Jak proces zpracování za studena mění pevnost v tahu a tažnost slitin na bázi niklu-?

Zpracování za studena, definované jako plastická deformace slitin na bázi niklu-při teplotách nižších, než je jejich teplota rekrystalizace (typicky pokojová teplota do 300 stupňů ), vyvolává významné změny v mikrostruktuře slitin, což následně mění jejich pevnost v tahu a tažnost vobchodní-vztah. Konkrétní mechanismy a účinky jsou rozvedeny níže:

1. Mechanismy mikrostrukturálních změn vyvolaných zpracováním za studena

Opracování za studena narušuje původní jednotnou a stabilní mikrostrukturu slitin na bázi niklu- prostřednictvím plastické deformace, což vede k následujícím klíčovým změnám:

Dislokační násobení a zamotání: Při vnějším namáhání vzniká uvnitř zrn slitiny velké množství dislokací. Tyto dislokace se pohybují a vzájemně na sebe působí a vytvářejí spletité dislokační shluky, buněčné struktury nebo dislokační stěny. To vytváří dislokační zónu s vysokou-hustotou, která brání následnému pohybu dislokace.

Zkreslení a fragmentace zrna: Původní rovnoosá zrna jsou protáhlá, zploštělá nebo dokonce fragmentovaná podél směru deformace a tvoří vláknitou mikrostrukturu. U slitin na bázi precipitačního-kaleného niklu- (např. Inconel 718) může tváření za studena také způsobit deformaci zpevňovacích fází (např. fáze '') a jejich vyrovnání ve směru deformace.

Efekt zpevňování: Hromadění dislokací a deformace zrna zvyšuje vnitřní energii slitiny, což vede k jevu mechanického zpevnění, což je hlavní důvod pro změnu mechanických vlastností.

2. Vliv na pevnost v tahu: Výrazné zlepšení

Zpracování za studena je účinnou metodou ke zvýšení pevnosti v tahu slitin na bázi niklu-, včetně meze kluzu a mezní pevnosti v tahu, a to následujícími způsoby:

Posilování dislokace: Spletité dislokace a husté dislokační stěny působí jako překážky pohybu dislokací. Když je slitina vystavena namáhání v tahu, je k překonání těchto překážek zapotřebí další síla, což má za následek prudké zvýšení meze kluzu. Například u slitiny Inconel 625 válcované za studena- se mez kluzu zvýšila o 50 %–80 % ve srovnání s žíhaným stavem.

Posílení zjemnění zrna (sekundární efekt): Silné zpracování za studena může roztříštit hrubá zrna na jemná dílčí zrna. Podle Hall-Petchova vztahu znamenají jemnější zrna více hranic zrn, což může dále bránit pohybu dislokací a přispívat ke zlepšení síly.

Synergické zpevnění s precipitačními fázemi: U slitin na bázi precipitačního-kaleného niklu- podporuje tváření za studena rovnoměrné vysrážení jemných zpevňujících fází během následného stárnutí. Tyto jemné fáze spolupracují s dislokacemi pro další zvýšení pevnosti v tahu. Například za studena-tažená slitina Monel K-500 vykazuje vyšší pevnost v tahu po stárnutí než slitina zpracovaná samotným stárnutím.

Míra zlepšení síly pozitivně koreluje smíra snížení práce za studena(tj. procento tloušťky nebo zmenšení plochy průřezu{2}}po deformaci). Vyšší rychlosti redukce vedou k výraznější akumulaci dislokací a deformaci zrna, což má za následek větší nárůst pevnosti.

3. Vliv na tažnost: Postupné snižování

Zpracování za studena sice zlepšuje pevnost, ale nevyhnutelně snižuje tažnost slitin na bázi niklu-, která se vyznačuje menším prodloužením a zmenšením plochy:

Akumulace dislokací-způsobená křehkost: Vysoká hustota spletených dislokací snižuje pohyblivost dislokací uvnitř zrn. Během tahové deformace nemůže slitina podstoupit dostatečnou plastickou deformaci prostřednictvím dislokačního pohybu, což vede k časnému lomu a sníženému prodloužení.

Iniciace mikrotrhlin: Silné zpracování za studena může způsobit tvorbu mikrotrhlin na rozhraní mezi deformovanými zrny nebo mezi zrny a fázemi zpevnění. Tyto mikrotrhliny se rychle šíří pod tahovým napětím a dále zhoršují tažnost.

Anizotropní efekt: Vláknitá mikrostruktura vytvořená tvářením za studena činí tažnost slitiny anizotropní. Tažnost ve směru deformace je relativně lepší, zatímco tažnost kolmo ke směru deformace výrazně klesá.

Stojí za zmínku, že snížení tažnosti není lineární. Když je rychlost redukce při tváření za studena nízká (méně než 10 %), tažnost mírně klesá; když rychlost redukce přesáhne 30 %, tažnost prudce klesá a slitina má tendenci být křehká.

4. Obnova a rekrystalizace: Vrácení změn vlastností

Změny pevnosti v tahu a tažnosti způsobené tvářením za studena jsoureverzibilníprostřednictvím procesů tepelného zpracování, jako je regenerace a rekrystalizace:

Zotavení: Ohřev za studena-zpracované slitiny na teplotu nižší, než je teplota rekrystalizace, eliminuje vnitřní pnutí slitiny, aniž by se změnila vláknitá mikrostruktura. Tento proces mírně snižuje pevnost a obnovuje malé množství tažnosti.

Rekrystalizace: Zahřívání na teplotu rekrystalizace (typicky 800 stupňů – 1100 stupňů pro slitiny na bázi niklu-) umožňuje nukleaci a růst nových rovnoosých zrn, která nahrazují deformovanou vláknitou mikrostrukturu. Tím se zcela eliminuje mechanické zpevňování, obnovuje se tažnost slitiny do žíhaného stavu, zatímco pevnost v tahu se odpovídajícím způsobem snižuje.

Shrnutí

Opracování za studena zlepšuje pevnost v tahu slitin na bázi niklu-pomocí dislokačního zpevnění a zjemnění zrna a zároveň snižuje tažnost v důsledku dislokačního zamotání a mikrostrukturální deformace. Rozsah změn vlastností závisí na rychlosti snížení tváření za studena. Kromě toho lze modifikované vlastnosti flexibilně upravit pomocí následného regeneračního nebo rekrystalizačního tepelného zpracování, aby byly splněny požadavky na mechanické vlastnosti různých technických aplikací.

Pevnost v tahu a tažnost slitin niklu