Utwardzanie wydzieleniowe

Laboratorium z materiałoznawstwa


Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem utwardzania wydzieleniowego stopów aluminium; przesycaniem i starzeniem oraz z wpływem czasu starzenia przyspieszonego na własności wytrzymałościowe.

Utwardzenie wydzieleniowe.
Istnieje możliwość, zarówno w stalach, jak i w stopach nieżelaznych, stosowania obróbki cieplnej polegającej na wydzieleniu dyspersyjnych faz, wywołujących silne umocnienie.

Ruch dyslokacji jest hamowany przez cząstki, jednak dyslokacja może się przemieszczać między cząstkami. W wyniku poślizgu następuje stopniowe wyginanie dyslokacji aż do utworzenia pętli wokół każdej cząstki. Dyslokacja wówczas odrywa się od cząstek, powodując zmniejszenie efektywnej odległości między cząstkami, co utrudnia przejście następnej dyslokacji. Jeśli jednak zdoła ona przejść, utworzą się dodatkowe pętle, aż wreszcie ruch dyslokacji zostanie zupełnie zablokowany. Stan taki odpowiada silnemu umocnieniu stopu. Zgodnie z tym mechanizmem wzrost ilości fazy umacniającej i jej dyspersji prowadzi do wzrostu umocnienia. Najsilniej umacniają stop cząstki koherentne z osnową, które są zapętlone; cząstki niekoherentne mogą być ścinane przez dyslokacje i ich wpływ na umocnienie jest mniejszy. Wydzielanie cząstek fazy umacnianej można w tych stopach, które wykazują zmienną rozpuszczalność składników w funkcji temperatury. Jeśli linia solvus ma charakter taki jak na rysunku to w miarę obniżania temperatury następuje zmniejszenie rozpuszczalności drugiego składnika. Można, więc spowodować wydzielenie nadmiaru składnika w postaci dyspersyjnych cząstek drugiej fazy.

Utwardzanie wydzieleniowe składa się z dwóch zabiegów: przesycania i starzenia. Przesycanie polega na nagrzaniu stopu do maksymalnej temperatury rozpuszczalności drugiego składnika (powyżej linii solvus) i szybkim oziębieniu w wodzie. W ten sposób uzyskuje się przesycony roztwór stały, który jest metastabilny. Jeśli w temperaturze pokojowej zachodzi dyfuzja drugiego składnika, to może się on wydzielać i zachodzi zwykle w dłuższym czasie proces zwany starzeniem naturalnym lub samorzutnym. Prowadzi to do maksymalnego umocnienia. Można jednak przyspieszyć proces wydzielania przez nagrzewanie uprzednio przesyconego stopu do temperatury znacznie niższej niż od temperatury przesycania. Zabieg taki nazywamy starzeniem przyspieszonym (sztucznym). Im wyższa temperatura starzenia, tym krótszy jest czas potrzebny do wydzielenia nadmiaru drugiego składnika z roztworu, ale jednocześnie wzrasta wielkość wydzielonych cząstek i maleje ich ilość, przez co umocnienie stopu zmniejsza się. Ponieważ jednocześnie wzrastają właściwości plastyczne, można przez dobór odpowiedniej temperatury starzenia regulować własności stopu w dość szerokich granicach. W stalach składnikiem umacniającym może być węgiel lub azot, gdyż obydwa te pierwiastki wykazują zmienną rozpuszczalność w ferrycie z temperaturą.

Przebieg ćwiczenia:
Do ćwiczenia potrzebne było 5 próbek ze stopu PA38 (tzw. aldrey o zawartości ok.0,5Mg i 0,5Si) o średnicy 3mm o długości 90mm. Próbki poddano przesycaniu w 520C i 45 min. a następnie ochłodzono w wodzie. Następnie 4 próbki poddano starzeniu odpowiednio po 10, 20, 40, 60min. w temp. 200C. Po starzeniu próbki poddane zostały próbie wytrzymałości na rozciąganie. Na każdej próbce zaznaczono bazę pomiarową L0 = 50mm.
Tabela 1:
Lp. Fmax [kN] Lu [mm]
1. 0,69 63
2. (10min.) 0,80 57
3. (20min.) 0,85 55
4. (40min.) 0,91 54
5. (60min.) 0,94 54

Tabela 2:
Lp. Wytrzymałość [MPa] Wydłużenie [%]
1. 97,6645 26%
2. 113,2342 14%
3. 120,3113 10%
4. 128,8039 8%
5. 133,0502 8%

Wnioski:
Stosowanie obróbki cieplnej polegającej na wydzielaniu dyspersyjnych faz, wywołuje silne umocnienie, co widać w drugiej tabeli. Próbki poddane przesycaniu, a następnie starzeniu zmieniają swoje właściwości mechaniczne i plastyczne. Im dłuższy jest czas starzenia tym bardziej zwiększa się wytrzymałość a zmniejsza się wydłużenie. Zwiększa się również granica sprężystości.