Precipitace - ATeam
Precipitace - ATeam
Precipitace - ATeam
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Precipitace</strong>
Čisté kovy s ohledem na své mechanické parametry nemají většinou<br />
pro praktická použití vhodné užitné vlastnosti. Je proto snaha využít<br />
všech možností ke zlepší těchto parametrů, zejména pak zvýšení<br />
pevnosti při zachování co nejvyšší houževnatosti.<br />
Zpevňování kovů je možné několika způsoby:<br />
a) legováním základního kovu jiným prvkem (nejčastěji kovem)<br />
b) plastickou deformací za studena<br />
c) martenzitickou nebo bainitickou přeměnou<br />
d) precipitačním vytvrzováním
<strong>Precipitace</strong><br />
Změna rozpustnosti je základním předpokladem pro precipitační proces<br />
Jen u takových slitin, které mají v rovnovážném diagramu<br />
dostatečně výraznou změnu rozpustnosti v závislosti na teplotě
• Princip precipitačního vytvrzování byl zjištěn nezávisle Guinierem a<br />
Prestonem v r. 1938 pomocí Laueovy metody na monokrystalech slitiny<br />
Al – Cu. Guinier a Preston zjistili, že difrakční diagram pořízený na<br />
monokrystalech slitiny Al – Cu vykazuje pruhy vycházející z reflexe mřížky<br />
hliníku a probíhající ve směrech Al<br />
. Toto bylo vysvětlováno vznikem<br />
destičkovitých oblastí bohatých na m a ležících na rovinách {100} Al<br />
– teď<br />
jsou nazývány zónami Guiniera – Prestona, neboli zkráceně zóny GP.<br />
• Jak metody difrakce rentgenových paprsků, tak i elektronová mikroskopie<br />
ukázaly, že ve všech soustavách schopných precipitačního vytvrzování,<br />
nejen u hliníkových slitin, má počáteční precipitát jinou strukturu než<br />
rovnovážná fáze.
<strong>Precipitace</strong> je rozpad přesyceného tuhého roztoku při ohřevu na teploty<br />
nižší než je teplota solidu pro danou slitinu.<br />
Hlavní podmínkou vzniku precipitace je existence přesyceného tuhého<br />
roztoku, který se při zvýšených teplotách začne rozpadat.<br />
Z přesyceného roztoku se začne vylučovat ta fáze, která bude bohatší na<br />
prvek, kterým je původní fáze přesycena. Podoba této precipitující fáze se<br />
však nebude tvořit přímo, ale přes několik mezistupňů, jejichž struktura se<br />
postupně přibližuje struktuře konečné rovnovážné fáze.<br />
<strong>Precipitace</strong> se uplatňuje u slitin hliníku, hořčíku, některých slitin<br />
mědi a také (i když méně významněji) i u slitin železa.<br />
Obvykle se pro svou názornost vysvětluje průběh předprecipitačních a<br />
precipitačních jevů na slitině Al – Cu.
Vytvrzování se skládá z několika technologických úkonů, které na sebe<br />
navazují a vzájemně souvisí do té míry, že jejich dílčí provedení<br />
ovlivňuje často rozhodujícím způsobem konečný výsledek.<br />
Vytvrzování se skládá z:<br />
1) Rozpouštěcího žíhání<br />
2) Ochlazení (nejčastěji ve vodě)<br />
3) Stárnutí
ROZPOUŠTĚCÍ ŽÍHÁNÍ<br />
• Přípravná operace před následujícím ochlazením.<br />
• Slitina, která v rovnovážném stavu za normální teploty byla heterogenní, je<br />
během rozpouštěcího žíhání homogenní.<br />
• Rozpouštěcímu ohřevu je nutno věnovat značnou péči.<br />
• Je to proto, že tepelný interval mezi teplotou solidu a čárou změny<br />
rozpustnosti je malý.<br />
• Teplota pece nebo lázně musí být dodržena v rozmezí ±5°C.<br />
• Překročení znamená úplné znehodnocení slitiny - natavení na hranicích zrn,<br />
zrno prudce hrubne.<br />
• Horní hranice teplot pro rozpouštěcí ohřev je asi 10 °C pod teplotou solidu<br />
dané slitiny
• Nižší teploty způsobují, že rozpouštění segregátů není dokonalé a<br />
očekávané zlepšeni mechanických vlastností se nedostaví.<br />
• Délka doby závisí na tloušťce zpracovávaných kusu a druhu a velikosti fází<br />
• Jemně vyloučené fáze ve tvářených slitinách se rozpouštějí podstatně rychleji<br />
než fáze vyloučené v hrubých útvarech v odlitcích<br />
• Obvykle je snahou zkrátit dobu žíhání na nejmenší možnou míru, protože<br />
zbytečným prodlužováním doby žíhání zhrubne krystalická struktura a zhorší<br />
se vlastnosti<br />
• U slitin, které byly před rozpouštěcím žíhání tvářeny za studena, probíhá při<br />
rozpouštěcím žíhání rekrystalizace. Velikost a rovnoměrnost zrna po<br />
rekrystalizaci závisí také na rychlosti žíhání.<br />
• Je výhodné provádět rozpouštěcí žíhání takto zpracovaných slitin v solných<br />
lázních.
OCHLAZOVÁNÍ<br />
• Cíl: Získat přesycený tuhý roztok za normální teploty = zabránit segregaci fází<br />
• Obvykle u slitin hliníku do vody 20°C<br />
• Účelem ochlazování na vzduchu nebo do vody je získat přesycený tuhý roztok<br />
za normální teploty, tedy zabránit segregaci fází, které tuhý roztok přesycují<br />
• Je-li slitina ochlazována menší rychlostí nebo není-li slitina po vyjmutí z pece<br />
ochlazena ihned, může dojít částečně k segregaci na hranicích zrn. Slitina má<br />
pak menší odolnost proti korozi, nižší pevnost i tažnost.
STÁRNUTÍ<br />
= rozpad přesyceného tuhého roztoku:<br />
a) Při normální teplotě (tzv.přirozené)<br />
b) Při zvýšené teplotě (tzv.umělé)<br />
• V místech koncentračních rozdílů probíhá nukleace nové fáze, která je<br />
bohatší na přísadu než základní tuhý roztok.<br />
• Růstem těchto zárodků vznikají koherentní precipitáty, které jsou označovány<br />
jako Guinier-Prestonova pásma.<br />
• Rozpad přesyceného tuhého roztoku označujeme souborně jako stárnutí,<br />
přičemž výrazným dílčím pochodem je precipitace<br />
• Stárnutí probíhá u některých slitin již při normální teplotě a je označováno jako<br />
přirozené, na rozdíl od stárnutí při zvýšené teplotě, které označujeme jako<br />
umělé. Je samozřejmé, že při umělém stárnutí probíhá precipitace podstatně<br />
rychleji než při stárnutí přirozeném
Vliv teploty stárnutí na velikost<br />
částic<br />
Některé soustavy na bázi Al schopných vytvrzování
Příklad na jednoduché slitině AI- Cu se 4% Cu<br />
Po rozpouštěcím ohřevu při teplotě 500°C je slitina rychle ochlazena a<br />
ponechána na normální teplotě. V prvé fázi stárnutí dochází v přesyceném tuhém<br />
roztoku k rozsáhlému difúznímu pohybu atomu mědi, čímž vznikají oblasti s<br />
vyšší koncentrací mědi.<br />
Toto předprecipitační stadium difúzního pohybu atomu mědi je spojeno s<br />
rozsáhlým pohybem vakancí a jejích soustřeďování v určitých krystalografických<br />
směrech.
V oblastech s vyšší koncentrací mědi dochází již v<br />
krátkém časovém údobí po ochlazení do vody ke<br />
koherentní precipitaci monoatomárních vrstev<br />
(pásem) mědi, jejich průměr je přibližně 50 A. Tato<br />
pásma jsou označována jako Guinier Prestonova<br />
pásma I.<br />
Pásma se tvoří v rovinách rovnoběžných s<br />
plochami elementární kubické mřížky<br />
V další fázi stárnutí vznikají vícevrstvé<br />
destičkové útvary tvořené několika<br />
monoatomovými, pravidelně se střídajícími<br />
vrstvami mědi. Podobně jako pásma GPI tvoří se i<br />
tyto útvary, označené jako Guinier-Prestonova<br />
pásma II (GPIl), v rovinách rovnoběžných se<br />
stěnami elementární kubické mřížky základní<br />
krystalické hmoty.
Pásma GPIl, mají zřetelnou tetragonální stavbu a = b = 4,04 A, c = 7,8 A<br />
a jsou koherentní s mřížkou základní kovové hmoty.
• Vznikem koherentních zón GPI a GPII je přirozené stárnutí slitiny Al- Cu<br />
skončeno.<br />
• Stárne-li tatáž slitina za zvýšených teplot, objevují se v průběhu stárnutí některé<br />
rozdíly.<br />
• Při zvýšené teplotě stárnutí 130°C se pásma rozrůstají a jejich průměr může<br />
dosáhnout až 100A.<br />
• Asi po 10 h, při teplotě 130°C, se ve struktuře slitiny objevuje vedle pásem GPII<br />
částečně koherentní fáze Θ´.<br />
Průběh precipitace za různých<br />
teplot<br />
a) při teplotě 130°C, b) při teplotě 190°C
• Ve slitinách s vyšším obsahem mědi počíná precipitace přímo tvorbou<br />
koherentních precipitátu GPIl a pokračuje tvorbou částečně koherentních<br />
precipitátu Θ´.<br />
• Je-li obsah mědi nízký (např. 2%), tvoří se fáze Θ´ přímo nezávisle na<br />
předchozím vzniku koherentních precipitátu GPlI.<br />
• Jakmile se však zvýší objem této fáze a zmenší se její disperznost, tvrdost se<br />
snižuje. Pro tento pokles tvrdosti se vžilo označení přestárnutí slitiny.<br />
• Při teplotě 300°C se fáze Θ' mění po dlouhé době stárnutí na stabilní fázi Θ<br />
AI 2<br />
Cu s výraznou tetragonální strukturou (a = 4,84 Á, c = 6,06 Á).<br />
• Tato fáze je již zcela nekoherentní. Úplné porušení koherentnosti se projeví<br />
snížením pevnosti a tvrdosti na minimální výši, přičemž se současně zvyšuje<br />
tažnost a houževnatost zkoumané slitiny.
ČTYŘI ZÁKLADNÍ ETAPY ROZPADU PŘESYCENÉHO ROZTOKU<br />
1) Nukleace nové fáze:<br />
• Růst těchto zárodků GP I.<br />
• Monoatomární vrstvy přísadového prvku<br />
2) Růst koherentních precipitátů. Vznik vícevrstvých destičkových útvarů.<br />
Tvořeny několika monoatomovými vrstvami přísadového prvku. GP II<br />
Vykazují krystalickou stavbu.<br />
3) Další růst koherentních precipitátů, snížení jejich počtu za vzniku fáze<br />
s vlastní kryst. mřížkou odlišnou od matečného tuhého roztoku = Θ´<br />
4) Vznik rovnovážného precipitátu Θ za úplného porušení koherentnosti.
• Maximální tvrdosti a pevnosti po vytvrzování se dosahuje u GP I, II.<br />
Zvýšením množství částečně koh. fáze Θ´ se zmenšuje její disperznost a<br />
dochází k poklesu tvrdosti = přestárnutí slitiny.<br />
• Důležitý je význam plastické deformace.<br />
• Zvyšuje se počet dislokací a vakancí, kde jsou příznivá místa pro<br />
nukleaci precipitujících fází.