Ćwiczenie nr 2 Temat: Umocnienie wydzieleniowe stopu Al z Cu

Transkrypt

1 S t r o n a 1 Przedmiot: Własności mechaniczne materiałów Wykładowca: dr inż. Łukasz Cieniek Autor opracowania: dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska Ćwiczenie nr 2 Temat: Umocnienie wydzieleniowe stopu Al z Cu Czas przewidywany na wykonanie ćwiczenia: 2 15 godz. zegarowe Cel ćwiczenia Poznanie procesu umacniania wydzieleniowego na przykładzie stopu aluminium Zrozumienie wpływu rodzaju i wielkości cząstek obecnych w mikrostrukturze na własności mechaniczne metali Opanowanie umiejętności zaplanowania i wykonania obróbki cieplnej prowadzącej do umocnienia wydzieleniowego stopu Al z Cu Wiadomości wymagane do zaliczenia: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy wiedzieć jaka jest różnica między umocnieniem wydzieleniowym, a umocnieniem dyspersyjnym, jakie stopy można umacniać wydzieleniowo, jakie warunki powinny spełniać osnowa i wydzielenia, zmiany mikrostruktury i własności stopów Al podczas poszczególnych etapów obróbki prowadzącej do umocnienia wydzieleniowego stopu (rozpuszczanie, przesycanie, starzenie), umieć omówić mechanizmy oddziaływania dyslokacji z cząstkami. Należy wiedzieć na czym polega umocnienie stali. Wykonanie ćwiczenia 1. Zaplanowanie eksperymentu: dobór parametrów obróbki cieplnej stopu Al-Cu o podanym składzie chemicznym, ustalenie temperatury przesycania i sposobu chłodzenia oraz temperatury i czasu starzenia. 2. Wykonanie przesycenia, pomiar twardości próbek przesyconych. 3. Wykonanie starzenia, pomiar twardości próbek po poszczególnych czasach starzenia. 4. Opracowanie wyników. Literatura: [1] M. Blicharski: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa 2014 [2] M. Blicharski: Odkształcanie i pękanie. UWND AGH Kraków 2002 [3] M. Blicharski: Przemiany fazowe. Wydawnictwo AGH Kraków 1990 [4] Instrukcja merytoryczna dostępna u prowadzącego ćwiczenie Przedmiot: Własności mechaniczne materiałów

2 S t r o n a 2 Wykładowca: dr inż. Łukasz Cieniek Autor opracowania: dr inż. Magdalena Rozmus-Górnikowska Ćwiczenie nr 2 Temat: Umocnienie wydzieleniowe stopu Al z Cu Jedną z najczęściej stosowanych metod zwiększenia wytrzymałości metali jest umocnienie cząstkami drugiej fazy. Wśród stopów umacnianych cząstkami innej fazy wyróżnia się stopy umacniane wydzieleniowo i stopy umacniane cząstkami fazy dyspersyjnej. W stopach umacnianych wydzieleniowo (utwardzanie wydzieleniowe, umocnienie przez starzenie) cząstki innej fazy uzyskuje się podczas obróbki cieplnej stopu polegającej na rozpuszczaniu, przesycaniu i starzeniu. Cechą tych stopów jest to, że ze wzrostem temperatury następuje koagulacja i rozpuszczanie się cząstek. Dlatego stopy szybko miękną ze wzrostem temperatury. Podczas starzenia z przesyconego i jednorodnego roztworu stałego wydzielają się fazy metastabilne i stabilne, a różne fazy metastabilne dają różne efekty umocnienia. Dlatego przez obróbkę cieplną można w szerokim zakresie zmieniać własności stopów umacnianych wydzieleniowo. W stopach umocnionych dyspersyjnie w miękkiej osnowie metalicznej znajdują się twarde nierozpuszczalne cząstki innej fazy. Cząstkami fazy dyspersyjnej są zwykle tlenki charakteryzujące się bardzo małą szybkością koagulacji i małą rozpuszczalnością ze wzrostem temperatury. Dlatego stopy umacniane cząstkami fazy dyspersyjnej bardzo powoli miękną ze wzrostem temperatury. Przykładami są cząstki Al2O3 w Al lub Cu oraz ThO2 w Ni. Materiały takie uzyskuje się przez utlenianie wewnętrzne lub metalurgią proszków. Ze względu na dużą stabilność cieplną stopy utwardzane dyspersyjnie zachowują dużą wytrzymałość w wysokiej temperaturze. Występująca w stopie faz ciągła, stanowiąca znaczną jego objętość, jest nazywana osnową. Tworzące się w osnowie cząstki inne fazy są nazywane wydzieleniami. Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać następujące warunki: - osnowa powinna być o dużej ciągliwości, natomiast wydzielenia twarde; - twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziarn osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko rozprzestrzeniać się przez materiał, powodując jego zniszczenie;

3 S t r o n a 3 - cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie rozmieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne z osnową (wydzielenia koherentne to takie, na granicy których z osnową jest zachowana ciągłość płaszczyzn i kierunków krystalograficznych); - cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas sprzyjają zarodkowaniu pęknięć. Jakie stopy można umacniać wydzieleniowo? Umacniać wydzieleniowo można tylko takie stopy, które w stanie stałym w wysokiej temperaturze mają strukturę jednofazową, natomiast w niskiej strukturę dwufazową, i w których przy niezbyt dużej szybkości chłodzenia, można uzyskać roztwór przesycony. Do najważniejszych technicznych stopów umacnianych wydzieleniowo należą stopy aluminium. Utwardzaniu wydzieleniowemu są także poddawane stopy na osnowie innych pierwiastków, np. miedzi (brązy berylowe), magnezu i tytanu. Umocnienie wydzieleniowe wykorzystuje się w niektórych stalach, np. stalach maraging. Przesycanie i starzenie: stop Al-4 % Cu Wytworzenie roztworu Stop o zawartości 4% Cu w stanie równowagi w temperaturze pokojowej składa się z dwóch faz: kryształów roztworu stałego α, stanowiącego osnowę i kryształów fazy międzymetalicznej (CuAl2). W celu rozpuszczenia cząstek oraz ujednorodnienia roztworu, stop jest nagrzewany do zakresu roztworu α (powyżej linii rozpuszczalności) i wytrzymywany (rys.1). Przesycanie Po uzyskaniu jednorodnego roztworu stałego α stop jest oziębiany. Chłodzenie powinno być wystarczająco szybkie, aby nie zdążyła się wydzielić faza, tj. aby atomy Cu pozostawały w roztworze α. Otrzymany roztwór jest roztworem przesyconym (zawiera nadmiar atomów Cu, w porównaniu ze stanem równowagi).

4 S t r o n a 4 Rys. 1. Schemat obróbki cieplnej (łącznie z tworzącymi się mikrostrukturami) powodującej umocnienie wydzieleniowe stop AlCu4 Starzenie Wytrzymywanie stopu w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne) lub w podwyższonej temperaturze (starzenie sztuczne) w celu doprowadzenia do utworzenia wydzieleń w przesyconym roztworze. Powolne chłodzenie z zakresu jednofazowego roztworu α Podczas powolnego chłodzenia stopu zawierającego 4% Cu z zakresu jednofazowego roztworu α do temperatury otoczenia, tworzą się duże wydzielenia fazy na granicach ziarn roztworu α (rys. 2). Spowodowane takimi cząstkami umocnienie jest nieznaczne. Duże twarde cząstki na granicach ziarn powodują natomiast znaczne pogorszenie odporności na pękanie. Rys. 2. Schemat mikrostruktury stopu Al-4 % Cu po wolnym chłodzeniu z zakresu α

5 S t r o n a 5 Procesy zachodzące podczas starzenia Procesy wydzielania w niskiej temperaturze są zwykle złożone, a sekwencja wydzielania zależy od składu przesyconego roztworu i temperatury starzenia. Wydzielanie faz stabilnych jest poprzedzone tworzeniem się faz metastabilnych nazywanych fazami przejściowymi (rys. 3). Dopiero wysoka temperatura lub długie czasy starzenia powodują wydzielanie fazy stabilnej. W początkowym okresie procesu starzenia, atomy składnika rozpuszczonego (np. miedzi) rozmieszczone losowo w przesyconym roztworze tworzą obszary o zwiększonej zawartości składnika rozpuszczonego, zwane strefami Guiniera-Prestona lub w skrócie strefami GP. Strefy GP mają inny skład i mogą mieć również inne odległości międzyatomowe niż osnowa, ale istnieje ciągłość płaszczyzn i kierunków krystalicznych osnowy poprzez strefy. Strefy GP zarodkują jednorodnie w osnowie i są koherentne z osnową, przy czym płaskie powierzchnie stref są w pełni koherentne, natomiast zachowaniu koherencji w obszarach krawędzi towarzyszą duże odkształcenia sprężyste. W stopach Al-Cu strefy GP są skupiskami atomów o kształcie dysku, w innych stopach strefy te mogą przybierać kształt sferyczny lub kształt igieł. W stopach Al-Cu z wydłużeniem czasu starzenia następuje przemiana niektórych stref GP w cząstki. Cząstki, podobnie jak strefy GP, są koherentne z osnową. Wydzielenia te mają tetragonalną strukturę krystaliczną, której parametry a i b są takie same jak komórki elementarnej Al, natomiast parametr c jest znacznie większy. Wydzielenia te podobnie jak strefy GP powodują umocnienie stopu. Kolejna faza pośrednia ma także strukturę tetragonalną ale o innych parametrach niż faza. Tworzące się na dyslokacjach wydzielenia mają kształt płytek. Płaskie powierzchnie cząstek są w pełni koherentne z osnową, natomiast krawędzie są niekoherentne. Tworzenie się wydzieleń powoduje zmniejszanie się twardości stopu. Stabilna faza (Al2Cu) zarodkuje na granicach ziarn osnowy oraz na granicach międzyfazowych osnowa/wydzielenia. Jej granice z osnową są niekoherentne, a jej tworzenie się prowadzi zawsze do zmniejszenia twardości stopu.

6 S t r o n a 6 Rys. 3. Tworzące się fazy metastabilne i faza stabilna podczas starzenia stopów Al-Cu Wpływ wydzielania poszczególnych faz na twardość przedstawiono na rys. 4. Wydzielanie faz w procesie starzenia następuje w kolejności wzrostu ich stabilności, zatem wydzielanie każdej następnej fazy prowadzi do rozpuszczania się wydzielonej wcześniej, mniej stabilnej fazy. Wpływ temperatury i czasu starzenia na granicę plastyczności stopu AlCu4 przedstawiono na rys. 5. Z tego rysunku wynika, że z obniżeniem temperatury starzenia wydłuża się czas potrzebny do uzyskania maksymalnej wytrzymałości. Starzenie w niskiej temperaturze jest korzystne, gdyż uzyskuje się wtedy większą wytrzymałość, a ponadto jej maksimum rozciąga się na większy przedział czasowy, co ułatwia realizację procesu starzenia. Ponadto uzyskane własności są bardziej jednorodne. W procesie starzenia w wyższej temperaturze optymalne własności wytrzymałościowe osiąga się w krótszym czasie, wskutek czego warstwa powierzchniowa przedmiotu może być przestarzona, a rdzeń niedostarzony.

7 S t r o n a 7 twardość strefy GP Przestarzenie czas Rys. 4. Twardość przesyconego, a następnie starzonego stopu AlCu4 w zależności od czasu starzenia w temperaturze 150 o C Granica plastyczności, MPa Czas starzenia, h Rys. 5. Granica plastyczności przesyconego, a następnie starzonego stopu AlCu4 w zależności od czasu starzenia w różnych temperaturach Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami Umocnienie stopów cząstkami jest rezultatem oddziaływania cząstek z dyslokacjami. Oddziaływanie zależy od wymiarów cząstek, ich wytrzymałości i odległości między nimi. Wyróżnia się dwa mechanizmy oddziaływania dyslokacji z cząstkami (rys. 6): cząstki są przecinane przez dyslokacje, cząstki są opasywane i omijane przez dyslokacje. Wydzielenia koherentne zwłaszcza małe są przecinane przez dyslokacje osnowy. Jeżeli wydzielenia nie mogą być ścięte, gdyż są na przykład zbyt twarde, to dyslokacje opasują cząstki. Po dojściu dyslokacji do cząstki zostaje ona w tym miejscu zatrzymana, ale między cząstkami może poruszać się nadal, w wyniku czego następuje wygięcie się dyslokacji, a następnie

8 S t r o n a 8 utworzenie pętli. Z chwilą powstania pętli dyslokacja uwalnia się i przemieszcza dalej, podczas gdy cząstka z utworzoną na niej pętlą dyslokacji stanowi bardziej efektywną przeszkodę dla ruchu następnych dyslokacji. Rys. 6. Oddziaływanie dyslokacji z cząstkami wydzieleń: a-c) dyslokacja przecina cząstkę, d-f) dyslokacja opasuje cząstkę (mechanizm Orowana) Aby dyslokacja mogła się przemieszczać, naprężenie działające w płaszczyźnie i kierunku poślizgu musi być wystarczająco duże do przepchnięcia dyslokacji między cząstkami. Krytyczna sytuacja występuje przy półkolistym wygięciu dyslokacji, gdyż wówczas promień krzywizny dyslokacji jest najmniejszy. W tym przypadku siła bl działająca na odcinek dyslokacji między cząstkami równoważona jest siłą 2T napięcia dyslokacji działającą na obu końcach wybrzuszenia (rys. 7). Dla takiej sytuacji, korzystając z równania: = αgb/ρ i z tego, że krytyczne naprężenie występuje, gdy ρ = L/2, otrzymujemy = 2αGb/L gdzie: b długość wektora Burgersa dyslokacji L odległość między cząstkami w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji T napięcie dyslokacji [T = αgb 2 ] G moduł sprężystości postaciowej. Krytycznym zagadnieniem jest wyznaczenie odległości między cząstkami w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji. Ogólnie można przyjąć, że jest ona wprost

9 S t r o n a 9 proporcjonalna do wielkości cząstek (promień r), a odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z objętości względnej cząstek f. Gb C r 1 2 f Gdzie C - stała. Z równania tego wynika, że wzrost granicy plastyczności stopu zależy od ułamka objętościowego zajmowanego przez cząstki oraz od wielkości cząstek. Im większy ułamek objętościowy cząstek oraz im cząstki są mniejsze, tym większe umocnienie. Największe umocnienie powodują małe, wytrzymałe, gęsto rozmieszczone cząstki. Cząstki duże, ale luźno rozmieszczone w strukturze nie wywołują znacznego umocnienia. Rys. 7. Wyginanie dyslokacji pomiędzy twardymi cząstkami innej fazy. Naprężenie styczne osiąga wartość krytyczną, gdy dyslokacja jest wygięta w łuk o promieniu równym połowie odległości między cząstkami