Härdningsmekanismer, rekristallisation och korntillväxt, Tal4 Flashcards
T2204, Bilden beskriver schematiskt en härdningsmetod för metaller ( = dislokation)
* Ange vad härdningsmetoden kallas och förklara hur härdningseffekten uppkommer.
* Hur uppnås maximal härdningseffekt med den
här metoden?
- Härdningsmetoden kallas för korngränshärdning. Det uppkommer då det sker belastning på materialet och dislokationer uppkommer. Dislokationstågen kan ej gå igenom korngränserna pga kornen har olika orientering och stakas därför upp där
- Maximal härdningseffekt uppnås då vi har små korn pga fler korngränsytor vilket hindrar dislokationer mer
T2204, Vid uppvärmning av ett deformerat metalliskt material kommer tre olika fysikaliska processer att ske vid olika temperaturer: återhämtning, rekristallisation och korntillväxt.
* Ange relevant temperaturområde, beskriv kort vad som sker med materialet i dessa och vad som
är drivkraften för respektive fysikalisk process.
Återhämtning = blå område
Rekristallisation = orange område
Korntillväxt = Rosa område
- Återhämtning: efter deformation av materialet och det existerar dislokationer och vi höjer temperaturen och ökar atomrörligheten så omgrupperar sig dislokationerna med hänsyn till varandra. Drivande energin är att dislokationerna medför extra energi i materialet dvs extra spänningar men systemet strävar mot så låg energi som möjligt
- Rekristallisation: Vi höjer tempraturen för ett kallbearbetat material ännu mer så bildas nya korn och de deformerade kornen “försvinner”. Drivande kraften är minskning av dislokationstätheten ie minskning av dislokationsenergi. Sker ofta vid korngränser och där mest deformation har skett
- Korntillväxt/partikelförgrovning/koalescens: när kärnbildning har skett och korn växer de sig större och äter upp de små deformerade kornen. Drivande kraften är minskning av den totala ytenergin. Större korn har mindre yta än mindre korn.
T2201, Bilden beskriver en mekanism att ”härda” ett material.
* Vad kallas härdningsmetoden och hur uppkommer härdningseffekten?
Lösningshärdning heter härdningsmetoden. Härdningseffekten uppkommer då man löser in främmande atomer i grundämnets gitter. Det skapas då spänningsfält vilket försvårar dislokationernas rörlighet
Två typer:
Interstitiellt inlösta
Subsitutionellt inlösta - optimalt med skillnad i storlek mellan inlösta och moderatomer +-15%
Bilden visar: Lösningshärdning
Övre bilder: Substitutionell lösningshärdning. Spänningar i
atomstrukturen pga atomernas storleksskillnad försvårar
dislokationers rörelser. Maximal härdningseffekt vid 50/50
inlösning. Störst effekt vid stor storleksskillnad men +/- 15
% i atomstorlek ger lämpligast härdningseffekt
Nedre bild: Interstitiellt inlösta atomer medför samma effekt
som ovan (spänningar i kristallstrukturen) men har ingen begränsning av andelen inlösta atomer.
Atomstorleken optimalt ca 1/9 av ordinarie atomstorlek (mycket mindre atomer, t.ex. H, N, C, B).
T2202, Figuren visar kornstrukturen av ett deformerat (via Brinellhårdhetsmätning) och därefter värmebehandlat material.
* Förklara variationen i kornstorlek från ”Avtryck av stålkula” och nedåt samt varför kornstorleken abrupt ändras mot slutet. Obs, begreppet “drivande kraft” för processen ska användas och förklaras!
Deformationsgraden är störst närmast
stålkulan och avtar inåt i materialet. Drivande kraft för rekristallisation är skillnaden i dislokationsenergi mellan deformerade och odeformerade rekristalliserade korn.
Kornstorleksvariationen kommer av att en hög
deformationsgrad ger rikligare kärnbildning av nya korn, som växer tills det att de möts/kolliderar, dvs stor deformation – många rekristalliserade och då små korn.
Låg deformationsgrad – liten kärnbildning – få men stora korn.
Kritisk deformationsgrad är nödvändig deformationsgrad (5-15%) för att få rekristallisation
T2104, Partikelhärdning/utskiljningshärdning är en vanlig metod att härda aluminium.
* Ange och beskriv/förklara de tre stegen vid utskiljningshärdning. Använd information från
fasdiagrammet, tid, temperatur och sammansättning i din förklaring.
Steg 1: Upplösningsbehandling
Man värmer materialet till ca 400 grader för att lösa in så beta så mkt som möjligt. Sammansättningen är längs linjen i alfa-området precis invid eutektikum-linjen
Steg 2: Släckning
Man kyler snabbt ned materialet till ca 350 grader (mellan tummen och pekfingret) för att då låsa atomstrukturen. I detta skede har man bara alfa-fas både aluminium och koppar
Steg 3: Åldring
Man höjer temperaturen en aning till ca 400 för att urskilja koppar då koppar diffunderar ihop i beta-fas som bildar partiklar på grund av att de är stabila i den temperaturen och i den sammansättningen
T2104, Bildserien visar bubblor i tvålskum (kan representera korn i en metall) som växer likformigt
med ökande tid.
* Ange två namn för fenomenet samt förklara vad som är den ”drivande kraften” för processen.
Ostwald ripening och koalescens
Den drivande kraften till korntillväxt är minskning av totala ytenergin. Större korn äter upp mindre korn för att minska totala korngränsarea
T2101, Bilden beskriver schematiskt en princip och två metoder för härdning av metaller.
* Vad kallas härdningsprincipen?
* Ange benämning på och förklara hur respektive
metod ”härdar” metallen.
- Partikelhärdning
- Vi har övermättat materialet och atomer är i partiklar. Partiklarna hindrar dislokationsrörelser.
Om partikeln är svag så skär dislokationen igenom partikeln.
Om partikeln är stark så omsluter dislokationen partikeln
Skärningsmekanismen (övre metoden):
Dislokationen skär igenom den utskilda partikeln (metallisk
partikel) och ny yta bildas. Detta konsumerar/kräver energi, härdningsbidraget beror på partikelstyrkan
och avståndet mellan partiklarna/antalet partiklar.
Orowanmekanismen (nedre metoden):
Utskilda partiklar med hög partikelstyrka (kerampartiklar) fångar in dislokationslinjen och
dislokationsslingor bildas mellan/runt partiklarna. Detta medför en ökad mängd/längd av dislokationer som ger en kraftig härdningseffekt.
T2101, Figuren visar en deformerad och därefter uppvärmd (och etsad) dragprovstav av aluminium.
* Varför har dragprovstaven fått detta utseende?
* Ange och förklara viktiga begrepp för processen, speciellt variationen i kornstorlek i staven samt
var ”kritisk deformationsgrad” finns.
- Provstaven har deformerats genom dragning. Materialet har sedan rekristalliserats. Kornen har olika storlek på grund av att deformationsgarden är olika i olika delar av staven. Ju mer deformerat –> högre drivande kraft för rekristalllisation –> små korn då det blir fler kärnbildningsplatser från deformationen. Den kritiska deformationsgraden är där vi ringar in de tre första största kornen.
Drivande kraften för rekristallisationen är överskott av deformationsenergi och vill minska dislokationstätheten.
Utseendet är karakteristiskt för ett ojämnt
deformerat och rekristalliserat material
Den rekristalliserade kornstorleken är störst
vid infästningen och minskar mot brottet av
provstaven detta beror av att deformationen
har varit störst vid brottet och minskar mot
infästningen.
Förklaring: Den drivande kraften (energivinsten) för rekristallisation är skillnaden i
dislokationstäthet/energi mellan deformerade och nya odeformerade korn. Vid stor skillnad/stor
deformation sker riklig kärnbildning/många korn.
Kritisk deformationsgrad är nödvändig deformationsgrad för att få kärnbildning av nya rekristalliserade
korn, vanl. 5-15 % deformation. Detta uppnås i det deformerade området av provstaven där det endast finns två rekristalliserade korn.
T2001, Figuren visar ett kopparrör som vid rumstemperatur har böjts och böjts
tillbaka.
Detta illustrerar en härdningsmetod/princip, vad kallas den?
Beskriv härdningsprincipen och förklara varför staven har fått detta utseende.
- Deformationshärdning
- Vid deformation ökar dislokationer kraftigt och de kommer att trassla in sig i varandra och låsa sig detta leder till minskad atomrörlighet och ökad sträckgräns
Vid första böjningen får har den fått ett ökat antal dislokationer och ökad sträckgräns därför vid andra böjen så böjs den i ett odeformerat område
T2001, Bildserien visar en process som kan ske vid uppvärmning av ett deformerat material.
Beskriv vad som sker i respektive bild samt föreslå/motivera för vilken process det är.
Förklara varför detta sker, den ”drivande kraften” och andra viktiga begrepp för processen
- Rekristallisation, då stora korn går till små korn. i ett deformerat material kommer det att bildas nya korn vid uppvärmning som leder till mindre korn, ie sista bilden. Dessa skapas för att ersätta de deformerade kornen. Se glidlinjer i första figuren.
Den drivande kraften är minskning av disklokationstätheten/dislokationsenergin. Vid stor deformation sker riklig kärnbildning/många korn. Kritisk deformationsgrad krävs för att rekristallisation ska ske
