Кіріспе
Ыстық өңдеу әдісі, иілгіш материалдардың беріктігін арттыру үшін қолданылады Жауын-шашынмен қатайту, сондай-ақ жасы қатайту немесе бөлшектермен қатайту деп аталады, бұл алюминий, магний, никель, титанның көпшілігі және кейбір болаттар, тот баспайтын болаттар және дуплекс тот баспайтын болаттардың беріктігін арттыру үшін қолданылатын жылу өңдеу әдісі. Суперқорытпаларда ол жоғары температурада өте мықты беріктік беретін беріктік аномалиясын тудырады. Жауын-шашынмен қатаю температураның қатты ерігіштіктегі өзгерістеріне байланысты, ыдыраулар қозғалысына кедергі келтіретін кіршік фазасының ұсақ бөлшектерін немесе кристалл торшасындағы ақауларды шығарады. Бұл материалды қатаңдату үшін қолданылады, өйткені жиі пластикалық қабаттар дислокациялардың басым түріне жатады. Қоқыстар бөлшектермен қапталған композициялық материалдағы бөлшекті заттармен бірдей рөл атқарады. Ауада мұздың пайда болуы атмосфераның белгілі бір бөлігінің жылулық тарихына байланысты бұлттарды, қарды немесе бұршақты шығара алады, қатты денелердегі жауын-шашын да түбірімен әр түрлі қасиеттері бар әр түрлі мөлшердегі бөлшектерді шығарады. Кәдімгі қатарудан айырмашылығы, қорытпалар жауын-шашынға жол беру үшін бірнеше сағат бойы жоғары температурада ұсталуы керек. Бұл уақыт кешіктірілуі "қартаю" деп аталады. Ерітіндімен өңдеу және ескіру кейде металдар үшін спецификацияларда және сертификаттарда "STA" деп қысқартылады. Жауындыларды қамтитын екі түрлі жылулық өңдеу материалдың беріктігін өзгерте алады: ерітінді жылулық өңдеу және жауынды жылулық өңдеу. Қатты ерітінділерді күшейту бір фазалы қатты ерітінділерді сөндіру арқылы қалыптастыруды қамтиды. Жауын-шашынды жылумен өңдеу материалдың беріктігін арттыру үшін қоспа бөлшектерін қосуды қамтиды.
Precipitation hardening, also called age hardening or particle hardening, is a heat treatment technique used to increase the yield strength of malleable materials, including most structural alloys of aluminium, magnesium, nickel, titanium, and some steels, stainless steels, and duplex stainless steel. In superalloys, it is known to cause yield strength anomaly providing excellent high temperature strength. Precipitation hardening relies on changes in solid solubility with temperature to produce fine particles of an impurity phase, which impede the movement of dislocations, or defects in a crystal's lattice. Since dislocations are often the dominant carriers of plasticity, this serves to harden the material. The impurities play the same role as the particle substances in particle reinforced composite materials. Just as the formation of ice in air can produce clouds, snow, or hail, depending upon the thermal history of a given portion of the atmosphere, precipitation in solids can produce many different sizes of particles, which have radically different properties. Unlike ordinary tempering, alloys must be kept at elevated temperature for hours to allow precipitation to take place. This time delay is called "aging". Solution treatment and aging is sometimes abbreviated "STA" in specifications and certificates for metals. Two different heat treatments involving precipitates can alter the strength of a material: solution heat treating and precipitation heat treating. Solid solution strengthening involves formation of a single phase solid solution via quenching. Precipitation heat treating involves the addition of impurity particles to increase a material's strength.
Кинетика мен термодинамика
Бұл техника суперқанығу құбылысын пайдаланады және жауын-шашынның қозғаушы күшін және қажетті және қажетсіз процестер үшін қолжетімді жылулық белсенділік энергиясын мұқият теңестіруді қамтиды. Ядролану салыстырмалы түрде жоғары температурада (көбінесе ерігіштіктің шегінен сәл төмен) жүреді, беттік энергияның кинетикалық тосқауылдарын жеңу оңайырақ болсын және тұнба бөлшектерінің максималды саны қалыптасқандықтан. Бұл бөлшектер төмен температурада өсуге және қартаю процесінен өтуге мүмкіндік алады. Бұл жағдай төмен ерігіштік жағдайында жүзеге асырылады, сондықтан термодинамика тұнбаның жалпы көлемін ұлғайтуға ықпал етеді. Диффузияның температураға тәуелділігінің экспоненциалды сипаты жауын-шашынмен күшейтуді, барлық жылулық өңдеулер сияқты, өте нәзік процесс етеді. Диффузия жеткіліксіз болса (толық еместік), бөлшектердің көлемі ығысуларды тиімді тоқтату үшін шамалы болады; ал диффузия тым жоғары болса (артық толықтық), олар ығысулардың көпшілігімен өзара әрекеттесу үшін тым ірі және тараңқы болады.
Құрастыру
Жауын-шашынды нығайту, қатты ерігіштіктің сызығы фазалық диаграмманың ортасына қарай күшті еңкейген жағдайда мүмкін болады. Төшкірленген бөлшектердің үлкен көлемі қажет болса да, қорытпа элементінің жеткілікті мөлшерін қосу керек, сонда ол белгілі бір қолайлы оттыру температурасында оңай ерітіледі. Көбінесе үлкен көлем қажет болса да, олар төмендегідей беріктік төмендеуіне жол бермес үшін кішкентай бөлшектерде болуы керек. Типтік алюминий және титан қорытпаларында жауын-шашынды нығайту үшін қолданылатын элементтер олардың құрамының шамамен 10% құрайды. Бинарлы қорытпаларды академиялық жаттығу ретінде түсіну оңай болса, коммерциялық қорытпалар көбінесе Al(Mg, Cu) және Ti(Al, V) сияқты құрастарда жауын-шашынды нығайту үшін үш компонентті пайдаланады. Басқа компоненттердің көпшілігі кездейсоқ болуы мүмкін, бірақ зиянсыз, немесе басқа мақсаттар үшін қосылуы мүмкін, мысалы, дәнекті ұсақтау немесе коррозияға төзімділік үшін. Мысалы, алюминий қорытпаларына Sc және Zr қосылуы FCC L12 құрылымдарын қалыптастыруға көмектеседі, бұл дәнекті ұсақтап, материалды нығайтады. Кейбір жағдайларда, мысалы, көптеген алюминий қорытпаларында, коррозияға төзімділіктің есебінен беріктік арттырылуы мүмкін. Жаңа технологиялар жылдам салқындаудың нәтижесінде алынатын метатұрақ фазалардың жоғары мөлшеріне байланысты қосымша өндіріске бағытталған, ал дәстүрлі құю тепе-теңдік фазаларымен шектеледі. Тұрақты болаттардың коррозияға төзімділігі үшін қажетті үлкен мөлшерде никель мен хромның қосылуы дәстүрлі қатайту және темперлеу әдістерінің тиімсіздігін білдіреді. Дегенмен, хром, мыс немесе басқа элементтердің тұнбалары болатты қатайту және темперлеумен салыстырғанда ұқсас деңгейде нығайта алады. Беріктік оттыру процесін реттеу арқылы өзгертілуі мүмкін, төменгі бастапқы температуралар жоғары беріктікке әкеледі. Бастапқы температураның төмендеуі нуклеацияның қозғаушы күшін арттырады. Көбірек қозғаушы күш – көбірек нуклеация орындары, ал көбірек орындар – дайын бөлшек пайдалану кезінде бұзылуларға көбірек мүмкіндік. Көптеген қорытпа жүйелері қартаю температурасын реттеуге мүмкіндік береді. Мысалы, ұшақ құрылысына арналған қапталдарды жасау үшін қолданылатын кейбір алюминий қорытпалары бастапқы жылумен өңдеуден бастап құрылымға орнатылғанға дейін құрғақ мұзда сақталады. Бұл типтегі қаптал соңғы пішініне деформацияланғаннан кейін бөлме температурасында қартаяды және оның беріктігі артады, құрылымды бірге бекітеді. Жоғары қартаю температуралары құрылымның басқа бөліктерінің тым тез қартаюына әкелуі мүмкін және құрастырудан кейін қымбат жылумен өңдеуді қажет етеді, өйткені жоғары қартаю температурасы тұнбаның тым жылдам өсуіне ықпал етеді.
Жаңа қорытпаларды есептеу арқылы табу
Жаңа қорытпаларды әзірлеуге көп күш жұмсалғанмен, тәжірибелік нәтижелерді іске асыру үшін уақыт пен қаржы талап етіледі. Мүмкін болатын бір балама – тығыздық функционалдық теориясымен (DFT) модельдеу жасау. Бұл, дақылдандыру арқылы қатайту контекстінде, дақылдардың және матрицаның кристалдық құрылымын пайдалануға және дәстүрлі тәжірибелерге қарағанда әлдеқайда көп нұсқаларды зерттеуге мүмкіндік береді. Мұндай модельдеудің бір стратегиясы – көптеген металл қорытпаларында кездесетін реттелген құрылымдарға назар аудару, мысалы, көптеген жүйелерде байқалған ұзақ кезеңді қабаттасқан (LPSO) құрылымдар. LPSO құрылымы – бір ось бойымен ұзақ қабатталған қабаттардан тұратын конфигурация, оның кейбір қабаттары дақылданған элементтерге байытылған. Бұл суперклеткалардың симметриясын пайдалануға мүмкіндік береді және қазіргі DFT әдістерімен үйлеседі. Осылайша, кейбір зерттеушілер металл қорытпаларының салмағын азайтуға мүмкіндік беретін күшейткіш дақылдарды анықтау үшін стратегиялар жасады. Мысалы, Mg қорытпалары алюминий мен болатты автомобиль өнеркәсібінде алмастыруға үлкен қызығушылық тудырып отыр, себебі ол жеңіл құрылымдық металдардың бірі. Дегенмен, Mg қорытпаларының жеткіліксіз беріктігі мен пластикалық деформациялау қабілеті олардың қолданылуын шектейді. Бұл мәселені шешу үшін сирек жер элементтерін қосу арқылы дақылдандыру техникасы қорытпаның беріктігі мен пластикалық деформациялау қабілетін арттыру үшін қолданылды. Атап айтқанда, LPSO құрылымдары осы артуға жауапты болды, нәтижесінде бөлме температурасында 5% созылу кезінде 610 МПа жоғары беріктік көрсеткен Mg қорытпасы алынды. Осылайша, кейбір зерттеушілер сирек элементтерге (RE) қарағанда арзан баламаларды іздеу үшін стратегиялар жасады. Mg Xl Xs үштік жүйесі модельделді, мұнда Xl және Xs сәйкесінше Mg-дан үлкен және кішкентай атомдарды білдіреді. Бұл зерттеуде 85-тен астам Mg Re Xs LPSO құрылымы расталды, DFT-нің белгілі LPSO үштік құрылымдарын болжау қабілетін көрсетті. Содан кейін 11 RE емес Xl элементтері зерттелді, олардың 4-і термодинамикалық тұрақты екені анықталды. Олардың бірі – Mg Ca Zn жүйесі, ол LPSO құрылымын қалыптастыруға бейім деп болжанады. Бұл DFT болжамдарынан кейін басқа зерттеушілер Mg Zn Y Mn Ca жүйесімен тәжірибелер жүргізіп, 0,34% Ca қосылғанда LPSO құрылымдарының пайда болуынан жүйенің механикалық қасиеттері жақсарғанын анықтады, бұл "беріктік пен пластикалық деформациялау қабілетінің жақсы тепе-теңдігін" қамтамасыз етті.