Transcript Notatki z wykładu 5

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.
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.
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
dis= z - f
f – minimalne naprężenie niezbędne do ruchu
dyslokacji wewnątrz ziarna
Ndis– liczba dyslokacji w spiętrzeniu:
  
N dis  
  d   dis
 Gb 
gdzie: d – średnica ziarna i stąd:
 g . z.  d    f 2
Aby poślizg mógł przejść do drugiego ziarna źródło
musi być aktywowane przy określonym krytycznym
naprężeniu *źródło. Zatem wymagane przyłożone
zewnętrzne naprężenie wyraża się wzorem:

 z   f  
 d

źródło



1
2
Zalezność Halla Petcha:
y = o + kyd-1/2
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).
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%
 = Gb()1/2
gdzie:  -stała (0,4 dla metali o sieci A1 i 0,2
dla metali o sieci A2;  - gęstość dyslokacji
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%
http://zig.onera.fr/%7Edevincre/DisGallery/index.html
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:
   cos  cos  

m
Przy odkształceniu plastycznym:
Dla polikryształów:
 y  m y
 y  M y
gdzie: M jest współczynnikiem uśrednionym dla
wszystkich ziaren.
Dla metali o sieci A1 i A2 , współczynnik
„Taylora”, M  3,1
Podsumowanie – mechanizmy umocnienia
metali
Mechanizm umocnienia
Natura przeszkód
Mocne (M) lub
słabe (S)
Umocnienie
odkształceniowe
Inne dyslokacje
M
Umocnienie przez granice
ziarn
Granice ziarn
M
  k y d 1/ 2
Umocnienie roztworowe
Rozpuszczone atomy
S
  Gc1 / 2
Umocnienie
wydzieleniowe
Małe, koherentne
cząstki
S
Umocnienie dyspersyjne
Duże, niekoherentne
cząstki
M
Reguła umocnienia
  Gb 1 / 2
1/ 2
 fr 
  0,7G 3 / 2  
 b 
  0,7Gb
f 1/ 2
r
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).
Podstawowe „wielkie trzy”
Żelazo
Aluminium
Miedź
Dostępność
duża
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)
A1 (tylko)
Rozpuszczalność
Dobra (zależna od
odmiany)
umiarkowana
dobra
Rozpuszczalność
zmienna z temperaturą
Zależnie od odmiany
mocna lub słaba
Mocno zmienna
Słabo zmienna
Twarde związki
tworzy
tworzy
tworzy
Odporność korozyjna
Utlenia się łatwo i
równomiernie
Utlenia się łatwo tworząc trwałe
cienkie powłoki
dosyć obojętna
Niebezpieczny?
nie
nie
nie
„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
Rozpuszczalność
zmienna z temperaturą
Może być mocno
zmienna
Mocno zmienna (zależnie od
odmiany)
Może być mocno zmienna
Twarde związki
tworzy
tworzy
Tworzy (niewiele)
Odporność korozyjna
Dosyć obojętny
Utlenia się łatwo tworząc
trwałe cienkie powłoki
Utlenia się łatwo tworząc
trwałe cienkie powłoki
Niebezpieczny?
nie
nie
nie
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.
Stale mikrostopowe (HSLA)
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.
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 475-525ºC (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
Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Wydzielenia Ni3Ti i Fe7Mo6
w przestarzonej stali maraging
Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Obróbka cieplna i typowe własności mechaniczne standardowej stali maraging (18Ni)
Grade
Heat
treatment(a)
Tensile
strength
Yield
strength
MPa
ksi
MPa
ksi
Elongation
in 50 mm
(2 in.), %
Fracture toughness
Reduction
in area, %
MPa
ksi
18Ni(200)
A
1500
218
1400
203
10
60
155-240
140-220
18Ni(250)
A
1800
260
1700
247
8
55
120
110
18Ni(300)
A
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
8
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)
Stale martenzytyczne starzejące - maraging
Dobre cechy
Z drugiej strony...
• 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
• Bardzo droga (£20 000 / 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.
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
Superstopy
Stopy na bazie Ni „Nimonics, Hastelloys, Inconels – umocnienie roztworowe i wydzieleniowe
Obróbka cieplna tych stopów składa się z:
przesycania z temperatury 1100-1200oC w powietrzu,
i starzenia zależnie od gatunku w temperaturze 700-850oC 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.60 - 85% ’
Nikiel pełni rolę „kleju” trzymającego wydzielenia fazy ’ razem.
Superstopy
Składy chemiczne wybranych superstopów na bazie Ni (wg normy amerykańskiej ASTM)
Skład chemiczny, %
Superstop
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
2.5
16.0
3.7
...
...
...
5.5
1.0
0.1
0.01
...
...
0.3 V
Hastelloy G-30
42.7
29.5
2.0
5.5
2.5
0.8
...
...
15.0
1.0
1.0
0.03
...
...
2.0 Cu
Hastelloy X
47.0
22.0
1.5
9.0
0.6
...
...
...
18.5
0.5
0.5
0.10
...
...
...
Inconel 600
76.0
15.5
...
...
...
...
...
...
8.0
0.5
0.2
0.08
...
...
...
Inconel 601
60.5
23.0
...
...
...
...
1.4
...
14.1
0.5
0.2
0.05
...
...
...
Inconel 617
54.0
22.0
12.5
9.0
...
...
1.0
0.3
...
...
...
0.07
...
...
...
Inconel 625
61.0
21.5
...
9.0
...
3.6
0.2
0.2
2.5
0.2
0.2
0.05
...
...
...
Inconel 706
41.5
16.0
...
...
...
2.9
0.2
1.8
40.0
0.2
0.2
0.03
...
...
...
Inconel 718
52.5
19.0
...
3.0
...
5.1
0.5
0.9
18.5
0.2
0.2
0.04
...
...
...
Nimonic 75
76.0
19.5
...
...
...
...
...
0.4
3.0
0.3
0.3
0.10
...
...
...
Nimonic 80A
76.0
19.5
...
...
...
...
1.4
2.4
...
0.3
0.3
0.06
0.003
0.06
...
Nimonic 90
59.0
19.5
16.5
...
...
...
1.5
2.5
...
0.3
0.3
0.07
0.003
0.06
...
Nimonic 105
53.0
15.0
20.0
5.0
...
...
4.7
1.2
...
0.3
0.3
0.13
0.005
0.10
...
Nimonic 115
60.0
14.3
13.2
...
...
...
4.9
3.7
...
...
...
0.15
0.160
0.04
...
Nimonic 263
51.0
20.0
20.0
5.9
...
...
0.5
2.1
...
0.4
0.3
0.06
0.001
0.02
...
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
Stabilizują sieć A1 (osnowy)
C, W, Ni
Ni
Ti
Ti, Ta, Nb
W, Ta, Ti, Mo, Nb
Cr
Cr
Co, Cr, Fe, Mo, W, Ta
...
Tworzą węgliki
typ MC
typ M7C3
...
typ M23C6
Cr
Cr
Cr, Mo, W
typ M6C
Mo
Mo, W
Mo, W
C, N
C, N
C, N
Tworzą węglikoazotki
Tworzą  ' Ni3 (Al, Ti)
Al, Ni, Ti
...
Opóżniają tworzenie hexagonalnej fazy (Ni3Ti)
Al, Zr
...
Podwyższają temperaturę rozpuszczania ’
Tworzą wydzielenia i/lub fazy międzymetaliczne
...
Al, Ti, Nb
Tworzą ’’ (Ni3Nb)
...
Al, Mo, Ti, W, Ta
...
...
Al, Ti
...
Co
Al, Ti, Nb
Nb
Zwiększają odporność na utlenianie
Cr
Al, Cr
Al, Cr
Zwiększają odporność korozyjną w wysokich temper.
La, Y
La, Y, Th
La, Th
Zwiekszają odporność na dwutlenek siarki
Cr
Cr
Cr
Zwiększają ciagliwość
B
B, Zr
B, Zr
Powodują segregację na granicach ziarn
...
Ułatwiają przeróbkę plastyczną
...
...
Ni3Ti
B, C, Zr
...
Superstopy
Wytrzymałość na rozciąganie wybranych superstopów na bazie Ni
Ultimate tensile strength at
Alloy
21 °C
Form
540 °C
650 °C
760 °C
870 °C
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
Hastelloy C-22
Sheet
800
116
625
91
585
85
525
76
...
...
Hastelloy G-30
Sheet
690
100
490
71
...
...
...
...
...
...
Hastelloy S
Bar
845
130
775
112
720
105
575
84
340
50
Hastelloy X
Sheet
785
114
650
94
570
83
435
63
255
37
Inconel 600
Bar
660
96
560
81
450
65
260
38
140
20
Inconel 601
Sheet
740
107
725
105
525
76
290
42
160
23
Inconel 617
Bar
740
107
580
84
565
82
440
64
275
40
Inconel 617
Sheet
770
112
590
86
590
86
470
68
310
45
Inconel 625
Bar
965
140
910
132
835
121
550
80
275
40
Inconel 706
Bar
1310
190
1145
166
1035
150
725
105
...
...
Inconel 718
Bar
1435
208
1275
185
1228
178
950
138
340
49
Nimonic 75
Bar
745
108
675
98
540
78
310
45
150
22
Nimonic 80A
Bar
1000
145
875
127
795
115
600
87
310
45
Nimonic 90
Bar
1235
179
1075
156
940
136
655
95
330
48
Nimonic 105
Bar
1180
171
1130
164
1095
159
930
135
660
96
Nimonic 115
Bar
1240
180
1090
158
1125
163
1085
157
830
120
Nimonic 263
Sheet
970
141
800
116
770
112
650
94
280
40
Nimonic 942(b)
Bar
1405
204
1300
189
1240
180
900
131
...
...
Superstopy
Wytrzymałość na pełzanie Rz/1000 wybranych superstopów na bazie Ni
Rupture strength
Alloy
Form
At 650 °C
At 760 °C
At 870 °C
At 980 °C
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
MPa
ksi
Nickel base
Hastelloy S
Bar
...
...
90
13
25
4
...
...
Hastelloy X
Sheet
215
31
105
15
40
6
15
2
Haynes 230
...
...
...
125
18
55
8
15
2
Inconel 587(a)
Bar
...
...
285
41
...
...
...
...
Inconel 597(a)
Bar
...
...
340
49
...
...
...
...
Inconel 600
Bar
...
...
...
...
30
4
15
2
Inconel 601
Sheet
195
28
60
9
30
4
15
2
Inconel 617
Bar
360
52
165
24
60
9
30
4
Inconel 617
Sheet
...
...
160
23
60
9
30
4
Inconel 625
Bar
370
54
160
23
50
7
20
3
Inconel 706
Bar
580
84
...
...
...
...
...
...
Inconel 718
Bar
595
86
195
28
...
...
...
...
Nimonic 75
Bar
170
25
50
7
5
1
...
...
Nimonic 80A
Bar
420
61
160
23
...
...
...
...
Nimonic 90
Bar
455
66
205
30
60
9
...
...
Nimonic 105
Bar
...
...
330
48
130
19
30
4
Nimonic 115
Bar
...
...
420
61
185
27
70
10
Superstopy