Влияние быстрого охлаждения на прочность на растяжение металлических сплавов
Быстрое охлаждение (Quenching)
Быстрое охлаждение или закалка является краеугольным процессом термообработки в металлургии. Он включает нагревание металлического сплава до определенной повышенной температуры - часто выше его критической точки трансформации - а затем быстрое охлаждение его путем погружения в среду, такую как вода, масло, полимерный раствор или принудительный воздух. Это внезапное падение температуры замораживает микроструктуру сплава в неравновесном состоянии, предотвращая образование более мягких фаз, которые обычно развиваются во время медленного охлаждения. Результатом является материал со значительно измененными механическими свойствами, в первую очередь повышенной твердостью и прочностью на разрыв. Эффективность закалки зависит от скорости теплопередачи, теплопроводности сплава и свойств закалки среды. Понимание основной физики и химии имеет важное значение для инженеров, которые должны сбалансировать прирост прочности против потенциальной хрупкости.
Наука, стоящая за усмирением
Когда сплав нагревается, его атомы получают энергию и перестраиваются в высокотемпературную фазу — для стали это аустенит (лицевая кубическая структура). По мере охлаждения металла атомы начинают диффундировать, образуя низкотемпературные фазы, такие как феррит или перлит. Однако, если охлаждение достаточно быстрое, диффузия подавляется, а аустенит превращается через диффузионный механизм сдвига в мартенсит. Мартенсит является метастабильной фазой с тетрагональной решеткой, ориентированной на тело, которая перенасыщена углеродом. Эта структура по своей сути тверда и сильна, потому что атомы углерода, захваченные в решетке, искажают ее, создавая внутренние напряжения, которые препятствуют движению дислокации. Критическая скорость охлаждения, необходимая для предотвращения диффузионно-управляемых преобразований, варьируется в зависимости от состава сплава и часто изображается в диаграммах непрерывного преобразования охлаждения (CCT).
Охлаждающие среды и их показатели
Выбор среды для закалки диктует скорость охлаждения и полученную микроструктуру. Вода обеспечивает наиболее агрессивное охлаждение - более 200 ° C в секунду в критическом температурном диапазоне - но может вызвать искажение или растрескивание из-за неравномерного теплоотдачи. Масло предлагает более медленное, более равномерное охлаждение (обычно 50-100° C в секунду), уменьшая тепловое напряжение при достижении мартенсита во многих сталях. Полимерные закалки - это решения на водной основе с добавками, которые регулируют вязкость и характеристики кипения пленки, позволяя инженерам адаптировать кривую охлаждения. Для некоторых сплавов принудительное закалка воздуха или инертного газа используется, когда приемлемы более медленные скорости или когда требуется минимальное искажение. Каждая среда имеет компромиссы: более высокие скорости дают более высокую прочность, но увеличивают риск закалки; более медленные скорости улучшают стабильность размеров, но не могут достичь полного затвердевания в толстых секциях.
Микроструктурные преобразования, вызванные быстрым охлаждением
Быстрое охлаждение коренным образом изменяет микроструктуру металлических сплавов. Наиболее драматичным преобразованием является образование мартенсита в черных сплавах, но и другие системы, такие как алюминий, титан и медные сплавы, также подвергаются фазовым изменениям. В алюминиевых сплавах закалка из раствора термообработки позволяет затвердевать осадки: растворенные атомы удерживаются в твердом растворе и в дальнейшем образуют мелкие осадки при старении. В титановых сплавах быстрое охлаждение может подавлять образование альфа-фазы, приводя к метастабильной бета-структуре, которая может быть усилена последующим старением. Ключ в том, что быстрое охлаждение замков в высокотемпературной фазе или производит новую, жесткую фазу, которая не существовала бы в условиях равновесия. Полученная микроструктура часто имеет высокие плотности дислокации и мелкие размеры зерна, которые способствуют повышению прочности на разрыв через механизмы Холл-Петч и укрепления дислокации.
Формирование мартенсита в стали
Мартенситное образование представляет собой диффузионное, сдвиговое преобразование, которое происходит почти мгновенно, когда скорость охлаждения превышает критическую скорость. Зерна аустенита срезаются в лентикулярные или лат-образные мартенситные пластины. В высокоуглеродистых сталях мартенсит твердый и хрупкий из-за высокого содержания углерода; в низкоуглеродистых сталях мартенсит обеспечивает хороший баланс прочности и прочности. Штамм трансформации вызывает объемное расширение, которое может привести к остаточному напряжению сжатия на поверхности - полезному для жизни усталости - но также и к внутренним растягивающим напряжениям, которые могут вызвать растрескивание, если не контролировать. Наличие легирующих элементов, таких как никель, хром или молибден, сдвигает кривые преобразования температуры времени (TTT) вправо, что облегчает достижение мартенсита с более медленными скоростями охлаждения. Это свойство используется в .
Другие фазовые трансформации
Не все сплавы образуют мартенсит при закалке. Например, во многих алюминиевых сплавах быстрое охлаждение после растворения предотвращает осаждение растворенных атомов, сохраняя перенасыщенный твердый раствор. Затем за этим условием следует искусственное старение для получения тонких осадков, которые укрепляют сплав - процесс, известный как затвердевание осадков. В медно-бериллиевых сплавах закалка при высокой температуре производит перенасыщенный твердый раствор, который при старении образует когерентные осадки, которые резко увеличивают прочность на растяжение. В суперсплавах на основе никеля быстрое охлаждение может избежать образования нежелательных топологически плотно упакованных фаз, сохраняя желаемые гамма-первичные осадки. Понимание этих различных путей трансформации имеет решающее значение для выбора правильной термической обработки для данной системы сплава.
Влияние быстрого охлаждения на силу растяжения
Прочность на растяжение металлических сплавов значительно увеличивается при быстром охлаждении, прежде всего за счет введения микроструктурных препятствий, препятствующих движению вывиха. В мартенситных сталях прочность на растяжение может увеличиваться от примерно 500 МПа в отожженном состоянии до более 2000 МПа после закалки и закалки. Это усиление происходит из нескольких источников: укрепление твердого раствора из захваченного углерода; усиление вывиха из высокой плотности вывихов, образующихся при сдвигах; и усиление границы зерна из тонкой решётки или размера пластины. Однако увеличение прочности часто сопровождается резким снижением пластичности и вязкости. Для многих применений желателен чистый прирост прочности, но компоненты не должны катастрофически выходить из строя; поэтому постгасить закалку почти всегда используют для восстановления некоторой прочности путем осаждения карбидов и снятия остаточных напряжений.
Плотность дислокации и укрепление механизмов
Быстрое, диффузионное образование мартенсита вводит чрезвычайно высокую плотность дислокации — порядка 1012 до 10 см22. Эти дислокации взаимодействуют друг с другом и с атомами углерода, создавая запутанную структуру, которая сопротивляется дальнейшей деформации.y, где ρ — плотность дислокации. Таким образом, более высокие плотности дислокации напрямую коррелируют с более высоким выходом и прочностью на разрыв. Кроме того, атомы углерода, интерстициальные в мартенситной решётке, создают локальные деформационные поля, препятствующие дислокации сплавов. В осадках-затвердевающих сплавах быстрое охлаждение «замораживает» атомы раствора, которые позже образуют наноразмерные осадки во время старения — эти осадки
Компромиссы: сила vs. дюктильность
В то время как прочность на растяжение резко возрастает после быстрого охлаждения, пластичность - как измерено удлинением в тесте на растяжение - обычно падает. Например, простая углеродистая сталь, которая проявляет удлинение 25% в нормализованном состоянии, может показать только удлинение 2-5% после закалки без закалки. Этот компромисс хорошо документирован: те же микроструктурные особенности, которые блокируют движение дислокации (т.е. мартенсит, мелкие осадки, высокая плотность дислокации) также уменьшают способность материала пластически деформироваться до разрушения. Поэтому инженеры должны учитывать требования к обслуживанию. Для приложений, требующих высокой прочности с некоторой терпимостью к деформации (например, детали автомобильного шасси, крепежные элементы), закаленный материал закаляется при умеренных температурах (300-600°C), чтобы пожертвовать некоторой прочностью для улучшения пластичности. Для приложений, где максимальная твердость необходима (например, режущие инструменты, гибнет), материал может использоваться в состоянии закалки или закаляется при низкой температуре, принимая риск хрупкости.
Факторы, влияющие на эффект быстрого охлаждения
Несколько переменных определяют, насколько прочность на растяжение увеличивается закалкой и как равномерно достигаются свойства по всей детали. К ним относятся скорость охлаждения, химический состав сплава, геометрия и размер компонента и начальная микроструктура до нагрева. Игнорирование этих факторов может привести к неполному затвердеванию, чрезмерному искажению или растрескиванию. Для прогнозирования исхода процессов закалки и оптимизации параметров в настоящее время используются усовершенствованные инструменты моделирования (например, модели конечных элементов теплопередачи и фазового преобразования).
Уровень охлаждения и закаливаемость
Более быстрые скорости охлаждения обычно приводят к более высокой прочности на растяжение, но только если скорость охлаждения превышает критическую скорость для этого сплава. В стали критическая скорость охлаждения определяется диаграммой CCT - она должна быть достаточно быстрой, чтобы пропустить ноздрю перлитовой или бейнитовой кривой запуска. предопределяемость сплава является мерой его способности затвердевать на заданную глубину в условиях закалки. Легирование элементов (например, Mn, Cr, Ni, Mo) увеличивает затвердевание, перемещая кривые CCT в более длинные времена, позволяя образованию мартенсита даже в более толстых секциях. Например, сталь 4340 имеет гораздо более высокую затвердевательность, чем сталь 1045, что означает, что большая часть может быть затвердена с более медленным закалкой. Скорость охлаждения также зависит от возбуждения и температуры затвердевания, а возбуждение увеличивает теплообмен, в то время как вода при 20 ° C охлаждается быстрее, чем вода при 60° C. Инженеры должны соответствовать геометрии детали для достижения желаем
Состав сплава
Химический состав сплава диктует не только достижимую прочность на растяжение после закалки, но и реакцию на последующие обработки. Содержание углерода является наиболее влиятельным элементом в стали: каждый 1% углерода может увеличить твердость мартенсита примерно на 300 Вольт, но также увеличивает хрупкость. Легирующие элементы, такие как кремний и марганец, укрепляют ферритовую матрицу, в то время как такие элементы, как ванадий и ниобий, образуют тонкие карбиды, которые способствуют вторичной твердости во время закалки. В цветных сплавах композиция определяет тип осадков, образующихся во время старения - например, сплавы Al-Cu полагаются на осадки CuAl2, в то время как сплавы Al-Zn-Mg используют MgZn2. Точный состав должен жестко контролироваться для достижения как желаемой прочности, так и приемлемой чувствительности к закалке. Некоторые сплавы, такие как 7075
Размер и геометрия раздела
Более толстые секции охлаждаются в центре медленнее, чем на поверхности из-за тепловой массы и более низкой скорости теплопередачи через материал. Это приводит к градиенту прочности от поверхности до ядра - явление, называемое эффектом массы . В барах большого диаметра или сложных отливках центр может не достигать полностью мартенситной структуры, что приводит к снижению прочности на разрыв в ядре. Инженеры часто выполняют тесты на упрочнение конечного гашения (тест Джомини) для количественной оценки того, как твердость изменяется с расстоянием от утолщенного конца. Для смягчения эффекта массы выбирают сплавы с более высокой упрочняемостью для толстых секций или интенсифицируют среду утолщения (например, с использованием растворов рассола или усиленного волнения). Кроме того, резкие углы и внезапные изменения в поперечном сечении вызывают концентрации напряжения и неравномерное охлаждение, увеличивая риск углов утолщения и добавляя постепенные переходы для улучшения однородности гашения и уменьшения растрескивания
Тематические исследования: быстрое охлаждение в различных системах сплавов
Применение быстрого охлаждения широко варьируется среди семейств металлов. Хотя принципы универсальны, каждая система представляет уникальные проблемы и преимущества. Ниже приведены тематические исследования для углеродистых сталей, алюминиевых сплавов и титановых сплавов, иллюстрирующие, как влияет прочность на растяжение и как оптимизируются параметры.
Углеродные стали
Равнинные углеродистые стали (например, 1045, 1095) обычно закаливаются для производства режущих инструментов высокой твердости, пружин и износостойких компонентов. После аустенитизации при 800-900°C, закалка в воде или рассоле может дать мартенситную структуру с прочностью на растяжение, превышающей 1800 МПа для стали 1095. Однако та же сталь в отожженном состоянии имеет прочность на растяжение только около 600 МПа. Риск растрескивания высок, особенно для высокоуглеродистых марок с замысловатыми формами. Для уменьшения растрескивания некоторые производители используют прерванное закалывание: часть закаляется до чуть выше температуры начала мартенсита (Ms), затем позволяет медленно охлаждаться в воздухе. Альтернативно, закалка (закалка в горячей масляной ванне при ~200°C) с последующим воздушным охлаждением уменьшает тепловые градиенты при все еще производстве мартенсита. После закалки, закалка при 150-300°C сохраняет большую часть прочности при увеличении прочности - обычно используется для нож
Алюминиевые сплавы
Алюминиевые сплавы, используемые в аэрокосмической промышленности (например, 2024, 7075, 6061), подвергаются другому быстрому процессу охлаждения. После термической обработки раствором при ~500°C они закаляются в холодной воде (10-30°C) для удержания растворенных атомов в твердом растворе. Этот шаг сам по себе не значительно увеличивает прочность на растяжение - прочность развивается позже во время естественного или искусственного старения. Например, 7075-T6 после закалки и старения достигает прочности на растяжение 572 МПа (83 кси), в то время как угасающее состояние (до старения) имеет только около 255 МПа. Скорость закалки должна быть достаточно быстрой, чтобы предотвратить осаждение грубых частиц во время охлаждения, что должно быстро охлаждать тонкие листы, но толстые пластины могут потребовать форсированных водяных спреев или даже полимерных закалок для достижения необходимой скорости. Одной из проблем является вызванное закалкой остаточное напряжение, которое может вызвать искажение или снижение срока службы усталости. Некоторые производители аэрокосмической промышленности используют холодное закалку воды
Титановые сплавы
Титановые сплавы, такие как Ti-6Al-4V, часто закаливаются для манипулирования двухфазной альфа-бета микроструктурой. При нагревании в поле бета-фазы (выше ~980°C для Ti-6Al-4V) и быстро закаленной в воде или принудительном воздухе бета-фаза превращается в мартенситную альфа-первичную (α'). Эта структура более твердая и прочная, но менее пластичная, чем равновесная альфа-бета структура. Прочность на растяжение может увеличиваться от 900-1000 МПа (отожженная) до 1100-1200 МПа (отожженная и выдержанная). Однако, закалка титана приводит к высоким остаточным напряжениям и риску искажения. Типичная термическая обработка титановых деталей включает обработку раствора (в альфа-бета-области) с последующим старением; быстрое охлаждение от температуры раствора имеет решающее значение для достижения тонких альфа-лат, которые обеспечивают прочность. Для критических аэрокосмических компонентов (приземление, роторные кон
Промышленные применения и пост-квинхозные методы лечения
Быстрое охлаждение является неотъемлемой частью производства высокопрочных компонентов во многих отраслях промышленности. Однако, как утолщенный материал редко используется непосредственно - послеутоленная обработка применяется для оптимизации баланса прочности, пластичности, прочности и стабильности размеров. Наиболее распространенная послеутоленная обработка - закалка. Другие включают криогенную обработку (для стали) и старение (для осадков-затвердевающих сплавов). Понимание этих процессов имеет важное значение для производства надежных деталей.
закаливание
Закалка представляет собой процесс перегрева, применяемый к закаленной стали (или мартенситному железу) при температурах ниже нижней критической точки трансформации (обычно 150-650 ° C). Во время закалки атомы углерода диффундируют из мартенситной решетки для образования мелких карбидов (например, цементит, Fe]3C), и некоторые из остаточных напряжений снимаются. Это снижает твердость и прочность на растяжение, но значительно улучшает прочность на растяжение 1400 МПа. Например, закаленная сталь 1045 с прочностью на растяжение 1400 МПа может опускаться до 900 МПа после закалки при 500 ° C, но удлинение увеличивается с 2% до 15%. Соотношение является компромиссом: более высокие температуры закалки дают более низкую прочность, но более высокую прочность. Для пружин, низкотемпературное закалка (300-40°C) сохраняет высокую прочность, обеспечивая при этом умеренную пластичность. Для структурных компонентов, таких как оси
Криогенное лечение
Криогенная обработка включает охлаждение закаленной стали до минусовых температур (часто от −80 °C до −196 °C) для преобразования любого удержанного аустенита в мартенсит. Во время закалки некоторая температура аустенита может оставаться нетрансформированной, поскольку температура мартенсита (Mf) ниже окружающей. Этот удержанный аустенит мягкий и может вызывать пространственную нестабильность. Путем глубокого замораживания детали трансформация продолжается, преобразовывая удержанный аустенит в мартенсит и увеличивая общую твердость и прочность на растяжение. Обычно за криогенной обработкой следует низкотемпературный темперамент для снятия напряжений, вводимых трансформацией. Исследования показали, что криогенная обработка может увеличить износостойкость и прочность на растяжение инструментальной стали D2 на 15-20%. Процесс иногда сочетается с постутолительным закалкой для оптимальных результатов. Хотя влияние на прочность на растяжение может быть не огромным, улучшение износостойк
Старение (закаливание осадков)
Для сплавов, которые являются осадочными (например, 2xxx, 6xxx, 7xxx серии алюминия; некоторые никелевые сплавы; некоторые стали, такие как PH 17-4), быстрое охлаждение от температуры раствора является только первым шагом. После закалки материал находится в перенасыщенном твердом растворе. Старение - либо естественно при комнатной температуре (естественное старение) или искусственно при повышенных температурах (100-200°C для алюминия) - позволяет атомам раствора группироваться и образовывать тонкие когерентные осадки. Эти осадки действуют как препятствия для перемещения дислокации, вызывая резкое увеличение прочности на растяжение. Например, 7075 алюминия: при закалке (состояние T4) имеет конечную прочность на растяжение около 450 МПа; после искусственного старения до состояния T6 он достигает 572 МПа. Время и температура старения должны тщательно контролироваться, чтобы избежать переувлажнения, где осадки огрубевают и теряют свой укрепляющий эффект. Эта последовательность обработки раствора, быстрое закал
Заключение
Быстрое охлаждение или закалка является мощным методом повышения прочности на растяжение металлических сплавов путем индуцирования неравновесных микроструктур, таких как мартенсит или перенасыщенные твердые растворы. В то время как закалка может более чем удвоить прочность на растяжение углеродных сталей и обеспечить высокопрочные алюминиевые и титановые сплавы, она неизбежно снижает пластичность и прочность. Поэтому после закалки обработка - влажность, криогенная обработка или старение - необходимы для адаптации свойств материала для конкретных применений. Понимая фундаментальные механизмы и параметры процесса, инженеры могут проектировать тепловые обработки, которые производят компоненты с оптимальным балансом прочности, прочности и надежности. Для дальнейшего чтения, проконсультируйтесь с такими ресурсами, как [FLT: 1], всеобъемлющая статья [FLT: 2] Википедия о закалке [FLT: 3] или исследовательская статья [FLT: 4] "Влияние скорости охлаждения на свойства растяжения 7075 алюминиевых сплавов" [FLT: 5], опубликованная в журнале материаловедения и производительности.