Осадочное упрочнение металлов и сплавов

Введение

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

Осадительное упрочнение, также называемое упрочнением старением или упрочнением частицами, – это техника термической обработки, используемая для повышения предела текучести ковких материалов, включая большинство конструкционных сплавов алюминия, магния, никеля, титана, а также некоторых сталей, нержавеющих сталей и двухфазных нержавеющих сталей. Для суперсплавов известно, что оно вызывает аномалию предела текучести, обеспечивая превосходную прочность при высоких температурах. Осадительное упрочнение основано на изменении твердой растворимости в зависимости от температуры для образования мелких частиц примесной фазы, которые препятствуют движению дислокаций, или дефектов в кристаллической решетке. Поскольку дислокации часто являются основными носителями пластичности, это способствует упрочнению материала. Примеси играют ту же роль, что и армирующие частицы в композиционных материалах, армированных частицами. Подобно тому, как образование льда в воздухе может привести к образованию облаков, снега или града в зависимости от термической истории определенной части атмосферы, осаждение в твердых телах может привести к образованию частиц различных размеров, обладающих существенно различными свойствами. В отличие от обычной отпуски, сплавы необходимо выдерживать при повышенной температуре в течение нескольких часов для обеспечения протекания осаждения. Эта выдержка называется «старением». Обработка раствором и старение иногда обозначается аббревиатурой «STA» в спецификациях и сертификатах на металлы. Две различные термообработки, включающие осадки, могут изменять прочность материала: термообработка раствором и термообработка осаждением. Упрочнение твердым раствором включает образование однофазного твердого раствора посредством закалки. Термообработка осаждением включает добавление частиц примесей для повышения прочности материала.

Кинетика против термодинамики

Этот метод использует явление пересыщения и предполагает тщательный баланс между движущей силой для осаждения и доступной тепловой энергией активации для как желательных, так и нежелательных процессов. Ядрование происходит при относительно высокой температуре (часто лишь немного ниже предела растворимости), чтобы кинетический барьер поверхностной энергии легче преодолевался и формировалось максимальное количество частиц осадка. Затем этим частицам дают расти при более низкой температуре в процессе, называемом старением. Это выполняется в условиях низкой растворимости, чтобы термодинамически стимулировать образование большего общего объема осадка. Экспоненциальная зависимость диффузии от температуры делает упрочнение осаждением, как и все виды термообработки, достаточно тонким процессом. Недостаточная диффузия (недозревание) приводит к тому, что частицы оказываются слишком малыми для эффективного препятствования движению дислокаций; избыточная диффузия (перезревание) – к тому, что они становятся слишком крупными и рассеянными, чтобы взаимодействовать с большинством дислокаций.

Конструкция сплава

Упрочнение выделениями возможно, если линия солидуса сильно наклонена к центру фазовой диаграммы. Хотя желательно большое количество частиц выделений, следует добавлять достаточно небольшое количество легирующего элемента, чтобы он оставался легко растворимым при разумной температуре отжига. Несмотря на то, что часто требуются большие объемы, они желательны в виде мелких частиц, чтобы избежать снижения прочности, как описано ниже. Элементы, используемые для упрочнения выделениями в типичных алюминиевых и титановых сплавах, составляют около 10% их состава. В то время как бинарные сплавы легче понять в теоретическом плане, коммерческие сплавы часто используют три компонента для упрочнения выделениями, например, в составах Al(Mg, Cu) и Ti(Al, V). Значительное количество других компонентов может быть непреднамеренным, но безвредным, или добавляться для других целей, таких как измельчение зерна или коррозионная стойкость. Примером является добавление Sc и Zr к алюминиевым сплавам для формирования FCC L12 структур, способствующих измельчению зерна и упрочнению материала. В некоторых случаях, например, для многих алюминиевых сплавов, увеличение прочности достигается за счет снижения коррозионной стойкости. Современные технологии все больше ориентированы на аддитивное производство благодаря возможности получения большего количества метастабильных фаз за счет быстрого охлаждения, в то время как традиционное литье в большей степени ограничено равновесными фазами. Добавление значительного количества никеля и хрома, необходимого для коррозионной стойкости нержавеющих сталей, делает традиционные методы закалки и отпуска неэффективными. Однако выделения хрома, меди или других элементов могут упрочнить сталь в сопоставимой степени, как и закалка и отпуск. Прочность можно регулировать, изменяя процесс отжига: более низкие начальные температуры приводят к более высокой прочности. Более низкие начальные температуры увеличивают движущую силу зародышеобразования. Большая движущая сила означает больше центров зародышеобразования, а больше центров означает больше мест для нарушения дислокаций во время эксплуатации детали. Многие сплавовые системы позволяют регулировать температуру старения. Например, некоторые алюминиевые сплавы, используемые для изготовления заклепок для авиационной конструкции, хранятся в сухом льду с момента первоначальной термообработки до момента установки в конструкцию. После деформации такой заклепки в окончательную форму происходит старение при комнатной температуре, что увеличивает ее прочность и фиксирует конструкцию. Более высокие температуры старения могут привести к перестареванию других частей конструкции и потребуют дорогостоящей термообработки после сборки, поскольку высокая температура старения способствует слишком быстрому росту выделений.

Precipitation strengthening is possible if the line of solid solubility slopes strongly toward the center of a phase diagram. While a large volume of precipitate particles is desirable, a small enough amount of the alloying element should be added so that it remains easily soluble at some reasonable annealing temperature. Although large volumes are often wanted, they are wanted in small particle sizes as to avoid a decrease in strength as is explained below. Elements used for precipitation strengthening in typical aluminium and titanium alloys make up about 10% of their composition. While binary alloys are more easily understood as an academic exercise, commercial alloys often use three components for precipitation strengthening, in compositions such as Al(Mg, Cu) and Ti(Al, V). A large number of other constituents may be unintentional, but benign, or may be added for other purposes such as grain refinement or corrosion resistance. An example is the addition of Sc and Zr to aluminum alloys to form FCC L12 structures that help refine grains and strengthen the material. In some cases, such as many aluminium alloys, an increase in strength is achieved at the expense of corrosion resistance. More recent technology is focused on additive manufacturing due to the higher amount of metastable phases that can be obtained due to the fast cooling, whereas traditional casting is more limited to equilibrium phases. The addition of large amounts of nickel and chromium needed for corrosion resistance in stainless steels means that traditional hardening and tempering methods are not effective. However, precipitates of chromium, copper, or other elements can strengthen the steel by similar amounts in comparison to hardening and tempering. The strength can be tailored by adjusting the annealing process, with lower initial temperatures resulting in higher strengths. The lower initial temperatures increase the driving force of nucleation. More driving force means more nucleation sites, and more sites means more places for dislocations to be disrupted while the finished part is in use. Many alloy systems allow the ageing temperature to be adjusted. For instance, some aluminium alloys used to make rivets for aircraft construction are kept in dry ice from their initial heat treatment until they are installed in the structure. After this type of rivet is deformed into its final shape, ageing occurs at room temperature and increases its strength, locking the structure together. Higher ageing temperatures would risk over ageing other parts of the structure, and require expensive post assembly heat treatment because a high ageing temperature promotes the precipitate to grow too readily.

Компьютерное открытие новых сплавов

Хотя были предприняты значительные усилия для разработки новых сплавов, внедрение экспериментальных результатов требует времени и финансовых затрат. Одной из возможных альтернатив является моделирование с использованием теории функционала плотности, которое, в контексте упрочнения осадками, может использовать кристаллическую структуру осадков и матрицы, а также позволяет исследовать гораздо больше альтернатив, чем традиционные эксперименты. Одна из стратегий проведения таких симуляций – фокусировка на упорядоченных структурах, которые можно встретить во многих металлических сплавах, например, структурах с длинным периодом стекирования (LPSO), наблюдаемых в многочисленных системах. Структура LPSO представляет собой протяженную слоистую конфигурацию вдоль одной оси, с некоторыми слоями, обогащенными выделившимися элементами. Это позволяет использовать симметрию суперэлементов и хорошо согласуется с современными методами DFT. Таким образом, некоторые исследователи разработали стратегии для поиска потенциальных упрочняющих осадков, позволяющих снизить вес некоторых металлических сплавов. Например, сплавы магния вызывают все больший интерес как замена алюминию и стали в автомобильной промышленности, поскольку это один из самых легких конструкционных металлов. Однако сплавы магния демонстрируют низкую прочность и пластичность, что ограничивает их применение. Для решения этой проблемы использовалась техника упрочнения осадками путем добавления редкоземельных элементов, что позволило улучшить прочность и пластичность сплава. В частности, было установлено, что структуры LPSO ответственны за это увеличение, что привело к созданию магниевого сплава с высокой прочностью: 610 МПа при 5% удлинении при комнатной температуре. В связи с этим, некоторые исследователи разработали стратегии для поиска более дешевых альтернатив редкоземельным элементам (RE), смоделировав тройную систему Mg Xl Xs, где Xl и Xs соответствуют атомам, соответственно, больше и меньше магния. В ходе этого исследования было подтверждено наличие более 85 структур Mg Re Xs LPSO, что демонстрирует способность DFT предсказывать известные тройные структуры LPSO. Затем они исследовали 11 элементов Xl, не являющихся RE, и обнаружили, что 4 из них термодинамически стабильны. Одной из них является система Mg Ca Zn, которая, как предполагается, образует структуру LPSO. В соответствии с предыдущими прогнозами DFT, другие исследователи провели эксперименты с системой Mg Zn Y Mn Ca и обнаружили, что при добавлении 0,34% Ca механические свойства системы улучшились благодаря образованию структур LPSO, достигнув "хорошего баланса прочности и пластичности".

While significant effort has been made to develop new alloys, the experimental results take time and money to be implemented. One possible alternative is doing simulations with Density functional theory, that can take advantage of, in the context of precipitation hardening, the crystalline structure of precipitates and of the matrix and allow the exploration of a lot more alternatives than with experiments in the traditional form. One strategy for doing these simulations is focusing on the ordered structures that can be found in many metal alloys, like the long period stacking ordered (LPSO) structures that have been observed in numerous systems. The LPSO structure is long packed layered configuration along one axis with some layers enriched with precipitated elements. This allows to exploit the symmetry of the supercells and it suits well with the currently available DFT methods. In this way, some researchers have developed strategies to screen the possible strengthening precipitates that allow decreasing the weight of some metal alloys. For example, Mg alloys have received progressive interest to replace Aluminum and Steel in the vehicle industry because it is one of the lighter structural metals. However, Mg alloys show issues with low strength and ductility which have limited their use. To overcome this, the Precipitation hardening technique, through the addition of rare earth elements, has been used to improve the alloy strength and ductility. Specifically, the LPSO structures were found that are responsible for these increments, generating an Mg alloy that exhibited high yield strength: 610 MPa at 5% of elongation at room temperature. In this way, some researchers have developed strategies to Looking for cheaper alternatives than Rare Elements (RE) it was simulated a ternary system with Mg Xl Xs, where Xl and Xs correspond to atoms larger than and shorter than Mg, respectively. Under this study, it was confirmed more than 85 Mg Re Xs LPSO structures, showing the DFT ability to predict known LPSO ternary structures. Then they explore the 11 non RE Xl elements and was found that 4 of them are thermodynamically stable. One of them is the Mg Ca Zn system that is predicted to form an LPSO structure. Following the previous DFT predictions, other investigators made experiments with the Mg Zn Y Mn Ca system and found that at 0.34%at Ca addition the mechanical properties of the system were enhanced due to the formation of LPSO structures, achieving “a good balance of the strength and ductibility”.