Aušinimo greičio įtaka metalo mikrostruktūrai
Medžiagų moksle ir metalurgijoje aušinimo greitis yra vienas iš svarbiausių veiksnių, lemiančių metalų mikrostruktūrą. Mikrostruktūra – grūdelių, fazių išsidėstymas ir jų pasiskirstymas mikroskopiniu mastu – daro didelę įtaką mechaninėms savybėms, tokioms kaip kietumas, tempiamasis stipris, tąsumas, tvirtumas, atsparumas dilimui ir korozijai. Skirtingi aušinimo metodai (greitas, vidutinis ar lėtas) gali sukurti skirtingas mikrostruktūras net ir esant tai pačiai cheminei sudėčiai. Todėl aušinimo greičio valdymas yra įvairių terminio apdorojimo procesų, tokių kaip atkaitinimas, normalizavimas, gesinimas ir atleidimas, pagrindas.
1. Pagrindinės mikrostruktūros ir fazinės transformacijos sąvokos
Metalai ir lydiniai paprastai sudaryti iš fazių (pvz., ferito, austenito, cementito pliene), kurios susidaro dėl fazinių virsmų, keičiantis temperatūrai. Aukštoje temperatūroje kai kurie metalai egzistuoja fazėje, kuri toje temperatūroje yra stabilesnė; atvėsus ta fazė gali virsti kita faze, kuri yra stabili žemesnėje temperatūroje. Šios transformacijos gali būti difuzinės (reikalaujančios atomų judėjimo difuzijos būdu) arba nedifuzinės (greitesnės, nepriklausomos nuo difuzijos, pvz., martensitas pliene).
Aušinimo greitis lemia, ar atomai turi pakankamai laiko difunduoti ir suformuoti pusiausvyros fazę, ar „įstringa“ metastabilioje fazėje. Apskritai:
– Lėtas vėsimas → atomai spėja difunduoti → fazė artėja prie pusiausvyros → grūdeliai linkę būti didesni.
– Greitas aušinimas → slopinama difuzija → susidaro metastabili/smulkioji fazė → maži grūdeliai arba smulki adatinė/plokštelinė struktūra.
2. Lėtas aušinimas: struktūra tampa grubesnė ir artėja prie pusiausvyros.
Lėtas aušinimas paprastai vyksta atkaitinimo arba krosnies aušinimo metu. Kadangi aušinimo greitis yra mažas, atomai turi daug galimybių migruoti į žemiausios energijos pozicijas, todėl fazės paprastai atitinka pusiausvyros fazių diagramą.
Pagrindiniai lėto aušinimo mikrostruktūriniai padariniai yra šie:
1. Grūdų augimas
Didesni grūdai susidaro todėl, kad grūdelių ribos turi laiko judėti ir sumažinti bendrą sistemos energiją. Ši šiurkšti mikrostruktūra dažnai sukelia:
– sumažėja stiprumas ir kietumas,
– atkaklumas linkęs didėti (iki tam tikro taško),
– kietumas gali sumažėti, jei grūdai yra per dideli.
2. Pusiausvyros fazės susidarymas
Anglinio plieno atveju, lėtai aušinant austenitą, susidaro santykinai stambus perlitas (ferito ir cementito plokštelių mišinys). Stambus perlitas paprastai yra minkštesnis ir plastiškesnis nei smulkus perlitas.
3. Vidinės įtampos atpalaidavimas
Kadangi temperatūros pokytis yra lėtas, terminis gradientas yra mažas, todėl liekamosios įtampos yra mažesnės. Tai sumažina įtrūkimų dėl aušinimo riziką.
Praktiškai lėtas aušinimas pasirenkamas, kai proceso tikslas yra padidinti tąsumą, pagerinti apdirbamumą arba pašalinti liekamuosius įtempius po šaltojo apdirbimo.
3. Vidutinis aušinimas: kompromisas tarp stiprumo ir tvirtumo
Aušinimas vyksta tokiuose procesuose kaip normalizavimas (plieno kaitinimas iki austenito srities ir vėlesnis aušinimas ore). Aušinimo greitis yra didesnis nei atkaitinimo, bet ne toks greitas kaip grūdinimo.
Dėl to:
– grūdelių dydis paprastai mažesnis nei atkaitinimo atveju,
– perlitas susidaro smulkiau,
– mechaninės savybės paprastai būna subalansuotos: stiprumas ir kietumas padidėja, palyginti su atkaitinimu, o tąsumas išlieka gana geras.
Normalizavimas dažnai naudojamas mikrostruktūrai „normalizuoti“ po liejimo arba karšto valcavimo procesų, būtent siekiant sumažinti mikrosegregaciją, pagerinti struktūros vienodumą ir gauti stabilų savybių derinį.
4. Greitas aušinimas (grūdinimas): smulki arba metastabili struktūra
Greitas aušinimas, pavyzdžiui, grūdinimas vandenyje, aliejuje ar polimerų tirpaluose, sukuria didelį aušinimo greitį, kuris gali sustabdyti atomų difuziją. Kai kuriose sistemose tai sukelia kietesnių, metastabilių fazių susidarymą.
Garsiausias pavyzdys yra plienas:
– Plienas kaitinamas, kol tampa austenitu.
– Jei aušinamas labai greitai, austenitas nespėja virsti feritu + cementitu (perlitu / bainitu).
– Susidaro martensitas – anglies persotinta mikrostruktūra, pasižyminti labai kieta adatos / plokštelės forma.
Greito aušinimo charakteristikos:
1. Smurtas smarkiai išaugo
Martensitas yra labai kietas, bet kartu ir trapus. Todėl po grūdinimo dažnai atliekamas atleidimas – pakartotinis kaitinimas žemesnėje temperatūroje, siekiant padidinti tvirtumą ir sumažinti trapumą.
2. Labai smulki mikrostruktūra
Didelis aušinimo greitis paprastai sukuria smulkesnes mikrostruktūras. Smulki struktūra paprastai padidina stiprumą pagal Hall-Petch sąryšį (kuo mažesni grūdeliai, tuo didesnė takumo riba).
3. Didelis liekamasis įtempis ir deformacijos rizika
Dėl greito aušinimo susidaro didelis temperatūros gradientas tarp paviršiaus ir šerdies, dėl kurio atsiranda vidinių įtempių. Tai gali sukelti:
– gesinimo krekingas (gesinimo krekingas),
– formos pasikeitimas (deformacija),
– kietumo kitimas nuo paviršiaus iki vidaus, jei aušinimas netolygus.
Dėl šių rizikų labai svarbus tampa aušinimo terpės parinkimas ir proceso projektavimas (maišymas, komponentų dydis, geometrija).
5. Tipiniai plieno reiškiniai: TTT ir CCT diagramų vaidmuo
Norėdami kiekybiškiau suprasti aušinimo greičio poveikį plienui, metalurgai dažnai naudoja TTT (laiko-temperatūros-transformacijos) ir CCT (nuolatinio aušinimo transformacijos) diagramas. Šios diagramos rodo, kada austenitas pradeda ir baigia virsti perlitu, beinitu arba martensitu.
– Lėtai aušinant, temperatūros ir laiko kelias eina perlito susidarymo regionu → priklausomai nuo greičio susidaro stambus / smulkus perlitas.
– Greitesniam aušinimui trajektorija gali eiti per TTT kreivės „nosį“, todėl nesusidaro perlitas → susidaro bainitas arba martensitas.
Kitaip tariant, aušinimo greitis lemia galutinę fazę, taip pat kiekvienos fazės dalį, kuri galiausiai lemia mechanines savybes.
6. Aušinimo greičio poveikis spalvotiesiems metalams
Nors populiariausias pavyzdys yra plienas, principai plačiai taikomi ir kitiems lydiniams:
– Aliuminio lydiniai: greitas aušinimas po tirpalo terminio apdorojimo gali išlaikyti persotintą kietą tirpalą, kuris vėliau stiprinamas sendinimo / nusodinimo grūdinimo būdu. Aušinimo greitis turi įtakos nuosėdų dydžiui ir pasiskirstymui, o tai turi įtakos stiprumui.
– Vario ir žalvario lydiniai: aušinimas turi įtakos fazių pasiskirstymui ir tam tikrų nuosėdų susidarymui, o tai turi įtakos kietumui ir laidumui.
– Titano lydiniai: aušinimo greitis turi įtakos transformacijai iš beta į alfa fazę arba į tam tikrą martensitinę struktūrą, o tai turi įtakos stiprumo ir tvirtumo deriniui.
Daugelyje lydinių greitas aušinimas dažnai sukuria metastabilias struktūras, kurios vėliau modifikuojamos tolesniu apdorojimu, siekiant optimalių savybių.
7. Kesimpulanas
Aušinimo greitis turi esminės įtakos metalų mikrostruktūrai, nes jis kontroliuoja fazinių virsmų, vykstančių difuzijos arba greitų nedifuzinių mechanizmų būdu, mastą. Lėtas aušinimas paprastai sukuria grubesnę, beveik pusiausvyros mikrostruktūrą su mažais liekamaisiais įtempiais ir geresniu tąsumu. Vidutinis aušinimas siūlo kompromisą dėl smulkesnės mikrostruktūros ir subalansuotų savybių. Tuo tarpu greitas aušinimas gali sukurti labai smulkias arba metastabilias mikrostruktūras, tokias kaip martensitas pliene, kurios padidina kietumą ir stiprumą, tačiau rizikuoja padidinti liekamuosius įtempius, deformaciją ir trapumą.
Inžinerijos praktikoje nėra visuotinai pripažinto „geriausio aušinimo greičio“. Yra tik aušinimo greitis, kuris geriausiai atitinka lydinio sudėtį, komponento dydį, aušinimo terpę ir tikslines galutines savybes. Todėl aušinimo greičio valdymas – dažnai derinamas su vėlesniu terminiu apdorojimu – yra labai svarbus projektuojant metalus, kurie būtų saugūs, patikimi ir efektyvūs įvairioms pramonės reikmėms.
