Дисперсионное твердение

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

Дисциплинарное твердение основано на изменении растворимости твердых веществ с температурой, к образованию мелких частиц примесной фазы , которые препятствуют движению дислокаций или дефектов в кристаллической решетке приводя . 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 термические обработки 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.

Кинетика против термодинамики

Этот метод использует явление пересыщения и включает 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. В некоторых случаях, например во многих алюминиевых сплавах, повышение 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.

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 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 различаться для деформирующих и недеформирующихся выделений.

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. Мелкие частицы, осаждающиеся 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 становится нестабильной. 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 .

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 -

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

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

Где $G$ модуль сдвига, $\varepsilon _{coh}$ - когерентное рассогласование решетки, $r$ - радиус частицы, $f$ - объемная доля частиц, $b$ вектор гамбургеров, $rf/b$ равна концентрации.

Второй – модульное упрочнение . Энергия энергии дислокации равна $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$, когда он прорезает осадок, его энергия равна $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$, изменение энергии отрезка прямой равно

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

Максимальная длина дислокации, на которую влияет диаметр частицы, изменение натяжения линий происходит постепенно на расстоянии, равном $r$. Сила взаимодействия дислокации с осадком равна

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

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 поверхности матрицы-осадка примерной величины $A=2\pi rb\,\!$, где r — радиус частицы, а b — величина вектора Бюргерса. Результирующее увеличение поверхностной энергии равно $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$, где $\gamma _{s}$ это поверхностная энергия. Максимальная сила между дислокацией и частицей равна $F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!$, соответствующее напряжение течения должно быть $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$.

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

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

Когда размер выделений мал, требуемое напряжение сдвига $\tau$ пропорционален размеру осадка $r^{1/2}$, Однако при фиксированной объемной доле частиц это напряжение может уменьшиться 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.

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

Поскольку частица недеформируется, дислокация огибает частицы ( $\phi _{c}=0$), напряжение, необходимое для осуществления обхода, обратно пропорционально расстоянию между частицами $(L-2r)$, то есть, $\tau _{b}=Gb/(L-2r)$, где $r$ – 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 $(L-2r')$ с $r'>r$, а обходное напряжение для этой дислокации должно быть $\tau _{b}'=Gb/(L-2r')$, что больше, чем для первого. Однако по мере увеличения радиуса частицы $L$будет увеличиваться, чтобы сохранить ту же объемную долю осадков, $(L-2r)$ увеличится и $\tau _{b}$ уменьшится. В результате материал станет слабее по мере увеличения размера осадка.

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

С другой стороны, увеличение $f$ увеличивает уровень напряжения в результате меньшего расстояния между частицами. Уровень $\tau _{b}$ 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 $\tau _{b}$, которое зависит только от свойств матрицы и эффективного расстояния между частицами.

Если частицы А объемной доли $f_{1}$диспергируются в матрице, частицы сдвигаются для $r<r_{c1}$ и обойдены для $r>r_{c1}$, максимальная прочность достигается при $r=r_{c1}$, где режущее и изгибающее напряжения равны. Если присутствуют более твердые частицы B той же объемной доли, уровень $\tau _{c}$ кривая увеличена, но кривая $\tau _{b}$ один нет. Максимальное упрочнение, большее, чем у А-частиц, наблюдается при $r_{c2}<r_{c1}$. Увеличение объемной доли А повышает уровень обоих $\tau _{b}$ и $\tau _{c}$ и увеличивает максимальную полученную силу. Последний находится по адресу $r_{c3}$, которое может быть как меньше, так и больше $r_{c1}$ в зависимости от формы $\tau -r$ изгиб.

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 линий дислокаций. Уравнение баланса натяжения лески:

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

Где $\phi _{c}$ – радиус дислокации при определенном напряжении. Сильные препятствия имеют маленькие $\phi _{c}$ из-за искривления вывиха. Тем не менее, уменьшение силы препятствия увеличит $\phi _{c}$ и должны быть включены в расчет. L' также равно эффективному расстоянию между препятствиями L. Это дает уравнение для сильных препятствий:

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

Учитывая слабые частицы, $\phi _{c}$ должно быть близко $180^{\circ }$ из-за того, что линия дислокации остается относительно прямой через препятствия. Кроме того, L' будет:

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

которое формулирует уравнение слабой частицы:

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

Теперь рассмотрим механизмы для каждого режима:

Дислокация, прорезающая частицы: Для большинства усилений на ранней стадии оно увеличивается с $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$, где $\epsilon$ – безразмерный параметр несоответствия (например, при когерентном упрочнении, $\epsilon$ – дробное изменение параметра решетки осадка и матрицы), $f$ – объемная доля осадка, $r$ - радиус выделения, а $b$ — 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.

Для различных типов упрочнения при резании основные уравнения следующие.

Для усиления когерентности,

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

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

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

Для модульного упрочнения,

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

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

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

Для химического упрочнения

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

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

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

Разрезание дислокационных частиц и изгиб / зацикливание

Для укрепления порядка,

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

(низкий $\epsilon _{ord}$, ранняя стадия выделения), где дислокации широко разнесены;

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

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

Дислокации изгибаются вокруг частиц: когда осадок достаточно силен, чтобы противостоять проникновению дислокаций, дислокации изгибаются, и максимальное напряжение определяется уравнением Орована. Дислокационный изгиб, также называемый усилением Орована, более вероятно, если плотность частиц в материале ниже.

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

где $\tau$ это прочность материала, $G$ модуль сдвига, $b$ - величина вектора Бюргерса, $L$ расстояние между точками закрепления, а $r$ – радиус частицы второй фазы. Это основное уравнение показывает, что при изгибе дислокации прочность обратно пропорциональна радиусу частицы второй фазы. $r$, поскольку при фиксированной объемной доле осадка расстояние $L$ между частицами увеличивается одновременно с радиусом частицы $r$, поэтому $L-2r$ увеличивается с $r$.

Эти основные уравнения показывают, что механизм дисперсионного твердения зависит от размера частиц осадка. В маленьком $r$, резка будет доминировать, в то время как в целом $r$, поклон будет доминировать.

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 изгиб и принять условие неустойчивости в механизме Франка-Рида, критическое напряжение для изгиба дислокаций между сегментами закрепления можно описать как:

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

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

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.

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.

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. 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.

Таким образом, некоторые исследователи разработали стратегии выявления возможных упрочняющих выделений, которые позволяют снизить вес некоторых металлических сплавов. 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.

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.

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».

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

См. также

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

Дальнейшее чтение

• Справочник ASM по металлам, том 4, термообработка

Внешние ссылки

• Проект aluMatter