Укрепление твердым раствором

В металлургии , упрочнение твердого раствора — это вид легирования с помощью которого можно повысить прочность чистого металла . ^[1] Этот метод работает путем добавления атомов одного элемента (легирующего элемента) к кристаллической решетке другого элемента (основного металла), образуя твердый раствор . Локальная неоднородность решетки из-за легирующего элемента затрудняет пластическую деформацию, препятствуя движению дислокаций через поля напряжений . Напротив, легирование за пределом растворимости может образовать вторую фазу , приводящую к упрочнению за счет других механизмов (например, соединений ) осаждения интерметаллических .

Типы

В зависимости от размера легирующего элемента может образовываться твердый раствор замещения или твердый раствор внедрения. ^[2] В обоих случаях атомы визуализируются как твердые сферы, общая кристаллическая структура которых практически не изменилась. Обоснование геометрии кристалла для предсказания растворимости атомов резюмировано в правилах Юма-Розери и правилах Полинга .

Упрочнение твердого раствора замещения происходит, когда атом растворенного вещества достаточно велик, чтобы замещать атомы растворителя в их положениях решетки. Некоторые легирующие элементы растворимы лишь в небольших количествах, тогда как некоторые пары растворитель-растворенное вещество образуют раствор во всем диапазоне бинарных составов. Как правило, более высокая растворимость наблюдается, когда атомы растворителя и растворенного вещества имеют одинаковый атомный размер (15% согласно правилам Юма-Розери ) и имеют одинаковую кристаллическую структуру в чистом виде. Примерами полностью смешивающихся бинарных систем являются бинарные системы Cu-Ni и Ag-Au с гранецентрированной кубической Mo-W (FCC), а также двойная объемно-центрированная кубическая (BCC) система .

Твердые растворы внедрения образуются, когда атом растворенного вещества достаточно мал (радиусы до 57% радиусов родительских атомов). ^[2] для размещения в междоузлиях между атомами растворителя. Атомы скапливаются в междоузлиях, заставляя связи атомов растворителя сжиматься и, таким образом, деформироваться (это объяснение можно объяснить с помощью правил Полинга ). Элементы, обычно используемые для образования твердых растворов внедрения, включают H, Li, Na, N, C и O. Углерод в железе (стали) является одним из примеров твердого раствора внедрения.

Механизм

Прочность материала зависит от того, насколько легко распространяются дислокации в его кристаллической решетке. Эти дислокации создают поля напряжений внутри материала в зависимости от их характера. При введении атомов растворенного вещества образуются локальные поля напряжений, которые взаимодействуют с полем дислокаций, затрудняя их движение и вызывая увеличение предела текучести материала, а значит, и повышение прочности материала. Этот выигрыш является результатом как искажения решетки, так и эффекта модуля .

Когда атомы растворенного вещества и растворителя различаются по размеру, создаются локальные поля напряжений, которые могут притягивать или отталкивать дислокации, находящиеся поблизости. Это известно как размерный эффект. Снимая растягивающую или сжимающую деформацию в решетке, несоответствие размеров растворенного вещества может перевести дислокацию в состояние с более низкой энергией. В твердых растворах замещения эти поля напряжений сферически симметричны, то есть не имеют компоненты касательного напряжения. По существу атомы замещения растворенного вещества не взаимодействуют с полями сдвиговых напряжений, характерными для винтовых дислокаций. И наоборот, в твердых растворах внедрения атомы растворенного вещества вызывают тетрагональное искажение, генерируя сдвиговое поле, которое может взаимодействовать с краевыми, винтовыми и смешанными дислокациями. Притяжение или отталкивание дислокации к атому растворенного вещества зависит от того, находится ли атом выше или ниже плоскости скольжения. Например, рассмотрим краевую дислокацию , которая сталкивается с меньшим атомом растворенного вещества над своей плоскостью скольжения. В этом случае энергия взаимодействия отрицательна, что приводит к притяжению дислокации к растворенному веществу. Это связано с уменьшением энергии дислокации сжатым объемом, лежащим над ядром дислокации. Если бы атом растворенного вещества располагался ниже плоскости скольжения, дислокация отталкивалась бы растворенным веществом. Однако общая энергия взаимодействия между краевой дислокацией и меньшим растворенным веществом отрицательна, поскольку дислокация проводит больше времени в местах с энергией притяжения. Это также верно для атома растворенного вещества, размер которого больше атома растворителя. Таким образом, энергия взаимодействия, обусловленная размерным эффектом, обычно отрицательна. ^[3]

Модуль упругости атома растворенного вещества также может определять степень упрочнения. Для «мягкого» растворенного вещества с модулем упругости ниже, чем у растворителя, энергия взаимодействия из-за несоответствия модулей ( U _модуль ) отрицательна, что усиливает энергию взаимодействия размеров ( U _размер ). Напротив, U _модуль положителен для «твердого» растворенного вещества, что приводит к более низкой общей энергии взаимодействия, чем у мягкого атома. Хотя сила взаимодействия отрицательна (притягивающая) в обоих случаях, когда дислокация приближается к растворенному веществу. Максимальная сила ( F _max ), необходимая для отрыва дислокации от состояния с наименьшей энергией (т.е. атома растворенного вещества), больше для мягкого растворенного вещества, чем для твердого. В результате мягкий раствор укрепит кристалл больше, чем твердый раствор, благодаря синергетическому упрочнению за счет сочетания эффектов размера и модуля. ^[3]

Эффекты упругого взаимодействия (т.е. эффекты размера и модуля) доминируют над упрочнением в твердом растворе для большинства кристаллических материалов. Однако другие эффекты, включая эффекты заряда и дефекта упаковки, также могут играть роль. Для ионных твердых тел, где электростатическое взаимодействие определяет прочность связи, важен также эффект заряда. Например, добавление двухвалентного иона к одновалентному материалу может усилить электростатическое взаимодействие между растворенным веществом и заряженными атомами матрицы, содержащей дислокацию. Однако это усиление имеет меньшую степень, чем эффекты упругого упрочнения. Для материалов, содержащих более высокую плотность дефектов упаковки , атомы растворенного вещества могут взаимодействовать с дефектами упаковки либо притягивающе, либо отталкивающе. Это снижает энергию дефекта упаковки, что приводит к отталкиванию частичных дислокаций , что делает материал более прочным. ^[3]

Поверхностная цементация, или цементация , является одним из примеров упрочнения твердого раствора, при котором плотность растворенных атомов углерода увеличивается вблизи поверхности стали, что приводит к градиенту атомов углерода по всему материалу. Это обеспечивает превосходные механические свойства поверхности стали без необходимости использования более дорогого материала для изготовления компонента. ^[4]

Основные уравнения

Упрочнение твердым раствором увеличивает предел текучести материала за счет увеличения напряжения сдвига, $\tau$ , для перемещения дислокаций: ^[1]^[2]

$\Delta \tau =Gb\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}{\sqrt {c}}$

где c — концентрация атомов растворенного вещества, G — модуль сдвига , b — величина вектора Бюргера , и $\epsilon$ - деформация решетки из-за растворенного вещества. Он состоит из двух членов: один описывает искажение решетки, а другой - изменение локального модуля.

$\epsilon =|\epsilon _{G}-\beta \epsilon _{a}|$ Здесь, $\epsilon _{G}$ член, который отражает локальное изменение модуля, $\beta$ константа, зависящая от атомов растворенного вещества и $\epsilon _{a}$ – член искажения решетки.

Член искажения решетки можно описать как:

$\epsilon _{a}={\dfrac {\Delta a}{a\Delta c}}$ , где a — параметр решетки материала.

Между тем, изменение локального модуля отражено в следующем выражении:

$\epsilon _{G}={\dfrac {\Delta G}{G\Delta c}}$ , где G – модуль сдвига вещества растворенного вещества.

Подразумеваемое

Чтобы добиться заметного упрочнения материала за счет упрочнения раствора, следует сплавлять растворенные вещества с более высоким модулем сдвига, тем самым увеличивая локальный модуль сдвига в материале. Кроме того, следует сплавлять элементы с разными равновесными константами решетки. Чем больше разница в параметре решетки, тем выше локальные поля напряжений, создаваемые легированием. Легирование элементами с более высоким модулем сдвига или с очень разными параметрами решетки увеличит жесткость и соответственно создаст локальные поля напряжений. В любом случае распространение дислокаций в этих местах будет затруднено, что затруднит пластичность и увеличит предел текучести пропорционально концентрации растворенного вещества.

Упрочнение твердым раствором зависит от:

Концентрация атомов растворенного вещества
Модуль сдвига атомов растворенного вещества
Размер растворенных атомов
Валентность атомов растворенного вещества (для ионных материалов)

Для многих распространенных сплавов можно найти грубые экспериментальные посадки для дополнительного усиления, обеспечиваемого в виде: ^[2]

$\Delta \sigma _{s}=k_{s}{\sqrt {c}}$

где $k_{s}$ – коэффициент упрочнения твердого раствора и $c$ – концентрация растворенного вещества в атомных долях.

Тем не менее, не следует добавлять слишком много растворенного вещества, чтобы не вызвать выпадение новой фазы. Это происходит, если концентрация растворенного вещества достигает определенной критической точки, заданной фазовой диаграммой бинарной системы. Таким образом, эта критическая концентрация ограничивает степень упрочнения твердого раствора, которую можно достичь с помощью данного материала.

Примеры

Алюминиевые сплавы

Пример алюминиевых сплавов , в которых упрочнение твердого раствора происходит за счет добавления магния и марганца в алюминиевую матрицу. Коммерчески Mn может быть добавлен к серии AA3xxx, а Mg — к серии AA5xxx. ^[5] Добавление Mn в алюминиевые сплавы способствует рекристаллизации и восстановлению сплава, что зерна . также влияет на размер ^[5] Обе эти системы используются в изделиях с низкой и средней прочностью, с заметной пластичностью и коррозионной стойкостью. ^[6]

Суперсплавы на основе никеля

на основе никеля Многие суперсплавы используют твердый раствор как механизм упрочнения. Самым популярным примером является семейство инконелей, многие из этих сплавов содержат хром и железо, а также некоторые другие добавки кобальта, молибдена, ниобия и титана. ^[7] Суперсплавы на основе никеля хорошо известны своим интенсивным использованием в промышленной сфере, особенно в авиационной и аэрокосмической промышленности, благодаря своим превосходным механическим и коррозионным свойствам при высоких температурах. ^[8]

Примером использования суперсплавов на основе никеля в промышленности могут быть лопатки турбин. На практике этот сплав известен как МАР-М200 и представляет собой твердый раствор, упрочненный хромом, вольфрамом и кобальтом в матрице, а также дисперсионно-упрочненный карбидными и боридными выделениями на границах зерен. ^[9]^[10] Ключевым фактором, влияющим на эти турбинные лопатки, является размер зерна, увеличение которого может привести к значительному снижению скорости деформации. Пример пониженной скорости деформации в MAR-M200 можно увидеть на рисунках справа, где на рисунке внизу размер зерна составляет 100 мкм, а на рисунке вверху — размер зерна 10 мм. ^[11]

Эта пониженная скорость деформации чрезвычайно важна для работы лопаток турбины, поскольку они подвергаются значительным механическим нагрузкам и высоким температурам, которые могут привести к началу деформации ползучести. Таким образом, точный контроль размера зерна в суперсплавах на основе никеля является ключом к сопротивлению ползучести, механической надежности и долговечности. Некоторые способы контроля размера зерна заключаются в таких технологиях производства, как направленная затвердевание и литье монокристаллов. ^[12]

Нержавеющая сталь

Нержавеющая сталь – один из наиболее часто используемых металлов во многих отраслях промышленности. Упрочнение стали твердым раствором является одним из механизмов улучшения свойств сплава. Аустенитные стали содержат в основном хром, никель, молибден и марганец. ^[13] Он используется в основном для изготовления кухонной посуды, кухонного оборудования и в морской технике из-за его хороших коррозионных свойств в соленой среде.

Титановые сплавы

Титан и титановые сплавы широко используются в аэрокосмической, медицинской и морской промышленности. Наиболее известным титановым сплавом, в котором применяется твердорастворное упрочнение, является Ti-6Al-4V. Кроме того, добавление кислорода к чистому сплаву Ti приводит к упрочнению материала в твердом растворе, в то время как добавление кислорода к сплаву Ti-6Al-4V не оказывает такого же влияния. ^[14]

Медные сплавы

Бронза и латунь представляют собой медные сплавы, упрочненные твердым раствором. Бронза получается в результате добавления около 12% олова к меди, а латунь — в результате добавления к меди около 34% цинка. Оба эти сплава используются в производстве монет, корабельной аппаратуры и искусства.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б Пеллег, Джошуа (2013). Механические свойства материалов . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Собоеджо, Воле О. (2003). «8.3 Усиление твердого раствора». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 .
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов . Иллинойс: Waveland Press, Inc., стр. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3 .
^ Ли, Дунлун; Чжан, Мэнци; Се, Лечунь; Ван, Чжаньцзян; Чжоу, Чжунжун; Чжао, Нин; Палмер, Дэвид; Джейн Ван, К. (15 июля 2020 г.). «Начало контактной текучести и ее влияние на контактную усталость при прокатке цементируемых сталей» . Журнал трибологии . 142 (12). дои : 10.1115/1.4047581 . ISSN 0742-4787 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Райен, Эйвинд; Холмедаль, Бьёрн; Нейс, Оскар; Несс, Эрик; Шёландер, Эмма; Экстрём, Ханс-Эрик (1 июня 2006 г.). «Механизмы упрочнения твердорастворных алюминиевых сплавов» . Металлургические и сырьевые операции А . 37 (6): 1999–2006. дои : 10.1007/s11661-006-0142-7 . ISSN 1543-1940 .
^ Чжао, Цинлун; Холмедаль, Бьёрн (15 февраля 2013 г.). «Влияние кремния на упрочнение и наклеп алюминия при комнатной температуре» . Материаловедение и инженерия: А. 563 : 147–151. дои : 10.1016/j.msea.2012.11.062 . HDL : 11250/2469312 . ISSN 0921-5093 .
^ Ходж, Ф. Гален (1 сентября 2006 г.). «История никелевых сплавов, упрочненных в твердом растворе, для защиты от коррозии в воде» . ДЖОМ . 58 (9): 28–31. Бибкод : 2006JOM....58i..28H . дои : 10.1007/s11837-006-0078-9 . ISSN 1543-1851 .
^ Акча, Энес; Гюрсель, Али (26 июня 2015 г.). «Обзор суперсплавов и суперсплава INCONEL на основе никеля IN718» . Периодические издания по инженерным и естественным наукам . 3 (1). дои : 10.21533/pen.v3i1.43 . ISSN 2303-4521 .
^ Гу, Шунин; Гао, Ханшань; Вэнь, Чжисюнь; Пей, Хайцин; Ли, Чжэньвэй; Чжао, Яньчао; Юэ, Чжуфэн (декабрь 2021 г.). «Характеристики ползучести турбинных лопаток с направленной закалкой, основанные на различии исходных характеристик отливки» . Журнал сплавов и соединений . 884 : 161055. doi : 10.1016/j.jallcom.2021.161055 . ISSN 0925-8388 .
^ Чжан, Чун-И; Вэй, Цзин-Шань; Ван, Цзе; Юань, Чжэ-Шань; Фей, Ченг-Вэй; Лу, Ченг (29 октября 2019 г.). «Оценка надежности зазора лопаток турбины на основе ползучести с помощью новой регрессии нейронной сети» . Материалы . 12 (21): 3552. Бибкод : 2019Mate...12.3552Z . дои : 10.3390/ma12213552 . ISSN 1996-1944 гг . ПМК 6861887 . ПМИД 31671898 .
^ «ГЛАВА 19» . defmech.engineering.dartmouth.edu . Проверено 8 мая 2024 г.
^ Кудон, Ф.; Гурден, С.; Бусико, А.; Роуз, Т.; Кайто, Ж. (февраль 2020 г.). «Стохастический подход применительно к лопаткам турбин с направленной закалкой» . Международный журнал твердых тел и структур . 184 : 193–201. doi : 10.1016/j.ijsolstr.2019.04.007 . ISSN 0020-7683 .
^ Сьерин, Хенрик; Зандер, Йохан; Сандстрем, Рольф (15 января 2006 г.). «Моделирование твердорастворного упрочнения нержавеющих сталей» . Материаловедение и инженерия: А. 415 (1): 66–71. дои : 10.1016/j.msea.2005.09.031 . ISSN 0921-5093 .
^ О, Ж.-М.; Ли, Б.-Г.; Чо, С.-В.; Ли, С.-В.; Цой, Г.-С.; Лим, Дж.-В. (01.10.2011). «Влияние кислорода на механические свойства и деформацию решетки Ti и Ti-6Al-4V» . Международная организация металлов и материалов . 17 (5): 733–736. Бибкод : 2011MMI....17..733O . дои : 10.1007/s12540-011-1006-2 . ISSN 2005-4149 .

Внешние ссылки

Укрепление железа и стали

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б Пеллег, Джошуа (2013). Механические свойства материалов . Нью-Йорк: Спрингер. стр. 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .

[:2-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Собоеджо, Воле О. (2003). «8.3 Усиление твердого раствора». Механические свойства конструкционных материалов . Марсель Деккер. ISBN 0-8247-8900-8 . ОСЛК 300921090 .

[:1-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с Кортни, Томас Х. (2005). Механическое поведение материалов . Иллинойс: Waveland Press, Inc., стр. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3 .

[4] Ли, Дунлун; Чжан, Мэнци; Се, Лечунь; Ван, Чжаньцзян; Чжоу, Чжунжун; Чжао, Нин; Палмер, Дэвид; Джейн Ван, К. (15 июля 2020 г.). «Начало контактной текучести и ее влияние на контактную усталость при прокатке цементируемых сталей» . Журнал трибологии . 142 (12). дои : 10.1115/1.4047581 . ISSN 0742-4787 .

[:3-5] Перейти обратно: ^а ^б Райен, Эйвинд; Холмедаль, Бьёрн; Нейс, Оскар; Несс, Эрик; Шёландер, Эмма; Экстрём, Ханс-Эрик (1 июня 2006 г.). «Механизмы упрочнения твердорастворных алюминиевых сплавов» . Металлургические и сырьевые операции А . 37 (6): 1999–2006. дои : 10.1007/s11661-006-0142-7 . ISSN 1543-1940 .

[6] Чжао, Цинлун; Холмедаль, Бьёрн (15 февраля 2013 г.). «Влияние кремния на упрочнение и наклеп алюминия при комнатной температуре» . Материаловедение и инженерия: А. 563 : 147–151. дои : 10.1016/j.msea.2012.11.062 . HDL : 11250/2469312 . ISSN 0921-5093 .

[7] Ходж, Ф. Гален (1 сентября 2006 г.). «История никелевых сплавов, упрочненных в твердом растворе, для защиты от коррозии в воде» . ДЖОМ . 58 (9): 28–31. Бибкод : 2006JOM....58i..28H . дои : 10.1007/s11837-006-0078-9 . ISSN 1543-1851 .

[8] Акча, Энес; Гюрсель, Али (26 июня 2015 г.). «Обзор суперсплавов и суперсплава INCONEL на основе никеля IN718» . Периодические издания по инженерным и естественным наукам . 3 (1). дои : 10.21533/pen.v3i1.43 . ISSN 2303-4521 .

[9] Гу, Шунин; Гао, Ханшань; Вэнь, Чжисюнь; Пей, Хайцин; Ли, Чжэньвэй; Чжао, Яньчао; Юэ, Чжуфэн (декабрь 2021 г.). «Характеристики ползучести турбинных лопаток с направленной закалкой, основанные на различии исходных характеристик отливки» . Журнал сплавов и соединений . 884 : 161055. doi : 10.1016/j.jallcom.2021.161055 . ISSN 0925-8388 .

[10] Чжан, Чун-И; Вэй, Цзин-Шань; Ван, Цзе; Юань, Чжэ-Шань; Фей, Ченг-Вэй; Лу, Ченг (29 октября 2019 г.). «Оценка надежности зазора лопаток турбины на основе ползучести с помощью новой регрессии нейронной сети» . Материалы . 12 (21): 3552. Бибкод : 2019Mate...12.3552Z . дои : 10.3390/ma12213552 . ISSN 1996-1944 гг . ПМК 6861887 . ПМИД 31671898 .

[11] «ГЛАВА 19» . defmech.engineering.dartmouth.edu . Проверено 8 мая 2024 г.

[12] Кудон, Ф.; Гурден, С.; Бусико, А.; Роуз, Т.; Кайто, Ж. (февраль 2020 г.). «Стохастический подход применительно к лопаткам турбин с направленной закалкой» . Международный журнал твердых тел и структур . 184 : 193–201. doi : 10.1016/j.ijsolstr.2019.04.007 . ISSN 0020-7683 .

[13] Сьерин, Хенрик; Зандер, Йохан; Сандстрем, Рольф (15 января 2006 г.). «Моделирование твердорастворного упрочнения нержавеющих сталей» . Материаловедение и инженерия: А. 415 (1): 66–71. дои : 10.1016/j.msea.2005.09.031 . ISSN 0921-5093 .

[14] О, Ж.-М.; Ли, Б.-Г.; Чо, С.-В.; Ли, С.-В.; Цой, Г.-С.; Лим, Дж.-В. (01.10.2011). «Влияние кислорода на механические свойства и деформацию решетки Ti и Ti-6Al-4V» . Международная организация металлов и материалов . 17 (5): 733–736. Бибкод : 2011MMI....17..733O . дои : 10.1007/s12540-011-1006-2 . ISSN 2005-4149 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]