Дисперсионное твердение

Технология термической обработки, используемая для повышения предела текучести ковких материалов.

Дисперсионное упрочнение , также называемое возрастным упрочнением или упрочнением частиц , представляет собой метод термообработки , используемый для увеличения предела текучести ковких материалов , включая большинство конструкционных сплавов алюминия , магния , никеля , титана и некоторых сталей , нержавеющих сталей и дуплексной нержавеющей стали. . Известно, что в суперсплавах он вызывает аномальный предел текучести , обеспечивая превосходную жаропрочность.

Дисциплинарное твердение основано на изменении растворимости твердого вещества с температурой , приводя к образованию мелких частиц примесной фазы , которые препятствуют движению дислокаций или дефектов в кристаллической решетке . Поскольку дислокации часто являются доминирующими носителями пластичности , это служит упрочнению материала. Примеси играют ту же роль, что и частицы веществ в армированных частицами композиционных материалах. Точно так же, как образование льда в воздухе может привести к появлению облаков, снега или града, в зависимости от термической истории данной части атмосферы, осадки в твердых веществах могут привести к образованию частиц многих разных размеров, которые имеют радикально разные свойства. В отличие от обычного отпуска , сплавы необходимо хранить при повышенной температуре в течение нескольких часов, чтобы произошло осаждение. Эта временная задержка называется «старением». Обработка раствором и старение иногда обозначаются сокращенно «СТА» в спецификациях и сертификатах на металлы.

Две различные термообработки с выделением осадков могут изменить прочность материала: термообработка на раствор и термообработка с осаждением. Упрочнение твердым раствором включает образование однофазного твердого раствора путем закалки. Осадочная термообработка включает добавление частиц примесей для повышения прочности материала. ^[1]

Кинетика против термодинамики

Этот метод использует явление пересыщения и предполагает тщательный баланс движущей силы осаждения и энергии тепловой активации, доступной как для желательных, так и для нежелательных процессов.

Нуклеация происходит при относительно высокой температуре (часто чуть ниже предела растворимости), так что кинетический барьер поверхностной энергии может быть легче преодолен и может образоваться максимальное количество частиц осадка. Этим частицам затем позволяют расти при более низкой температуре в процессе, называемом старением . Это осуществляют в условиях низкой растворимости , так что термодинамика способствует образованию большего общего объема осадка.

Экспоненциальная зависимость диффузии от температуры делает усиление осаждения, как и все термические обработки, довольно деликатным процессом. Слишком малая диффузия ( при старении ), и частицы будут слишком малы, чтобы эффективно препятствовать дислокациям; слишком много ( старение ), и они будут слишком большими и рассредоточенными, чтобы взаимодействовать с большинством дислокаций.

Дизайн сплава

Усиление осаждения возможно, если линия растворимости твердого вещества сильно наклонена к центру фазовой диаграммы . Хотя желателен большой объем частиц осадка, следует добавлять достаточно небольшое количество легирующего элемента, чтобы он оставался легко растворимым при некоторой разумной температуре отжига . Хотя часто требуются большие объемы, желательно использовать частицы небольшого размера, чтобы избежать снижения прочности, как поясняется ниже.

Элементы, используемые для дисперсионного упрочнения типичных алюминиевых и титановых сплавов, составляют около 10% их состава. Хотя бинарные сплавы легче понять как академическое упражнение, в коммерческих сплавах для дисперсионного упрочнения часто используются три компонента в таких составах, как Al(Mg, Cu ) и Ti(Al, V ). Большое количество других компонентов может быть непреднамеренным, но безопасным или может быть добавлено для других целей, таких как измельчение зерна или устойчивость к коррозии . Примером может служить добавление Sc и Zr к алюминиевым сплавам с образованием _{структур} FCC L12 , которые помогают измельчать зерна и упрочнять материал. ^[2] В некоторых случаях, например, во многих алюминиевых сплавах, увеличение прочности достигается за счет коррозионной стойкости. Более поздние технологии ориентированы на аддитивное производство из-за большего количества метастабильных фаз, которые можно получить за счет быстрого охлаждения, тогда как традиционное литье более ограничено равновесными фазами. ^[3]

Добавление большого количества никеля и хрома , необходимых для коррозионной стойкости нержавеющих сталей, означает, что традиционные методы закалки и отпуска не эффективны. Однако выделения хрома, меди или других элементов могут укрепить сталь в такой же степени по сравнению с закалкой и отпуском. Прочность можно регулировать путем регулирования процесса отжига: более низкие начальные температуры приводят к более высокой прочности. Более низкие начальные температуры увеличивают движущую силу нуклеации. Больше движущей силы означает больше мест зародышеобразования, а больше мест означает больше мест для разрушения дислокаций во время использования готовой детали.

Многие системы сплавов позволяют регулировать температуру старения. Например, некоторые алюминиевые сплавы, используемые для изготовления заклепок для авиастроения, хранятся в сухом льду с момента первоначальной термообработки до установки в конструкцию. После того, как заклепка этого типа деформируется до своей окончательной формы, происходит старение при комнатной температуре, что увеличивает ее прочность, скрепляя конструкцию. Более высокие температуры старения могут привести к чрезмерному старению других частей конструкции и потребовать дорогостоящей термообработки после сборки, поскольку высокая температура старения способствует слишком быстрому росту осадка.

Виды закалки

Существует несколько способов упрочнения матрицы выделениями, которые также могут быть разными для деформирующих и недеформирующихся выделений. ^[4]

Деформирующие частицы (слабые осадки):

Упрочнение когерентности происходит, когда граница между частицами и матрицей является когерентной, что зависит от таких параметров, как размер частиц и способ введения частиц. Когерентность - это когда решетки осадка и матрицы непрерывны на границе раздела. ^[5] Маленькие частицы, осажденные из пересыщенного твердого раствора, обычно имеют когерентную границу раздела с матрицей. Когерентное упрочнение возникает из-за разницы атомных объемов осадка и матрицы, что приводит к когерентной деформации. Если атомный объем осадка меньше, возникнет напряжение, поскольку атомы решетки расположены ближе, чем в обычном состоянии, а когда атомный объем осадка больше, произойдет сжатие атомов решетки, поскольку они находятся дальше друг от друга. чем их обычное положение. Независимо от того, находится ли решетка под сжатием или растяжением, соответствующее поле напряжений взаимодействует с дислокациями, что приводит к уменьшению движения дислокаций либо за счет отталкивания, либо за счет притяжения дислокаций, что приводит к увеличению предела текучести, аналогично размерному эффекту при упрочнении твердого раствора. Отличием этого механизма от твердорастворного упрочнения является тот факт, что осадок имеет определенный размер, а не атом, и, следовательно, более сильное взаимодействие с дислокациями.

Модульное упрочнение обусловлено разным модулем сдвига преципитата и матрицы, что приводит к изменению энергии натяжения дислокационной линии при разрезании ею преципитата. Кроме того, линия дислокации может изгибаться при попадании в осадок, увеличивая длину дислокационной линии. Опять же, упрочнение возникает аналогично упрочнению твердого раствора, когда имеется несоответствие решетки, которая взаимодействует с дислокациями, препятствуя их движению. Конечно, выраженность взаимодействия иная, чем у твердого раствора и усиления связности.

Химическое упрочнение связано с поверхностной энергией вновь введенной границы раздела осадок-матрица при сдвиге частицы дислокациями. Поскольку для создания поверхности требуется энергия, часть напряжения, вызывающего движение дислокации, воспринимается дополнительными поверхностями. Как и модуль упрочнения, анализ межфазной области может быть осложнен искажением линий дислокаций.

Укрепление порядка происходит, когда осадок представляет собой упорядоченную структуру, в которой энергия связи до и после сдвига различна. Например, в упорядоченном кубическом кристалле состава АВ энергия связи АА и ВВ после сдвига выше, чем энергия связи АВ до этого. Соответствующее увеличение энергии на единицу площади представляет собой энергию противофазной границы и постепенно накапливается по мере прохождения дислокации через частицу. Однако вторая дислокация может удалить противофазную область, оставленную первой дислокацией при пересечении частицы. Притяжение частицы и отталкивание первой дислокации поддерживают сбалансированное расстояние между двумя дислокациями, что усложняет укрепление порядка. За исключением случаев, когда имеются очень мелкие частицы, этот механизм обычно не так эффективен для укрепления, как другие. Другой способ рассмотреть этот механизм состоит в том, что когда дислокация сдвигает частицу, последовательность укладки между созданной новой поверхностью и матрицей нарушается, и связь не является стабильной. Чтобы вернуть последовательность обратно в этот интерфейс, необходима еще одна дислокация, чтобы сдвинуть укладку. Первую и вторую дислокацию часто называют супердислокацией. Поскольку для сдвига этих частиц необходимы супердислокации, происходит усиление из-за уменьшения движения дислокаций.

Недеформирующиеся частицы (сильный осадок):

В недеформирующихся частицах, где расстояние достаточно мало или граница раздела осадок-матрица неупорядочена, дислокации изгибаются, а не сдвигаются. Упрочнение связано с эффективным расстоянием между частицами с учетом конечного размера частиц, но не с прочностью частиц, поскольку, как только частица становится достаточно прочной, чтобы дислокации изгибались, а не разрезались, дальнейшее увеличение сопротивления проникновению дислокаций не повлияет на упрочнение. Таким образом, основным механизмом является усиление Орована, при котором сильные частицы не позволяют дислокациям проходить мимо. Следовательно, должен произойти изгиб, и этот изгиб может привести к образованию дислокационных петель, что уменьшает пространство, доступное для изгиба дополнительных дислокаций между ними. Если дислокации не могут сдвигать частицы и проходить мимо них, то движение дислокаций успешно тормозится.

Теория

Основными видами усиления осаждения являются частицы второй фазы. Эти частицы препятствуют движению дислокаций по решетке. По линии солидуса на фазовой диаграмме частиц можно определить, будут ли частицы второй фазы осаждаться в раствор. Физически этот эффект упрочнения можно объяснить как эффектами размера и модуля , так и межфазной или поверхностной энергией . ^{[4] [6]}

Присутствие частиц второй фазы часто вызывает искажения решетки. Эти искажения решетки возникают, когда частицы осадка отличаются по размеру и кристаллографической структуре от атомов матрицы. Меньшие частицы выделений в основной решетке приводят к растягивающим напряжениям, тогда как более крупные частицы выделений приводят к сжимающим напряжениям. Дислокационные дефекты также создают поле напряжений. Выше дислокации действует сжимающее напряжение, ниже — растягивающее. Следовательно, существует отрицательная энергия взаимодействия между дислокацией и выделением, каждая из которых соответственно вызывает сжимающее и растягивающее напряжение или наоборот. Другими словами, дислокация будет притягиваться к осадку. Кроме того, существует положительная энергия взаимодействия дислокации и выделения, имеющих однотипное поле напряжений. Это означает, что дислокация будет отталкиваться осадком.

Частицы осадка также служат путем локального изменения жесткости материала. Дислокации отталкиваются областями большей жесткости. И наоборот, если осадок делает материал локально более податливым, то дислокация будет притягиваться к этой области. Кроме того, существует три типа межфазных границ (МПГ).

Первый тип — когерентный или упорядоченный ИПБ, атомы совпадают по границе один за другим. Из-за разницы в параметрах решетки двух фаз с этим типом границы связана энергия когерентной деформации. Второй тип представляет собой полностью неупорядоченный ИПБ, в котором отсутствуют когерентные деформации, но частица имеет тенденцию недеформироваться к дислокациям. Последний представляет собой частично упорядоченный ИПБ, поэтому напряжения когерентности частично снимаются за счет периодического введения дислокаций вдоль границы.

В когерентных выделениях в матрице, если параметр решетки преципитата меньше, чем у матрицы, то совпадение атомов поперек ИПБ приводит к возникновению внутреннего поля напряжений, которое взаимодействует с движущимися дислокациями.

Есть два пути деформации: один - когерентное упрочнение , несоответствие решетки -

${\displaystyle \varepsilon _{coh}={\frac {a_{p}-a_{m}}{a_{m}}}}$

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\varepsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

Где модуль сдвига, когерентное несоответствие решетки, радиус частицы, объемная доля частицы, вектор Бюргерса, равна концентрации. ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle \varepsilon _{coh}}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle rf/b}$

Второй – модульное упрочнение . Энергия энергии дислокации равна , при прорезании ею выделения ее энергия равна , изменение энергии отрезка линии равно ${\displaystyle U_{m}=G_{m}b^{2}/2}$ ${\displaystyle U_{p}=G_{p}b^{2}/2}$

${\displaystyle \bigtriangleup {U}=\left(U_{p}-U_{m}\right)2r=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}r}$.

Максимально затрагиваемой длиной дислокации является диаметр частицы, изменение натяжения линий происходит постепенно на расстоянии, равном . Сила взаимодействия дислокации с осадком равна ${\displaystyle r}$

${\displaystyle F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}}$и . ${\displaystyle \tau ={\frac {F}{bL}}}$

Кроме того, дислокация может прорезать частицу осадка и создать больше границ раздела осадок-матрица, что является химическим упрочнением . Когда дислокация входит в частицу и находится внутри частицы, верхняя часть частицы сдвигается b относительно нижней, сопровождая вход дислокации. Аналогичный процесс происходит при выходе дислокации из частицы. Полный транзит сопровождается созданием площади поверхности матрицы-преципитата примерной величины , где r – радиус частицы, b – величина вектора Бюргерса. Результирующее увеличение поверхностной энергии равно , где – поверхностная энергия. Максимальная сила между дислокацией и частицей равна , соответствующее напряжение течения должно быть . ${\displaystyle A=2\pi rb\,\!}$ ${\displaystyle E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!}$ ${\displaystyle \gamma _{s}}$ ${\displaystyle F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!}$ ${\displaystyle \Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL}$

Когда частица сдвигается дислокацией, для деформации частицы необходимо пороговое напряжение сдвига . Выражение для требуемого напряжения сдвига имеет следующий вид:

${\displaystyle \tau =cG\varepsilon ^{\frac {3}{2}}\left({\frac {rf}{b}}\right)^{\frac {1}{2}}}$

При небольших размерах выделений требуемое напряжение сдвига пропорционально размеру выделений . Однако при фиксированной объемной доле частиц это напряжение может уменьшаться при больших значениях r из-за увеличения расстояния между частицами. Общий уровень кривой повышается за счет увеличения либо собственной прочности частиц, либо объемной доли частиц. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle r^{1/2}}$

Дислокация также может огибать частицу осадка посредством так называемого механизма Орована.

Поскольку частица недеформируется, дислокация огибает частицы ( ), напряжение, необходимое для осуществления обхода, обратно пропорционально межчастичному расстоянию , то есть , где – радиус частицы. Петли дислокаций окружают частицы после операции обхода, последующая дислокация должна быть выдавлена ​​между петлями. Таким образом, эффективное расстояние между частицами для второй дислокации уменьшается до с , а обтекающее напряжение для этой дислокации должно быть , что больше, чем для первой. Однако по мере увеличения радиуса частиц он будет увеличиваться, чтобы поддерживать ту же объемную долю выделений, будет увеличиваться и уменьшаться. В результате материал станет слабее по мере увеличения размера осадка. ${\displaystyle \phi _{c}=0}$ ${\displaystyle (L-2r)}$ ${\displaystyle \tau _{b}=Gb/(L-2r)}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle (L-2r')}$ ${\displaystyle r'>r}$ ${\displaystyle \tau _{b}'=Gb/(L-2r')}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle (L-2r)}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

Для фиксированной объемной доли частиц уменьшается с увеличением r, поскольку это сопровождается увеличением расстояния между частицами. ${\displaystyle \tau _{b}}$

С другой стороны, увеличение увеличивает уровень напряжения в результате уменьшения расстояния между частицами. Уровень не зависит от силы частиц. То есть, как только частица становится достаточно прочной, чтобы сопротивляться разрезанию, дальнейшее увеличение ее сопротивления проникновению дислокаций не влияет на , которое зависит только от свойств матрицы и эффективного расстояния между частицами. ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$

Если частицы A объемной доли диспергированы в матрице, частицы сдвигаются при и обходятся при , максимальная прочность достигается при , где напряжения резания и изгиба равны. Если присутствуют более твердые частицы B той же объемной доли, уровень кривой повышается, а уровень кривой - нет. Максимальное упрочнение, большее, чем у частиц А, наблюдается при . Увеличение объемной доли А повышает уровень как и и увеличивает получаемую максимальную прочность. Последний находится при , который может быть как меньше, так и больше, в зависимости от формы кривой . ${\displaystyle f_{1}}$ ${\displaystyle r<r_{c1}}$ ${\displaystyle r>r_{c1}}$ ${\displaystyle r=r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau _{c}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle r_{c2}<r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau _{b}}$ ${\displaystyle \tau _{c}}$ ${\displaystyle r_{c3}}$ ${\displaystyle r_{c1}}$ ${\displaystyle \tau -r}$

Основные уравнения

Существует два основных типа уравнений для описания двух механизмов дисперсионного твердения на основе слабых и сильных выделений. Слабые выделения могут сдвигаться дислокациями, а сильные - нет, поэтому дислокация должна изгибаться. Во-первых, важно рассмотреть разницу между этими двумя разными механизмами с точки зрения создаваемого ими натяжения дислокационных линий. ^[7] Уравнение баланса натяжения лески:

${\displaystyle \tau \cong {\frac {Gb}{L'}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

Где радиус дислокации при определенном напряжении. Сильные препятствия имеют малые из-за прогиба дислокации. Тем не менее, уменьшение силы препятствия приведет к увеличению и должно быть включено в расчет. L' также равно эффективному расстоянию между препятствиями L. Это дает уравнение для сильных препятствий: ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle \phi _{c}}$

${\displaystyle \tau _{strong}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

Учитывая слабые частицы, они должны приближаться, поскольку линия дислокации остается относительно прямой, проходя через препятствия. Кроме того, L' будет: ${\displaystyle \phi _{c}}$ ${\displaystyle 180^{\circ }}$

${\displaystyle L'_{weak}={\frac {L}{cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}}}$

которое формулирует уравнение слабой частицы:

${\displaystyle \tau _{weak}\cong {\frac {Gb}{L}}cos({\frac {\phi _{c}}{2}})}$

Теперь рассмотрим механизмы для каждого режима:

Дислокация, прорезающая частицы: Для большинства упрочнений на ранней стадии она увеличивается с , где – безразмерный параметр несоответствия (например, при когерентном упрочнении – дробное изменение параметра решетки выделения и матрицы), – объемная доля выделения, – радиус выделения, – величина вектора Бюргерса . Согласно этому соотношению, прочность материалов увеличивается с увеличением несоответствия, объемной доли и размера частиц, так что дислокации легче прорезать частицы меньшего радиуса. ${\displaystyle \epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}}$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle \epsilon }$ ${\displaystyle f}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle b}$

Для различных типов упрочнения при резании основные уравнения следующие.

Для усиления когерентности,

${\displaystyle \tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}}$,

где – повышенное напряжение сдвига, – модуль сдвига матрицы, – параметр решетки выделения или матрицы. ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle a_{p}}$ ${\displaystyle a_{m}}$

Для модульного упрочнения,

${\displaystyle \tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}}$,

где и – модуль сдвига осадка или матрицы. ${\displaystyle G_{p}}$ ${\displaystyle G_{m}}$

Для химического упрочнения

${\displaystyle \tau _{chem}=2G\epsilon _{ch}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$,

${\displaystyle \epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr}$,

где – поверхностная энергия межфазной границы частица-матрица. ${\displaystyle \gamma _{s}}$

Разрезание дислокационных частиц и изгиб / зацикливание

Для укрепления порядка,

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\epsilon _{ord}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}}$

(низкая , ранняя стадия осадков), где дислокации широко разнесены; ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$

${\displaystyle \tau _{ord}=0.7G\left(\epsilon _{ord}^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}-0.7\epsilon _{ord}f\right)}$

(высокая , ранняя стадия осадков), где дислокации не сильно разделены; , где – энергия противофазной границы. ${\displaystyle \epsilon _{ord}}$ ${\displaystyle \epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}}$ ${\displaystyle APBE_{s}}$

Дислокации изгибаются вокруг частиц: когда осадок достаточно силен, чтобы противостоять проникновению дислокаций, дислокации изгибаются, и максимальное напряжение определяется уравнением Орована. Искривление дислокаций, также называемое усилением Орована, ^[8] более вероятно произойдет, когда плотность частиц в материале ниже.

${\displaystyle \tau ={\frac {Gb}{L-2r}}\,\!}$

где – прочность материала, – модуль сдвига, – величина вектора Бюргерса, – расстояние между точками закрепления, – радиус частицы второй фазы. Это основное уравнение показывает, что при изгибе дислокации прочность обратно пропорциональна радиусу частицы второй фазы , поскольку, когда объемная доля выделения фиксирована, расстояние между частицами увеличивается одновременно с радиусом частицы , поэтому увеличивается с увеличением . ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle G}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle L-2r}$ ${\displaystyle r}$

Эти основные уравнения показывают, что механизм дисперсионного твердения зависит от размера частиц осадка. При малых размерах будет преобладать резка, а при больших – смычковый. ${\displaystyle r}$ ${\displaystyle r}$

Глядя на график обоих уравнений, становится ясно, что существует критический радиус, при котором происходит максимальное усиление. Этот критический радиус обычно составляет 5–30 нм.

Приведенная выше модель усиления Орована не учитывает изменения в дислокациях из-за изгиба. Если учесть прогибание и принять условие неустойчивости в механизме Франка-Рида, критическое напряжение прогиба дислокаций между сегментами закрепления можно описать как: ^[9]

${\displaystyle \tau _{c}=A(\theta ){\frac {Gb}{2\pi L^{'}}}ln\left({\frac {L^{'}}{r}}\right)}$

где – функция от , – угол между линией дислокации и вектором Бюргерса, – эффективное разделение частиц, – вектор Бюргерса, – радиус частицы. ${\displaystyle A}$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle \theta }$ ${\displaystyle L^{'}}$ ${\displaystyle b}$ ${\displaystyle r}$

Другие соображения

Контроль размера зерна

Выделения в поликристаллическом материале могут действовать как измельчители зерен, если они зародились или расположены вблизи границ зерен, где они закрепляют границы зерен по мере затвердевания сплава и не допускают образования грубой микроструктуры. Это полезно, поскольку более мелкие микроструктуры часто превосходят по механическим свойствам более грубые при комнатной температуре. В последнее время нанопреципитаты изучаются в условиях ползучести. Эти выделения могут также закреплять границу зерна при более высоких температурах, по существу действуя как «трение». Другим полезным эффектом может быть препятствование зернограничному скольжению в условиях диффузионной ползучести с очень мелкими выделениями, и если выделения однородно диспергированы в матрице, то эти же выделения в зернах могут взаимодействовать с дислокациями в условиях ползучести дислокации. ^[10]

Вторичные осадки

Различные осадки, в зависимости от их элементного состава, могут образовываться при определенных условиях старения, которых ранее не было. Вторичные осадки могут возникать в результате удаления растворенных веществ из состояний матричного твердого раствора. Контроль этого можно использовать для управления микроструктурой и влияния на свойства. ^[11]

Вычислительное открытие новых сплавов

Несмотря на то, что для разработки новых сплавов были приложены значительные усилия, для реализации экспериментальных результатов требуются время и деньги. Одной из возможных альтернатив является проведение моделирования с помощью теории функционала плотности , которая в контексте дисперсионного твердения может использовать преимущества кристаллической структуры выделений и матрицы и позволить исследовать гораздо больше альтернатив, чем эксперименты в традиционной форме.

Одна из стратегий проведения такого моделирования заключается в сосредоточении внимания на упорядоченных структурах, которые можно обнаружить во многих металлических сплавах, например, на структурах с упорядоченной укладкой с большим периодом (LPSO), которые наблюдались во многих системах. ^{[12] [13] [14]} Структура LPSO представляет собой длинноупакованную слоистую конфигурацию вдоль одной оси с некоторыми слоями, обогащенными осажденными элементами. Это позволяет использовать симметрию суперячеек и хорошо сочетается с доступными в настоящее время методами ДПФ. ^[15]

Таким образом, некоторые исследователи разработали стратегии выявления возможных упрочняющих выделений, которые позволяют снизить вес некоторых металлических сплавов. ^[16] Например, магниевые сплавы вызывают все больший интерес к замене алюминия и стали в автомобильной промышленности, поскольку это один из самых легких конструкционных металлов. Однако магниевые сплавы имеют проблемы с низкой прочностью и пластичностью, что ограничивает их использование. Чтобы преодолеть эту проблему, была использована технология дисперсионной закалки за счет добавления редкоземельных элементов для улучшения прочности и пластичности сплава. В частности, были обнаружены структуры LPSO, ответственные за эти приросты, в результате чего был получен магниевый сплав, показавший высокий предел текучести: 610 МПа при удлинении 5% при комнатной температуре. ^[17]

Таким образом, некоторые исследователи разработали стратегии поиска более дешевых альтернатив, чем редкие элементы (РЭ), и смоделировали тройную систему с Mg-Xl-X, где Xl и X соответствуют атомам большего размера, чем Mg, и короче, чем Mg, соответственно. В ходе этого исследования было подтверждено более 85 структур LPSO Mg-Re-Xs, что показывает способность DFT предсказывать известные тройные структуры LPSO. Затем они исследовали 11 элементов, не относящихся к RE Xl, и обнаружили, что 4 из них термодинамически стабильны. Одной из них является система Mg-Ca-Zn, которая, по прогнозам, образует структуру LPSO. ^[18]

Следуя предыдущим предсказаниям DFT, другие исследователи провели эксперименты с системой Mg-Zn-Y-Mn-Ca и обнаружили, что при добавлении 0,34% Ca механические свойства системы улучшаются за счет образования LPSO-структур, достигая хороший баланс прочности и пластичности». ^[19]

Примеры дисперсионно-твердеющих материалов

• Алюминиевые сплавы серии 2000 (важные примеры: 2024 и 2019, а также сплав Y и гидуминий )
• Алюминиевые сплавы серии 6000 (важный пример: 6061 для велосипедных рам и авиационных конструкций)
• Алюминиевые сплавы серии 7000 (важные примеры: 7075 и 7475)
• нержавеющая сталь 17-4 ( UNS S17400)
• Стареюще-стареющая сталь
• Инконель 718
• Сплав Х-750
• Рене 41
• Васпалой
• Шелковица (урановый сплав)
• NAK55 Низкоуглеродистая сталь

Смотрите также

• Альфред Вильм
• Сопротивление материалов
• Упрочняющие механизмы материалов
• Металлургия
• Суперсплав

Рекомендации

1. WD Каллистер. Основы материаловедения и техники , 2-е изд. Уайли и сыновья. стр. 252.
2. Глерум, Дженнифер; Кенель, Кристоф; Солнце, Дао; Дюнан, Дэвид (2020). «Синтез дисперсионно-упрочненных сплавов Al-Sc, Al-Zr и Al-Sc-Zr путем селективного лазерного плавления смесей элементарных порошков». Производство добавок . 36 : 101461. дои : 10.1016/j.addma.2020.101461 . S2CID  225632137.
3. Абулхаир, Северная Каролина; Так, К.; Эшкрофт, И.; и другие. (2015). «.О дисперсионном твердении селективного лазерного плавления AlSi10Mg». Металл Матер Транс А. 46 (8): 3337–3341. Бибкод : 2015MMTA...46.3337A. doi : 10.1007/s11661-015-2980-7. S2CID  53535935.
4. Тосмас Х. Кортни. Механическое поведение материалов , 2-е изд. Waveland Press, Inc., стр. 198–205.
5. Смоллман, RE (2014). Современная физическая металлургия (8-е изд.).
6. Гладман, Т. (1 января 1999 г.). «Дисадационное упрочнение металлов». Материаловедение и технологии . 15 (1): 30–36. doi : 10.1179/026708399773002782 – через Тейлора и Фрэнсиса+NEJM.
7. Кортни, Томас (200). Механическое поведение материалов . МакГроу-Хилл.
8. Орован кланяется. Архивировано 28 сентября 2011 г. в Wayback Machine.
9. Собоеджо, Воле О. (2003). «8.6.1 Вывих/Укрепление Орована». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8. ОСЛК  300921090.
10. Рахмонов, Джовид; Вайс, Дэвид; Дюнан, Дэвид (июль 2022 г.). «Микроструктура затвердевания, эволюция старения и сопротивление ползучести сплавленного лазерным порошком Al-7Ce-8Mg (мас.%)». Производство добавок . 55 : 102862. дои : 10.1016/j.addma.2022.102862 . S2CID  248486205.
11. Буха, Дж.; Ламли, Р.Н.; Кроски, АГ; Хоно, К. (май 2007 г.). «Вторичное осаждение в сплаве Al – Mg – Si – Cu». Акта Материалия . 55 (9): 3015. Бибкод : 2007AcMat..55.3015B. doi :10.1016/j.actamat.2007.01.006.
12. Абэ, Э.; Кавамура, Ю.; Хаяши, К.; Иноуэ, А. (3 сентября 2002 г.). «Длительнопериодическая упорядоченная структура в высокопрочном нанокристаллическом сплаве Mg-1 ат% Zn-2 ат% Y, исследованная методом Z-контрастного STEM с атомным разрешением». Акта Материалия . 50 (15): 3845–3857. Бибкод : 2002AcMat..50.3845A. дои : 10.1016/S1359-6454(02)00191-X. ISSN  1359-6454. Архивировано из оригинала 14 мая 2021 г. Проверено 14 мая 2021 г.
13. Сато, Х.; Тот, РС; Хондзё, Г. (1 февраля 1967 г.). «Длительный порядок штабелирования в плотноупакованных металлических конструкциях». Журнал физики и химии твердого тела . 28 (2): 137–160. Бибкод : 1967JPCS...28..137S. дои : 10.1016/0022-3697(67)90104-7. ISSN  0022-3697. Архивировано из оригинала 14 мая 2021 г. Проверено 14 мая 2021 г.
14. Не, Цзянь-Фэн (01 ноября 2012 г.). «Осаждение и упрочнение магниевых сплавов». Металлургические и сырьевые операции А . 43 (11): 3891–3939. Бибкод : 2012MMTA...43.3891N. дои : 10.1007/s11661-012-1217-2 . ISSN  1543-1940.
15. Нойгебауэр, Йорг; Хикель, Тилманн (2013). «Теория функционала плотности в материаловедении». WIREs Вычислительная молекулярная наука . 3 (5): 438–448. дои : 10.1002/wcms.1125. ISSN  1759-0884. ПМЦ 3920634 . ПМИД  24563665. 
16. Кирклин, С.; Саал, Джеймс Э.; Хегде, Винай И.; Вулвертон, К. (01 января 2016 г.). «Высокопроизводительный вычислительный поиск упрочняющих выделений в сплавах». Акта Материалия . 102 : 125–135. Бибкод : 2016AcMat.102..125K. дои : 10.1016/j.actamat.2015.09.016 . ISSN  1359-6454.
17. "Том 42 № 07, стр. 1172-1176" . www.jim.or.jp. _ Архивировано из оригинала 11 декабря 2021 г. Проверено 14 мая 2021 г.
18. Saal, James E.; Wolverton, C. (2014-04-15). "Thermodynamic stability of Mg-based ternary long-period stacking ordered structures". Acta Materialia. 68: 325–338. arXiv:1309.3184. Bibcode:2014AcMat..68..325S. doi:10.1016/j.actamat.2013.10.055. ISSN 1359-6454. S2CID 118692246. Archived from the original on 2021-05-14. Retrieved 2021-05-14.
19. Wang, Jie; Zhang, Jinshan; Zong, Ximei; Xu, Chunxiang; You, Zhiyong; Nie, Kaibo (2015-11-11). "Effects of Ca on the formation of LPSO phase and mechanical properties of Mg-Zn-Y-Mn alloy". Materials Science and Engineering: A. 648: 37–40. doi:10.1016/j.msea.2015.09.046. ISSN 0921-5093. Archived from the original on 2021-05-14. Retrieved 2021-05-14.

Further reading

• ASM metals handbook vol 4 heat treating

External links

• Project aluMatter
• Precipitation hardening of light alloys. Positron spectroscopy.^{[permanent dead link]}