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

Starenje je proces strukturnih promjena koje se događaju u leguri u stanju prezasićene čvrste otopine. kontrolirano odvajanje vrlo finih faza iz matricekoji ometaju kretanje dislokacija i, pod odgovarajuće odabranim uvjetima, dovode do značajnog povećanja tvrdoća, granica razvlačenja i vlačna čvrstoća Rm.
Starenje je jedna od osnovnih faza jačanje oborina metalne legure. Postupak je posebno važan kod legura aluminijumPH nehrđajući čelici očvrsnuti taloženjem, legure niklstopala titan i drugi materijali čiji kemijski sastav omogućuje stvaranje taložnih faza.
Starenje je izravno povezano s prezasićenostTijekom toplinske obrade u otopini, legirajući elementi se otapaju u matrici i zadržavaju u njoj dovoljno brzim hlađenjem. Tada se stvara metastabilno stanje – prezasićena čvrsta otopinaTijekom naknadnog starenja, višak otopljenih komponenti postupno se oslobađa iz matrice.
Shema očvršćavanja taloženjem može se prikazati na sljedeći način:

Što je starenje legure?

U ravnoteži, topljivost mnogih legirajućih elemenata smanjuje se snižavanjem temperature. Tijekom toplinske obrade otopinom, materijal se zagrijava na temperaturu na kojoj se specifični elementi ili faze mogu otopiti u matrici.
Dovoljno brzo hlađenje ograničava mogućnost njihovog ponovnog emitiranja. Na sobnoj temperaturi to stvara prezasićena čvrsta otopina, koji sadrži veću količinu otopljene 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 dovode do stvaranja atomskih klastera i odvajanja novih faza.
Odgovarajuće mali i razmaknuti dijelovi predstavljaju prepreke za one koji se kreću dislokacijaPomicanje dislokacija tada zahtijeva veći napon, što makroskopski rezultira povećanjem čvrstoće i granice razvlačenja materijala.

Zašto talozi povećavaju čvrstoću materijala?

Plastična deformacija metala nastaje uglavnom zbog kretanja dislokacija u kristalnoj rešetki.
Ako se u matrici stvore vrlo mali talozi, oni postaju prepreka kretanju dislokacija.
Ovisno o veličini, strukturi i kristalografskom odnosu taloga i matrice, dislokacija može:

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

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

Faze jačanja oborina

Prirodno starenje

Prirodno starenje događa se bez namjernog zagrijavanja materijala, obično na sobnoj temperaturi.
Nakon prezasićenja, atomi nekih legirajućih komponenti zadržavaju dovoljnu pokretljivost da s vremenom dovedu do strukturnih promjena, što dovodi do povećanja svojstava čvrstoće.
Proces može trajati od nekoliko sati i dana do mnogo dulje, ovisno o vrsti legure i temperaturi skladištenja.
Prirodno starenje je posebno važno kod nekih legura. aluminijum.
To također znači da se svojstva materijala neposredno nakon toplinske obrade u otopini mogu razlikovati od svojstava istog materijala nakon nekoliko dana ili tjedana skladištenja.

Umjetno starenje

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

• temperatura starenja,
• vrijeme starenja,
• stanje materijala prije starenja,
• brzina grijanja i hlađenja,
• kemijski 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 odvijaju se sporije, pa je za postizanje potrebne strukture obično potrebno dulje vrijeme.
Viša temperatura ubrzava difuziju i skraćuje vrijeme potrebno za stvaranje i rast taloga.
Međutim, previsoka temperatura ili predugo vrijeme mogu dovesti do prekomjernog taloženja i taljenja materijala. zastario.
Stoga cilj tehnologije nije što više produžiti starenje, već dobiti strukturu taloga koja pruža potrebna svojstva.

Krivulja starenja - tvrdoća kao funkcija vremena

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

Shematski:

Prekomjerno starenje

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

• tvrdoglavost,
• granica tečenja,
• vlačna čvrstoća Rm.

Međutim, prekomjerno starenje nije uvijek nepoželjno. Kod nekih legura, stanje prekomjernog 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 odvajanja

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

Tijekom starenja, priroda taloga se može mijenjati kako rastu. To je jedan od razloga zašto se svojstva materijala mijenjaju s vremenom.

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. Taj se mehanizam naziva Orowanski mehanizam.
Što su veličina i raspored čestica prikladniji, to je veći napon potreban za pomicanje dislokacija.
Međutim, ako čestice značajno rastu tijekom starenja, njihov broj po jedinici volumena se smanjuje, a prosječna udaljenost između njih se povećava. Dislokacije ih tada mogu lakše zaobići, a učinak ojačanja počinje opadati.

Zone Guinier–Preston – GP

U nekim stopalima, posebno stopalima aluminijumU ranim fazama starenja mogu se formirati vrlo male nakupine atoma, koje se nazivaju Zone Guinier–Preston – zone GP-a.
To nisu samo velike čestice druge faze. To su vrlo fina, uređena područja obogaćena specifičnim legirajućim elementima i sposobna ostati koherentna s matricom.
Formiranje GP zona može snažno utjecati na kretanje dislokacija i predstavlja jedan od prvih koraka u slijedu taloženja koji dovodi do formiranja naknadnih metastabilnih i ravnotežnih faza.
Točan slijed transformacija ovisi o specifičnom sustavu legiranja.

Starenje aluminijskih legura

Pjesme aluminijum spadaju među najvažnije materijale koji koriste taložno ojačanje.
Sustavi sposobni za takvo ojačanje uključuju, između ostalog, legure temeljene na kombinacijama:

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

Nakon toplinske obrade u otopini, legura se može podvrgnuti prirodnom ili umjetnom starenju.
Ovisno o sustavu legiranja, nastaju različiti slijedovi taloženja. Stoga je nemoguće svim aluminijskim legurama dodijeliti jednu fazu ojačavanja.

Primjer – starenje Al-Cu legura

Klasičan primjer mehanizma ojačavanja precipitacijom je Al– sustavCu.
Jednostavno rečeno, tijekom starenja prezasićene otopine 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 inhibiranja kretanja dislokacije.
Najveća količina ravnotežne faze ne znači automatski i najveću čvrstoću. Najpovoljnije ojačanje obično se događa ranije, kada struktura sadrži vrlo fine i dobro raspoređene metastabilne precipitate.

Starenje nehrđajućih čelika PH

Starenje je temeljno za nehrđajući čelici očvrsnuti taloženjem PH – otvrdnjavanje taloženjem.
Ovi čelici kombiniraju otpornost na koroziju koja je, između ostalog, rezultat prisutnosti krom s mogućnošću postizanja vrlo visokih mehaničkih svojstava putem odgovarajuće osmišljene toplinske obrade.
Ovisno o vrsti, mehanizmi jačanja mogu uključivati, između ostalog:

• bakar Cu,
• Nikal Ni,
• aluminij Al,
• titan Ti,
• niobij Nb.

Nakon odgovarajuće pripreme strukture, materijal se podvrgava starenju na temperaturi određenoj za određenu klasu i potrebne uvjete isporuke.
Promjena temperature starenja omogućuje postizanje različitih kombinacija čvrstoće, tvrdoće, duktilnosti i otpornosti na lom.

Starenje niklovih superlegura

Proces starenja je također jedan od najvažnijih mehanizama za postizanje visoke čvrstoće superlegure na bazi nikla.
Ovisno o leguri, tijekom starenja mogu se formirati faze ojačavanja, uključujući, ali ne ograničavajući se na, γ′ i γ″.
γ′ faza je prvenstveno povezana sa sustavima koji sadrže Ni, Al i Ti, dok u odabranim legurama koje sadrže Nb γ″ faza može biti od značajne važnosti.
Fini talozi omogućuju 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 se ne smije miješati s kaljenjem čelika . Oba procesa mogu se provesti zagrijavanjem materijala na povišenim temperaturama, ali njihova početna točka i osnovni mehanizmi su različiti.

Starenje i zasićenost – razlike

Utjecaj starenja na mehanička svojstva

Ispravno odabrano starenje može značajno promijeniti svojstva materijala.

Zašto maksimalna tvrdoća nije uvijek najbolje stanje materijala?

U inženjerskoj praksi cilj nije uvijek postići apsolutno najvišu moguću kvalitetu. tvrdoća lub čvrstoća Rm.
Materijal često mora istovremeno pružati:

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

Zbog toga se u nekim primjenama namjerno odabire blago ostarjelo stanje umjesto stanja koje odgovara maksimalnoj tvrdoći.

Najčešće greške u starenju

• preniska temperatura – proces može biti prespor 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,
• netočna prezasićenost – neodgovarajuće početno stanje ograničava mogućnost postizanja očekivanog odgovora na starenje,
• neuzimanje u obzir prirodnog starenja – svojstva materijala mogu se promijeniti između toplinske obrade otopinom i daljnje obrade.

Kontrola procesa starenja

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

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

Starenje je proces kontroliranog odvajanja faza iz prezasićene čvrste otopine, što kod materijala koji se očvršćavaju precipitacijom dovodi do povećanog otpora na pomicanje dislokacija i, posljedično, do povećane tvrdoće, granice razvlačenja i čvrstoće.
Proces se može odvijati kao prirodno starenje na sobnoj temperaturi ili kao umjetno starenje provedeno na kontrolirano povišenoj temperaturi.
Najvažniji uvjet za postizanje visokog učinka ojačanja nije stvaranje taloga, već dobivanje odgovarajućeg veličina, broj, raspodjela i priroda odjela.
Prekratko vrijeme starenja može rezultirati neiskorištenjem u potpunosti kapaciteta ojačanja, dok pretjerano vrijeme ili temperatura mogu dovesti do zastarijevanje, povećanje oborina i postupno smanjenje tvrdoće i čvrstoće.
Starenje je jedan od osnovnih mehanizama koji oblikuju svojstva legura. aluminijum, PH nehrđajući čelici oraz niklove superlegure.

Metode toplinske i termokemijske obrade čelika

Starenje je samo jedan od procesa koji se koriste za modificiranje mikrostrukture i svojstava čelika. Ovisno o željenom učinku, koriste se i normalizacija, otpuštanje naprezanja, kaljenje, popuštanje itd., kao i termokemijski procesi poput cementacije, nitriranja i drugih.

Metode toplinske obrade čelika

• Normalizirajući čelik – pročišćavanje zrna i ujedinjavanje mikrostrukture.
• Žarenje za ublažavanje naprezanja – smanjenje zaostalih naprezanja.
• Omekšavanje čelika – smanjenje tvrdoće i poboljšanje podložnosti daljnjoj obradi.
• Potpuno žarenje – austenitizacija i sporo hlađenje.
• Izotermno žarenje – transformacija provedena uz držanje na pravilno odabranoj temperaturi.
• Žarenje kuglica – sferoidizacija – promjena morfologije cementita ili drugih karbida.
• Rekristalizacijsko žarenje – uklanjanje učinaka drobljenja i vraćanje plastičnosti.
• Homogenizirajuće žarenje – smanjenje segregacije i homogenizacija sastava materijala.
• Kaljenje i toplinska obrada – oblikovanje mikrostrukture i svojstava kaljenjem i popuštanjem.
• Kaljenje čelika – kontrolirana modifikacija svojstava čelika nakon kaljenja.
• Indukcijsko kaljenje – površinsko indukcijsko zagrijavanje i brzo hlađenje.
• Kaljenje plamenom – površinsko očvršćavanje nakon lokalnog zagrijavanja plamenom.
• Prezasićenost – dobivanje prezasićene čvrste otopine odgovarajućim termičkim ciklusom.
• Starenje – kontrolirano odvajanje faza što dovodi do ojačavanja materijala.

Metode termokemijske obrade čelika

• Nitriranje čelika – difuzijsko obogaćivanje površinskog sloja dušikom.
• Cementiranje 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 kromiranje – difuzijsko obogaćivanje sloja kromom.
• Difuzijsko aluminiziranje – difuzijsko obogaćivanje sloja u aluminiju.