Umocnienie granicami ziarn

Prezentacja na temat: "Umocnienie granicami ziarn"— Zapis prezentacji:

1 Umocnienie granicami ziarn
Granice ziarn – silne przeszkody dla ruchu dyslokacji – powierzchnia granic ziarn stanowi barierę dla poruszających się dyslokacji na całej długości płaszczyzny poślizgu – większy opór przeciw poślizgowi niż opór stawiany przez odosobnione przeszkody na płaszczyznach poślizgu (czyli obce atomy, wydzielenia lub cząstki obcej fazy). Ogólny przypadek: Płaszczyzny poślizgu w dwóch stykających się ziarnach nie mają wspólnej linii na granicy ziarn. Wektory Burgersa nie leżą w płaszczyźnie granicy. Bezpośrednie przejście dyslokacji z jednego ziarna do drugiego praktycznie niemożliwe.

2 Blokowanie dyslokacji na granicach ziarn
Spiętrzenie dyslokacji na granicy ziarn w stopie Cu - 4,5% Al Każda dyslokacja w tym spiętrzeniu wywiera naprężenie skierowane do źródła generującego dyslokacje, przyczyniając się w ten sposób do jego wygaśnięcia. Poślizg musi przejść z jednego ziarna do następnego ziarna. Przejście to jest wspomagane przez koncentrację naprężenia na czole stosu dyslokacji.

3 Blokowanie dyslokacji na granicach ziarn
Naprężenie potrzebne do uruchomienia nowego źródła dyslokacji jest proporcjonalne do naprężenia na czole stosu spiętrzonych dyslokacji g.z.: g.z.= Ndis· dis Ndis – liczba dyslokacji w spiętrzeniu przed granicą ziarn; dis – naprężenie oddziaływania każdej dyslokacji na następną w spiętrzeniu f – minimalne naprężenie niezbędne do ruchu dyslokacji wewnątrz ziarna Ndis– liczba dyslokacji w spiętrzeniu: gdzie: d – średnica ziarna i stąd: Aby poślizg mógł przejść do drugiego ziarna źródło musi być aktywowane przy określonym krytycznym naprężeniu *źródło. Zatem wymagane przyłożone zewnętrzne naprężenie wyraża się wzorem: dis= z - f Zalezność Halla Petcha: y = o + kyd-1/2

4 Efekty zależności Halla-Petcha
Wpływ wielkości ziarna na granicę plastyczności (dolną) miękkiej stali (z max 0,1% C). Uwagi: Zakres wielkości ziarn - typowy dla metalicznych materiałów inżynierskich - (jedynie wielkość ziarn martenzytu może wynosić około 10 nm) - (w perlicie, płytki-granice międzyfazowe mogą być oddalone od siebie o kilka m).  ~3krotny wzrost granicy plastyczności w podanym zakresie wielkości ziarna Zmiana wytrzymałości wraz z temperaturą Stosunkowo wysoka σo: spowodowana wpływem jeszcze innych niż tylko przez granice ziarn mechanizmów umocnienia (np. umocnienie roztworowe).

5 Umocnienie odkształceniowe
Umocnienie odkształceniowe – zjawisko wzrostu wytrzymałości metali w trakcie ich deformacji plastycznej poniżej temperatury rekrystalizacji - wynik wzajemnego oddziaływania dyslokacji. Nieruchome dyslokacje blokują dyslokacje zdolne do ruchu – dyslokacje stają się przeszkodami w ruchu dla samych siebie (przecinanie się dyslokacji prowadzi do powstania silnych przeszkód w postaci nieruchomych uskoków). Żelazo z 3,25% Si  = 20%  = 0% gdzie:  -stała (0,4 dla metali o sieci A1 i 0,2 dla metali o sieci A2;  - gęstość dyslokacji  = Gb()1/2

6 Umocnienie odkształceniowe
Rozmnażanie się dyslokacji – symulacja komputerowa zjawiska umocnienia odkształceniowego Deformacja monokryształu miedzi Cu o rozmiarze 15 m.. Kierunek naprężenia rozciągającego pokrywa się z kierunkiem krystalograficznym [100], narzucona szybkość odkształcenia wynosiła 50 na sekundę, osiągnięte odkształcenie plastyczne odpowiada 0,1%

7 Umocnienie odkształceniowe – monokryształów i polikryształów
Wykres rozciągania w układzie σ – ε dla czystego aluminium (polikrystalicznego i monokryształu). Dla monokryształów, styczne naprężenie tnące dla jednego systemu poślizgu: Przy odkształceniu plastycznym: Dla polikryształów: gdzie: M jest współczynnikiem uśrednionym dla wszystkich ziaren. Dla metali o sieci A1 i A2 , współczynnik „Taylora”, M  3,1

8 Podsumowanie – mechanizmy umocnienia metali
Mechanizm umocnienia Natura przeszkód Mocne (M) lub słabe (S) Reguła umocnienia Umocnienie odkształceniowe Inne dyslokacje M Umocnienie przez granice ziarn Granice ziarn Umocnienie roztworowe Rozpuszczone atomy S Umocnienie wydzieleniowe Małe, koherentne cząstki Umocnienie dyspersyjne Duże, niekoherentne

9 Preferowane właściwości dla metali bazowych - przeznaczonych do tworzenia „mocnych” stopów
Dostępność i niska cena; Układ regularny: - duża liczba systemów poślizgu i wynikająca z niej dobra ciągliwość, Łatwość rozpuszczania w szerokim zakresie atomów innych pierwiastków: - możliwość umacniania przez tworzenie roztworu stałego, Rozpuszczalność obcych atomów zmienna z temperaturą: - możliwość wykorzystania reakcji wydzieleniowych do tworzenia wytrzymałych stopów, Zdolność do tworzenia twardych związków z dużą ilością innych pierwiastków: - wydzielanie się ich daje silne umocnienie, Występowanie w kilku odmianach alotropowych (np. Fe, Ti): - możliwość uzyskiwania struktur martenzytyczych (szybkochłodzonych) Niska gęstość; Stosunkowo wysoka temperatura topnienia; Dobra odporność korozyjna; Bezpieczeństwo dla otoczenia (np. nietrujące, niewybuchowe, niepalne).

10 Podstawowe „wielkie trzy”
Żelazo Aluminium Miedź Dostępność duża Użyteczne rudy rzadkie Cena (£/ T) 1997 150 1000 1500 Temperatura Topnienia (oC) 1538 660 1084 Gęstość (g/cm3) 7,87 2,7 8,92 Alotropia A2A1A2 A1 (tylko) Rozpuszczalność Dobra (zależna od odmiany) umiarkowana dobra zmienna z temperaturą Zależnie od odmiany mocna lub słaba Mocno zmienna Słabo zmienna Twarde związki tworzy Odporność korozyjna Utlenia się łatwo i równomiernie Utlenia się łatwo tworząc trwałe cienkie powłoki dosyć obojętna Niebezpieczny? nie

11 „Pozostałe trzy” Nikiel Tytan Magnez Dostępność Rzadkie rudy
Użyteczne rudy mało obfite Użyteczne rudy dość powszechne Cena (£/ T) 1997 4 700 10 000 1 500 Temperatura topnienia (oC) 1455 1668 650 Gęstość (g/cm3) 8,908 4,507 1,738 Alotropia A1 (tylko) A3A1 A3 (tylko) Rozpuszczalność Dobra Dobra (zależna od odmiany) umiarkowana zmienna z temperaturą Może być mocno zmienna Mocno zmienna (zależnie od odmiany) Twarde związki tworzy Tworzy (niewiele) Odporność korozyjna Dosyć obojętny Utlenia się łatwo tworząc trwałe cienkie powłoki Niebezpieczny? nie

12 Przykłady wykorzystania mechanizmów umacniania metali
Stale mikrostopowe Stale o zawartości 0.1 – 0.25% C z 1.0 – 1.7% Mn oraz bardzo małą ilością dodatków: V, Ti, Nb. Zastosowanie obróbki cieplno-mechanicznej tj. walcowania regulowanego na gorąco w zakresie występowania austenitu γ pozwoliło na uzyskanie bardzo drobnego ziarna w ww. stalach – umocnienie odkształceniowe i przez granice ziarn. W trakcie tego walcowania zachodzą dwa przeciwstawne sobie procesy: - zmniejszanie wielkości ziarn w wyniku zmniejszenia szybkości zdrowienia i rekrystalizacji statycznej; - dyfuzyjnie kontrolowany rozrost ziarn. Mikrododatki Nb, Ti i V tworząc fazy międzywęzłowe z C i N wydzielają się podczas walcowania na granicach ziarn i innych defektach sieciowych. Rezultat: mniejsze ziarna γ-Fe podczas walcowania, a w konsekwencji po schłodzeniu drobnoziarnista struktura ferrytyczno-perlityczna.

13 Stale mikrostopowe (HSLA)

14 Stale mikrostopowe (HSLA)
Typowe własności stali mikrostopowych: y = 450  650 MPa; Rm = 550 700 MPa;  = 10  20% W porównaniu do stali niestopowych niskowęglowych (o tej samej zawartości C) stale te wykazują prawie dwukrotnie większą granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie, charakteryzują się bardzo dobrą ciągliwością i spawalnością. Zastosowanie: Cienkie blachy karoseryjne, taśmy, blachy grube dla przemysłu motoryzacyjnego i okrętowego.

15 Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Stale te praktycznie nie zawierają C (0.03% max) Umocnienie roztworowe, odkształceniowe i wydzieleniowe „Filozofia ich budowy” • Punkt wyjścia: stop Fe z 18-20% Ni – daje to 100% martenzytu przy chłodzeniu na powietrzu – nie jest on twardy (~ 700MPa) ani kruchy – bez C. • Dodatek 2-3% Mo and 1% Ti – starzenie w ºC (kilka godzin) w celu uzyskania wydzieleń typu Ni3Ti, Fe7 Mo6 – Ti wiąże węgiel – obniżają temperatury Ms , Mf. • Dodatek ~8% Co – obniża rozpuszczalność Mo w Fe; stąd zwiększa ilość wydzieleń – podnosi temperatury Ms , Mf. • Inne możliwe dodatki: – V, Nb, W, Cu… więcej wydzieleń – Cr –zwiększenie odporności korozyjnej Przemiana martenzytyczna w stopie Fe-Ni

16 Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Wydzielenia Ni3Ti i Fe7Mo6 w przestarzonej stali maraging

17 Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Obróbka cieplna i typowe własności mechaniczne standardowej stali maraging (18Ni) Grade Heat treatment(a) Tensile strength Yield strength Elongation in 50 mm (2 in.), % Reduction in area, % Fracture toughness MPa ksi 18Ni(200) A 1500 218 1400 203 10 60 18Ni(250) 1800 260 1700 247 8 55 120 110 18Ni(300) 2050 297 2000 290 7 40 80 73 18Ni(350) B 2450 355 2400 348 6 25 35-50 32-45 18Ni(Cast) C 1750 255 1650 240 35 105 95 (a) Treatment A; solution treat 1 h at 820 °C (1500 °F), then age 3 h at 480 °C (900 °F). Treatment B: solution treat 1 h at 820 °C (1500 °F), then age 12 h at 480 °C (900 °F). Treatment C: anneal 1 h at 1150 °C (2100 °F), age 1 h at 595 °C (1100 °F), solution treat 1 h at 820 °C (1500 °F) and age 3 h at 480 °C (900 °F)

18 Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Dobre cechy • nie wymagają szybkiego chłodzenia • brak problemów z pękaniem • odkształcalna i skrawalna w stanie martenzytycznym • może być obrabiana plastycznie na zimno i na gorąco • Dobra spawalność • Może być poddawana azotowaniu (lub węgloazotowaniu) w trakcie starzenia Bardzo dobra kombinacja wytrzymałości z ciągliwością • typowa σy = 2000 MPa • typowa KIc = 100 MPa m1/2 • Zachowuje taką wytrzymałość do 500ºC Z drugiej strony... • Bardzo droga (£ / T, 1988) • Zawiera Co – metal „strategiczny” z ograniczonymi zasobami i niestabilnymi cenami • Gatunki bez Co – będą rozwijane. • Wytrzymałość zmęczeniowa i odporność na zużycie ścierne nie tak dobra jak można by oczekiwać po ich σy i KIc.

19 Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Przemysł kosmiczny i lotniczy: – obudowy silników rakietowych – wały napędowe silników odrzutowych – podwozia samolotów – przeguby do skrzydeł o zmiennej geometrii – amortyzatory w pojazdach księżycowych • Przemysł motoryzacyjny: – wały napędowe – korbowody – zawory silnikowe • Oprzyrządowanie – Stemple pras do wyciskania – przekładnie obrabiarek – kokile do odlewania Al i Zn – tarcze podziałowe – walce – wałki wielowypustowe

20 Superstopy Stopy na bazie Ni „Nimonics, Hastelloys, Inconels – umocnienie roztworowe i wydzieleniowe Obróbka cieplna tych stopów składa się z: przesycania z temperatury oC w powietrzu, i starzenia zależnie od gatunku w temperaturze oC przez 1520 godzin. Kluczowym komponentem mikrostruktury są wydzielenia fazy ’ tj. (Ni,Fe)3Al o sieci A1 koherentnie związane z osnową Ni. Faza ta zwiększa wytrzymałość na pełzanie. Współczesne superstopy zawierają ok % ’ Nikiel pełni rolę „kleju” trzymającego wydzielenia fazy ’ razem.

21 Superstopy Składy chemiczne wybranych superstopów na bazie Ni (wg normy amerykańskiej ASTM) Superstop Skład chemiczny, % Ni Cr Co Mo W Nb Al Ti Fe Mn Si C B Zr inne Hastelloy C-22 51.6 21.5 2.5 13.5 4.0 . . . 5.5 1.0 0.1 0.01 0.3 V Hastelloy C-276 15.5 16.0 3.7 Hastelloy G-30 42.7 29.5 2.0 0.8 15.0 0.03 2.0 Cu Hastelloy X 47.0 22.0 1.5 9.0 0.6 18.5 0.5 0.10 Inconel 600 76.0 8.0 0.2 0.08 Inconel 601 60.5 23.0 1.4 14.1 0.05 Inconel 617 54.0 12.5 0.3 0.07 Inconel 625 61.0 3.6 Inconel 706 41.5 2.9 1.8 40.0 Inconel 718 52.5 19.0 3.0 5.1 0.9 0.04 Nimonic 75 19.5 0.4 Nimonic 80A 2.4 0.06 0.003 Nimonic 90 59.0 16.5 Nimonic 105 53.0 20.0 5.0 4.7 1.2 0.13 0.005 Nimonic 115 60.0 14.3 13.2 4.9 0.15 0.160 Nimonic 263 51.0 5.9 2.1 0.001 0.02

22 Superstopy Rola daodatków stopowych w superstopach na bazie żelaza, kobaltu i niklu Wpływ Iron base Cobalt base Nickel base Wywołują umocnienie roztworowe Cr, Mo Nb, Cr, Mo, Ni, W, Ta Co, Cr, Fe, Mo, W, Ta Stabilizują sieć A1 (osnowy) C, W, Ni Ni . . . Tworzą węgliki typ MC Ti Ti, Ta, Nb W, Ta, Ti, Mo, Nb typ M7C3 Cr typ M23C6 Cr, Mo, W typ M6C Mo Mo, W Tworzą węglikoazotki C, N Tworzą  ' Ni3 (Al, Ti) Al, Ni, Ti Al, Ti Opóżniają tworzenie hexagonalnej fazy (Ni3Ti) Al, Zr Podwyższają temperaturę rozpuszczania ’ Co Tworzą wydzielenia i/lub fazy międzymetaliczne Al, Ti, Nb Al, Mo, Ti, W, Ta Tworzą ’’ (Ni3Nb) Nb Zwiększają odporność na utlenianie Al, Cr Zwiększają odporność korozyjną w wysokich temper. La, Y La, Y, Th La, Th Zwiekszają odporność na dwutlenek siarki Zwiększają ciagliwość B B, Zr Powodują segregację na granicach ziarn B, C, Zr Ułatwiają przeróbkę plastyczną Ni3Ti

23 Wytrzymałość na rozciąganie wybranych superstopów na bazie Ni
Superstopy Wytrzymałość na rozciąganie wybranych superstopów na bazie Ni Alloy Form Ultimate tensile strength at 21 °C 540 °C 650 °C 760 °C 870 °C MPa ksi Hastelloy C-22 Sheet 800 116 625 91 585 85 525 76 . . . Hastelloy G-30 690 100 490 71 Hastelloy S Bar 845 130 775 112 720 105 575 84 340 50 Hastelloy X 785 114 650 94 570 83 435 63 255 37 Inconel 600 660 96 560 81 450 65 260 38 140 20 Inconel 601 740 107 725 290 42 160 23 Inconel 617 580 565 82 440 64 275 40 770 590 86 470 68 310 45 Inconel 625 965 910 132 835 121 550 80 Inconel 706 1310 190 1145 166 1035 150 Inconel 718 1435 208 1275 185 1228 178 950 138 49 Nimonic 75 745 108 675 98 540 78 22 Nimonic 80A 1000 145 875 127 795 115 600 87 Nimonic 90 1235 179 1075 156 940 136 655 95 330 48 Nimonic 105 1180 171 1130 164 1095 159 930 135 Nimonic 115 1240 180 1090 158 1125 163 1085 157 830 120 Nimonic 263 970 141 280 Nimonic 942(b) 1405 204 1300 189 900 131

24 Wytrzymałość na pełzanie Rz/1000 wybranych superstopów na bazie Ni
Superstopy Wytrzymałość na pełzanie Rz/1000 wybranych superstopów na bazie Ni Alloy Form Rupture strength At 650 °C At 760 °C At 870 °C At 980 °C MPa ksi Nickel base Hastelloy S Bar . . . 90 13 25 4 Hastelloy X Sheet 215 31 105 15 40 6 2 Haynes 230 125 18 55 8 Inconel 587(a) 285 41 Inconel 597(a) 340 49 Inconel 600 30 Inconel 601 195 28 60 9 Inconel 617 360 52 165 24 160 23 Inconel 625 370 54 50 7 20 3 Inconel 706 580 84 Inconel 718 595 86 Nimonic 75 170 5 1 Nimonic 80A 420 61 Nimonic 90 455 66 205 Nimonic 105 330 48 130 19 Nimonic 115 185 27 70 10

25 Superstopy