Стареење на метали и легури – стврднување со таложење, процес, температура и својства

Стареење е процес на структурни промени што се случуваат во легура во состојба на презаситен цврст раствор. контролирано одвојување на многу фини фази од матрицатакои го попречуваат движењето на дислокациите и, под соодветно избрани услови, доведуваат до значително зголемување тврдост, граница на истегнување и затегнувачка цврстина Rm.
Стареењето е една од основните фази зајакнување на врнежите метални легури. Процесот е особено важен кај легурите алуминиум, PH врнежи-стврднати не'рѓосувачки челици, легури никел, стапала титаниум и други материјали чиј хемиски состав овозможува формирање на фази на врнежи.
Стареењето е директно поврзано со презаситеностЗа време на термичката обработка во раствор, легирачките елементи се раствораат во матрицата и се задржуваат во неа со доволно брзо ладење. Потоа се создава метастабилна состојба – презаситен цврст растворЗа време на последователното стареење, вишокот растворени компоненти постепено се ослободуваат од матрицата.
Шемата за стврднување со врнежи може да се претстави на следниов начин:

Што е стареење на легури?

Во рамнотежа, растворливоста на многу легирачки елементи се намалува со намалување на температурата. За време на термичката обработка во раствор, материјалот се загрева до температура на која специфични елементи или фази можат да се растворат во матрицата.
Доволно брзото ладење ја ограничува можноста за нивно повторно испуштање. На собна температура, ова создава презаситен цврст раствор, што содржи поголема количина на растворена компонента отколку што одговара на рамнотежната состојба на таа температура.
Оваа состојба е термодинамички нестабилна или метастабилна.
Ако на атомите им се даде доволна можност да се движат преку дифузија, започнуваат процеси што водат до формирање на атомски кластери и одвојување на нови фази.
Соодветно малите и распоредени делови претставуваат пречки за оние што се движат дислокацијаДвижењето на дислокациите потоа бара поголем стрес, што макроскопски резултира со зголемување на јакоста и границата на истегнување на материјалот.

Зошто талогите ја зголемуваат цврстината на материјалот?

Пластичната деформација на металите се јавува во голема мера поради движењето на дислокациите во кристалната решетка.
Ако во матрицата се формираат многу мали преципитати, тие стануваат пречки за движење на дислокациите.
Во зависност од големината, структурата и кристалографскиот однос на талогот-матрицата, дислокацијата може:

• сечење низ мали секрети, ако нивната структура и големина го дозволуваат тоа,
• избегнувајте поголеми разделби, свиткувајќи се меѓу нив.

И двата механизма бараат дополнителна енергија и ја зголемуваат отпорноста на материјалот на пластична деформација.
Ефективноста на зајакнувањето зависи не само од количината на одвоената фаза, туку и од големина, облик, распоред, растојание помеѓу честичките и нивниот однос со кристалната решетка на матрицата.

Фази на зајакнување на врнежите

Природно стареење

Природно стареење се случува без намерно загревање на материјалот, обично на собна температура.
По презаситеноста, атомите на некои легирачки компоненти задржуваат доволна подвижност за да дозволат структурни промени со текот на времето, што доведува до зголемување на својствата на цврстината.
Процесот може да трае од часови и денови до многу подолго, во зависност од видот на легурата и температурата на складирање.
Природното стареење е особено важно кај некои легури. алуминиум.
Тоа исто така значи дека својствата на материјалот веднаш по термичката обработка во раствор може да бидат различни од својствата на истиот материјал по неколку дена или недели складирање.

Вештачко стареење

Вештачко стареење се изведува на контролирана, покачена температура.
Зголемувањето на температурата ја зголемува атомската подвижност и ги забрзува процесите на дифузија. Ова овозможува фазното раздвојување да се случи многу побрзо отколку за време на природното стареење.
Основните параметри на процесот се:

• температура на стареење,
• време на стареење,
• состојбата на материјалот пред стареење,
• брзина на греење и ладење,
• хемиски состав на легурата.

Не постои единствена универзална температура на стареење. Параметрите мора да се изберат индивидуално за специфичната легура и потребните својства.

Природно стареење и вештачко стареење

Влијание на температурата и времето на стареење

Температурата и времето се тесно поврзани.
На пониски температури, процесите на дифузија се одвиваат побавно, па затоа постигнувањето на потребната структура обично бара подолго време.
Повисоката температура ја забрзува дифузијата и го скратува времето потребно за формирање и раст на талогите.
Сепак, превисоката температура или предолгото време може да доведат до прекумерни врнежи и материјалот да стане застарен.
Затоа, целта на технологијата не е да се продолжи стареењето колку што е можно повеќе, туку да се добие структура на талог што ги обезбедува потребните својства.

Крива на стареење - тврдост како функција на времето

Процесот на стареење може да се поедностави како промена на тврдоста или јачината како функција на времето.

Шематски:

Престареење

Застареност е состојба што е резултат на предолго стареење или примена на доволно висока температура, при што талогите стануваат поголеми и оддалечени еден од друг.
Потоа талозите престануваат толку ефикасно да го блокираат движењето на дислокациите.
Како резултат на тоа, следново може да се намали:

• тврдост,
• точка на попуштање,
• затегнувачка цврстина Rm.

Сепак, прекумерното стареење не е секогаш непожелно. Кај некои легури, состојбата на прекумерно стареење намерно се користи кога други својства, како што се димензионалната стабилност, отпорноста на специфични механизми на корозија или однесувањето на материјалот на покачени температури, се поважни од максималната цврстина.

Кохерентни, полукохерентни и некохерентни разделби

Односот помеѓу кристалната решетка на талогот и матрицата е од клучно значење за механизмот на зајакнување.

За време на стареењето, природата на талозите може да се промени како што растат. Ова е една од причините зошто својствата на материјалите се менуваат со текот на времето.

Оровански механизам

Ако талогите се доволно големи и отпорни на сечење од дислокацијата, дислокацијата мора да ги заобиколи.
Потоа се свиткува помеѓу соседните честички и може да остави дислокациски јамки околу нив. Овој механизам се нарекува Орован механизам.
Колку е посоодветна големината и распоредот на честичките, толку е поголем стресот што може да биде потребен за поместување на дислокациите.
Меѓутоа, ако честичките значително пораснат за време на стареењето, нивниот број по единица волумен се намалува, а просечното растојание меѓу нив се зголемува. Потоа, дислокациите можат полесно да ги заобиколат, а ефектот на зајакнување почнува да опаѓа.

Зони на Гиние-Престон – ГП

Во некои стапала, особено стапалата алуминиум, во раните фази на стареење, може да се формираат многу мали кластери од атоми, наречени Зони Гиние-Престон – зони на ГП.
Ова не се само големи честички од втора фаза. Тие се многу фини, подредени региони збогатени со специфични легирачки елементи и способни да останат кохерентни со матрицата.
Формирањето на GP зони може силно да влијае на движењето на дислокациите и да претставува еден од првите чекори во низата на врнежи што води до формирање на последователни метастабилни и рамнотежни фази.
Точната низа на трансформации зависи од специфичниот систем на легирање.

Стареење на алуминиумски легури

Песни алуминиум се меѓу најважните материјали што користат зајакнување со врнежи.
Системите способни за такво зајакнување вклучуваат, меѓу другото, легури базирани на комбинации од:

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

По термичката обработка со раствор, легурата може да биде подложена на природно или вештачко стареење.
Во зависност од системот на легирање, се формираат различни низи на таложење. Затоа, невозможно е да се додели една фаза на зајакнување на сите алуминиумски легури.

Пример – стареење на легури Al-Cu

Класичен пример за механизмот за зајакнување на врнежите е Al– системот.Cu.
Едноставно кажано, за време на стареењето на презаситен раствор, можат да се случат последователни чекори што водат од атомски кластери и GP зони преку метастабилни фази до рамнотежна θ-Al фаза.₂Cu
Поединечните фази се разликуваат по нивната кохерентност со матрицата и нивната способност да го инхибираат движењето на дислокациите.
Најголемата количина на рамнотежна фаза не значи автоматски и највисока јакост. Најповолното зајакнување обично се случува порано, кога структурата содржи многу фини и добро распоредени метастабилни преципитати.

Стареење на не'рѓосувачки челици PH

Стареењето е фундаментално за нерѓосувачки челици стврднати со врнежи pH – стврднување со врнежи.
Овие челици комбинираат отпорност на корозија што произлегува, меѓу другото, од присуството на хром со можност за добивање на многу високи механички својства преку соодветно дизајнирана термичка обработка.
Во зависност од видот, механизмите за зајакнување може да вклучуваат, меѓу другото:

• бакар Cu,
• Никел Ni,
• алуминиум Al,
• титаниум Ti,
• ниобиум Nb.

По соодветна подготовка на структурата, материјалот се старее на температура одредена за специфичната класа и потребните услови за испорака.
Промената на температурата на стареење овозможува добивање на различни комбинации на цврстина, тврдост, еластичност и отпорност на кршење.

Стареење на никел суперлегури

Процесот на стареење е исто така еден од најважните механизми за постигнување висока јачина суперлегури на база на никел.
Во зависност од легурата, фазите на зајакнување може да се формираат за време на стареењето, вклучувајќи, но не ограничувајќи се на, γ′ и γ″.
γ′ фазата е првенствено поврзана со системи што содржат Ni, Al i Ti, додека во одбрани легури што содржат Nb γ″ фазата може да биде од значајно значење.
Фините талози му овозможуваат на материјалот да одржува висока цврстина дури и на температури на кои многу класични градежни материјали брзо ги губат своите својства.
Затоа, суперлегури на никел зајакнати со врнежи се користат, меѓу другото, во енергетскиот сектор, гасните турбини, воздухопловната индустрија и уредите што работат на високи температури.

Влијанието на легирачките елементи врз стареењето

Стареење и калење – Разликите

Стареењето не треба да се меша со калење на челик . И двата процеса можат да се извршат со загревање на материјалот на покачени температури, но нивната почетна точка и основните механизми се различни.

Стареење и заситеност – разликите

Влијанието на стареењето врз механичките својства

Правилно избраното стареење може значително да ги промени својствата на материјалот.

Зошто максималната тврдост не е секогаш најдобра состојба на материјалот?

Во инженерската пракса, целта не е секогаш да се постигне апсолутно највисок можен квалитет. тврдост lub јачина Rm.
Материјалот честопати мора истовремено да обезбеди:

• висока издржливост,
• соодветна пластичност,
• отпорност на пукање,
• отпорност на замор,
• димензионална стабилност,
• отпорност на корозија,
• стабилност на својствата при работа на покачени температури.

Поради оваа причина, во некои апликации намерно се избира малку стареечка состојба наместо состојбата што одговара на максималната тврдост.

Најчестите грешки при стареењето

• премногу ниска температура – процесот може да биде премногу бавен или може да не доведе до соодветна структура во потребното време,
• премногу кратко време – материјалот останува недоволно зајакнат,
• премногу висока температура – го забрзува растот на секретите и може да доведе до стареење,
• премногу долго – може да доведе до коагулација на талози и намалување на својствата на цврстина,
• неправилна презаситеност – несоодветната почетна состојба ја ограничува можноста за добивање на очекуваниот одговор на стареењето,
• непочитување на природното стареење – својствата на материјалот може да се променат помеѓу термичката обработка на растворот и понатамошната обработка.

Контрола на процесот на стареење

Ефективноста на стареењето може да се процени со испитување на механичките својства и микроструктурата.
Меѓу другото, се користат следниве:

• мерење тврдост,
• истражување затегнувачка цврстина Rm,
• одредување на границата на попуштање,
• тестови за пластичност,
• оптичка и електронска микроскопија,
• анализа на големината и дистрибуцијата на талозите,
• фазни студии,
• тестови за отпорност на корозија и замор, доколку е потребно за дадена апликација.

Стареењето е процес на контролирано фазно одвојување од презаситен цврст раствор, што доведува до зголемена отпорност на движење на дислокации кај материјалите што се стврднуваат со таложење и, следствено, до зголемена тврдост, граница на истегнување и цврстина.
Процесот може да се случи како природно стареење на собна температура или како вештачко стареење спроведено на контролирана покачена температура.
Најважниот услов за добивање висок ефект на зајакнување не е формирање на талози, туку добивање на соодветни големина, број, дистрибуција и природа на поделбите.
Прекраткото време на стареење може да резултира со тоа што капацитетот за зајакнување не е целосно искористен, додека прекумерното време или температура може да доведат до застареност, зголемување на врнежите и постепено намалување на тврдоста и цврстината.
Стареењето е еден од основните механизми што ги обликуваат својствата на легурите. алуминиум, PH не'рѓосувачки челици oraz никел суперлегури.

Методи на термичка и термохемиска обработка на челик

Стареењето е само еден од процесите што се користат за модифицирање на микроструктурата и својствата на челикот. Во зависност од посакуваниот ефект, се користат и нормализација, ослободување од стрес, стврднување, калење итн., како и термохемиски процеси како што се карбуризација, нитридирање и други.

Методи за термичка обработка на челик

• Нормализирање на челик – рафинирање на зрната и унифицирање на микроструктурата.
• Жарење за ослободување од стрес – намалување на преостанатите напрегања.
• Омекнување на челик – намалување на тврдоста и подобрување на подложноста на понатамошна обработка.
• Целосно жарење – аустенизација и бавно ладење.
• Изотермно жарење – трансформација извршена додека се одржува на правилно избрана температура.
• Жарење со топка – сфероидизација – промена во морфологијата на цементитот или други карбиди.
• Рекристализација жарење – отстранување на ефектите од дробење и враќање на пластичноста.
• Хомогенизирачко жарење – намалување на сегрегацијата и хомогенизација на составот на материјалот.
• Стврднување и термичка обработка – обликување на микроструктурата и својствата со стврднување и калење.
• Калење челик – контролирана модификација на својствата на челикот по стврднувањето.
• Индукциско стврднување – површинско индуктивно греење и брзо ладење.
• Стврднување со пламен – површинско стврднување по локално загревање со пламен.
• Презаситеност – добивање на презаситен цврст раствор со соодветен термички циклус.
• Стареење – контролирано одвојување на фазите што доведува до зајакнување на материјалот.

Методи на термохемиска обработка на челик

• Нитридирање на челик – дифузно збогатување на површинскиот слој со азот.
• Карбурирачки челик – дифузно збогатување на површината со јаглерод.
• Карбонитрирање – истовремено збогатување на површинскиот слој со јаглерод и азот.
• Нитрокарбуризација / нитрокарбуризација – збогатување на слојот првенствено со азот и јаглерод.
• Дупчење – дифузна сатурација на површината со бор.
• Дифузионо хромирање – дифузно збогатување на слојот со хром.
• Дифузиско алуминизирање – дифузно збогатување на слојот во алуминиум.