkom starenju.
U zavisnosti od sistema legiranja, formiraju se različite sekvence taloženja. Stoga je nemoguće dodijeliti jednu fazu ojačavanja svim aluminijumskim legurama.

Primjer – starenje Al-Cu legura

Klasičan primjer mehanizma ojačavanja precipitacijom je Al– sistem.Cu.
Jednostavno rečeno, tokom starenja prezasićenog rastvora, mogu se dogoditi sljedeći koraci koji vode od atomskih klastera i GP zona kroz metastabilne faze do ravnotežne θ-Al faze.₂Cu.
Pojedinačne faze se razlikuju po svojoj koherentnosti s matricom i sposobnosti da inhibiraju kretanje dislokacije.
Najveća količina ravnotežne faze ne znači automatski i najveću čvrstoću. Najpovoljnije ojačanje se obično događa ranije, kada struktura sadrži vrlo fine i dobro raspoređene metastabilne precipitate.

Starenje nehrđajućih čelika PH

Starenje je fundamentalno za Nehrđajući čelici kaljeni precipitacijom PH – očvršćavanje precipitacijom.
Ovi čelici kombinuju otpornost na koroziju koja je, između ostalog, rezultat prisustva hrom sa mogućnošću dobijanja vrlo visokih mehaničkih svojstava putem odgovarajuće dizajnirane termičke obrade.
U zavisnosti od vrste, mehanizmi jačanja mogu, između ostalog, uključivati:

• bakar Cu,
• Nikl Ni,
• aluminij Al,
• titan Ti,
• niobijum Nb.

Nakon odgovarajuće pripreme strukture, materijal se podvrgava starenju na temperaturi specificiranoj za određenu klasu i potrebne uslove isporuke.
Promjena temperature starenja omogućava dobijanje različitih kombinacija čvrstoće, tvrdoće, duktilnosti i otpornosti na lom.

Starenje superlegura nikla

Proces starenja je također jedan od najvažnijih mehanizama za postizanje visoke čvrstoće superlegure na bazi nikla.
U zavisnosti od legure, tokom starenja se mogu formirati faze ojačavanja, uključujući, ali ne ograničavajući se na, γ′ i γ″.
γ′ faza je prvenstveno povezana sa sistemima koji sadrže Ni, Al i Ti, dok u odabranim legurama koje sadrže Nb γ″ faza može biti od značajnog značaja.
Fini talozi omogućavaju materijalu da održi visoku čvrstoću čak i na temperaturama na kojima mnogi klasični građevinski materijali brzo gube svoja svojstva.
Stoga se superlegure nikla ojačane precipitacijom koriste, između ostalog, u energetskom sektoru, plinskim turbinama, zrakoplovnoj industriji i uređajima koji rade na visokim temperaturama.

Utjecaj legirajućih elemenata na starenje

Starenje i kaljenje – razlike

Starenje ne treba miješati s kaljenjem čelika . Oba procesa se mogu provesti zagrijavanjem materijala na povišenim temperaturama, ali njihova početna tačka i osnovni mehanizmi su različiti.

Starenje i zasićenost – razlike

Uticaj starenja na mehanička svojstva

Pravilno odabrano starenje može značajno promijeniti svojstva materijala.

Zašto maksimalna tvrdoća nije uvijek najbolje stanje materijala?

U inženjerskoj praksi, cilj nije uvijek postizanje apsolutno najvišeg mogućeg kvaliteta. tvrdoća ili čvrstoća Rm.
Materijal često mora istovremeno obezbijediti:

• visoka izdržljivost,
• odgovarajuća plastičnost,
• otpornost na pucanje,
• otpornost na umor,
• dimenzionalna stabilnost,
• otpornost na koroziju,
• stabilnost svojstava pri radu na povišenim temperaturama.

Iz tog razloga, u nekim primjenama se namjerno bira blago ostarjelo stanje umjesto stanja koje odgovara maksimalnoj tvrdoći.

Najčešće greške tokom starenja

• preniska temperatura – proces može biti previše spor ili neće dovesti do odgovarajuće strukture u potrebnom vremenu,
• prekratko vrijeme – materijal ostaje nedovoljno ojačan,
• previsoka temperatura – ubrzava rast sekreta i može dovesti do starenja,
• predugo – može dovesti do koagulacije taloga i smanjenja svojstava čvrstoće,
• netačna prezasićenost – neodgovarajuće početno stanje ograničava mogućnost dobijanja očekivanog odgovora na starenje,
• neuzimanje u obzir prirodnog starenja – svojstva materijala se mogu promijeniti između termičke obrade rastvorom i daljnje obrade.

Kontrola procesa starenja

Učinkovitost starenja može se procijeniti ispitivanjem mehaničkih svojstava i mikrostrukture.
Između ostalog, koriste se sljedeći:

• mjerenje tvrdoća,
• pregled zatezna čvrstoća Rm,
• određivanje granice tečenja,
• ispitivanja plastičnosti,
• optička i elektronska mikroskopija,
• analiza veličine i distribucije taloga,
• fazne studije,
• ispitivanja otpornosti na koroziju i zamor, ako su potrebna za određenu primjenu.

Starenje je proces kontroliranog odvajanja faza iz prezasićenog čvrstog rastvora, što kod materijala koji se očvršćavaju precipitacijom dovodi do povećane otpornosti na kretanje dislokacija i, posljedično, do povećane tvrdoće, granice tečenja i čvrstoće.
Proces se može odvijati kao prirodno starenje na sobnoj temperaturi ili kao umjetno starenje provedeno na kontrolirano povišenoj temperaturi.
Najvažniji uslov za postizanje visokog efekta ojačavanja nije stvaranje taloga, već dobijanje odgovarajućeg veličina, broj, raspodjela i priroda odjeljenja.
Prekratko vrijeme starenja može rezultirati neiskorištenjem u potpunosti kapaciteta ojačavanja, dok predugo vrijeme ili temperatura mogu dovesti do zastarijevanje, povećanje padavina i postepeno smanjenje tvrdoće i čvrstoće.
Starenje je jedan od osnovnih mehanizama koji oblikuju svojstva legura. aluminijum, PH nehrđajući čelici i superlegure nikla.

Metode termičke i termohemijske obrade čelika

Starenje je samo jedan od procesa koji se koriste za modifikaciju mikrostrukture i svojstava čelika. U zavisnosti od željenog efekta, koriste se i normalizacija, otpuštanje napona, kaljenje, otpuštanje itd., kao i termohemijski procesi poput cementacije, nitriranja i drugih.

Metode termičke obrade čelika

• Normalizacija čelika – pročišćavanje zrna i ujedinjavanje mikrostrukture.
• Žarenje za ublažavanje naprezanja – smanjenje zaostalih napona.
• Omekšavanje čelika – smanjenje tvrdoće i poboljšanje podložnosti daljnjoj obradi.
• Potpuno žarenje – austenitizacija i sporo hlađenje.
• Izotermno žarenje – transformacija provedena uz držanje na odgovarajuće odabranoj temperaturi.
• Žarenje kuglica – sferoidizacija – promjena morfologije cementita ili drugih karbida.
• Rekristalizacijsko žarenje – uklanjanje efekata drobljenja i vraćanje plastičnosti.
• Homogenizirajuće žarenje – smanjenje segregacije i homogenizacija sastava materijala.
• Kaljenje i termička obrada – oblikovanje mikrostrukture i svojstava kaljenjem i otpuštanjem.
• Kaljenje čelika – kontrolisana modifikacija svojstava čelika nakon kaljenja.
• Indukcijsko kaljenje – površinsko indukcijsko zagrijavanje i brzo hlađenje.
• Kaljenje plamenom – površinsko očvršćavanje nakon lokalnog zagrijavanja plamenom.
• Prezasićenost – dobijanje prezasićenog čvrstog rastvora odgovarajućim termičkim ciklusom.
• Starenje – kontrolirano odvajanje faza što dovodi do ojačavanja materijala.

Metode termohemijske obrade čelika

• Nitriranje čelika – difuzijsko obogaćivanje površinskog sloja dušikom.
• Cementacija čelika – difuzijsko obogaćivanje površine ugljikom.
• Karbonitriranje – istovremeno obogaćivanje površinskog sloja ugljikom i dušikom.
• Nitrokarburizacija / nitrokarburizacija – obogaćivanje sloja prvenstveno dušikom i ugljikom.
• Bušenje – difuzijsko zasićenje površine borom.
• Difuzijsko hromiranje – difuzijsko obogaćivanje sloja hromom.
• Difuzijsko aluminiziranje – difuzijsko obogaćivanje sloja u aluminijumu.