Posibilities of strength-enhancing Advanced material and technologies, MSc 2017

Increase of strength Characters of metastable states They have a role in strength-enhancing. CHARACTER OF METASTABLE STATE EXAMPLES EXCESS ENERGY (RTm) EXCESS ENERGY J/mol) COMPOSITIONAL SUPERSATURATED SOLUTIONS  1 10 STRUCTURAL OVERCOOLED MELTS, AMORPHOUS METALS AND INTERMETALLIC PHASES  0.5 5 MORPHOLOGICAL OR TOPOLOGICAL NANO SIZED DISPERSION OF PHASES WITH HIGH SURFACES (TO VOLUME)  0.1 1

What kind of strength-enhancing mechanisms are there? Increase of strength What kind of strength-enhancing mechanisms are there? Strain hardening (work hardening) plastic deformation, increase of dislocation density (recently: radiation damages also) Solution hardening (properties of dissolved elements, connection with the Hume—Rothery-rules!) Precipitation hardening Dispersion hardening Quench hardening: high density of lattice defect, non-equiulibrium constituents Grain refinement 3

The lowest and highest value in hardness Increase of strength – strain hardening Changes of hardness (and Young-modulus) due to changes in dislocation density The lowest and highest value in hardness of metals due to dislocation density Single crystal → recrystallized (tempered) state → state with high plastic deformation (high density of dislocations)

Increase of strength – strain hardening I. phase: after the elastic range, the phenomenon of easy slip or single slip is dominant. phase: high slope, independent of T (slip lines are short, inhomogeneous deformation ranges). phase: parabolic (non-linear) range, less-known dislocation motion mechanism, start point and appearance depends on temperature. The shape of the flow (yield) stress - true strain curve depends largely on the crystal structure!

Increase of strength – strain hardening 1 – tempered, recrystallized state 2 – effect of plastic deformation 3 – effect of quenching 4 – effect of thermomechanical process

Hall―Petch-equation: Increase of strength – grain refinement Hall―Petch-equation:

Increase of strength – strain and solution hardening Increase of strength caused by interaction between dissolved atoms and dislocations: dissolved atoms are concentrated in the stress field of the dislocations, modifying the local binding force (critical shear stress) the stress field of the dislocation has interaction with electrostatic and mechanical stress field of the dissolved atom, thus making the movement of the dislocations difficult (increase local critical shear stress) → ageing

Increase of strength – strain and solution hardening

Increase of strength – solution hardening Which effect determines the solubility? Hume-Rothery: atomic size, electron configuration (difference in valence electron structure), electronegativity, type of lattice Zn As Sn

decrease of ability to plastic deformation, decrease of impact energy. Increase of strength – effect of ageing Irrespective of atomic mechanism and/or changes in phase relationships, aging at alloys means: increase of strenght, ReH near to Rm, decrease of ability to plastic deformation, decrease of impact energy. → embrittlement

Steps of precipitation hardening: Increase of strength – precipitation hardening Steps of precipitation hardening: 0. Heating and heat retention for complete dissolving: heating in a homogeneous, single phase range where the second phase dissolves. 1. Establish a supersaturated solid solution over equilibrium dissolution conditions: - generally with quenching (from a homogeneous region which has a higher solubility). 2. Appearance of fine precipitated phases → the system approaching the equilibrium dissolution and phase relationships. - „artificial aging” with heat treatment: in a lower temperature as the 1. step, - natural ageing. T t 0. 1. 2. mild state

Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés To görbék lefutásának meredeksége és a maximális túltelíthetőség, a megoszlásmentes megszilárdulás, az üvegképződés jelensége Milyen határesetek lehetnek? -túltelített, kristályos szilárd oldatok képződése -fémes üvegállapot keletkezése (glassy alloys)

Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Kiválásos folyamat egyetlen lépésben konkrét példák: Fe-alapú ötvözetekben Ti, Mo, karbidok kiválása lényeg: nagy legyen a hajtóerő! ΔGe: fajtérfogat változásból eredő feszültség energiája Mit kell szabályozni a kiválásos folyamat során? A kiválások mennyiségét, átlagos méretét és távolságát! Milyen eszközökkel? -koncentráció beállítása -hőkezelések hőmérséklete Hőkezelések ideje - ΔGe > 0

Konkrét példa túltelített oldatokból történő kiválási folyamatokra Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Konkrét példa túltelített oldatokból történő kiválási folyamatokra Kiválásos keményedés - Al –ötvözetekben: itt több lépcsős a kiválási folyamat ! Érdekesség: Az Al-bronzok (a diagram réz oldala) hasonlóan működik, mint az acélok → martenzites jellegű átalakulás, gyors hűtés után keménységnövekedés.

Kiválásos folyamat mechanizmusa több lépcsőben Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Kiválásos folyamat mechanizmusa több lépcsőben Amikor az egyensúlyi kiválási folyamat több lépcsős Spinodális dekompozíció

Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Több lépésben éri el a rendszer a szabadenergia minimumoz (az egész folyamat részleteiben a T,t függvénye) Guinier- Preston zónák: hosszútávú fluktuációkkal kezdődik a szilárd oldat lebomlása

A kiválási folyamatok értelmezése Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés A kiválási folyamatok értelmezése Az összetételtől is függ a folyamat végeredménye

Al(Cu)” nemesítési” folyamatai Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Al(Cu)” nemesítési” folyamatai A keménység alakulása a hőkezelési folyamatok során

Szilárdságnövelés – kiválásos keményedés Folyamat stabilizálódása Al(Cu) túltelített szilárd oldatból kiváló fázisnál

Stabilizálás harmadik komponenssel: Ti, Mg, B, stb Mit kellene javítani? Öntési zsugorodást, hőkezelések során történő méret és mechanikai tulajdonság változásokat csökkenteni

Hőkezelések hatása a szilárdságra

Mikro-ötvözéssel szabályozzák a kiválások eloszlását, méretét, a hőkezelés paramétereit!