Утицај легирајућих елемената на механичка својства метала
Чисти метали се ретко користе директно у инжењерским применама које захтевају високу чврстоћу, отпорност на хабање или жилавост у екстремним условима. Чисти алуминијум, на пример, је лаган и отпоран на корозију, али је релативно мекан. Чисто гвожђе је ковко, али му је чврстоћа ограничена. Стога, индустрија скоро увек користи металне легуре, које су основни метали помешани са другим елементима у одређеним пропорцијама како би се постигла супериорна комбинација својстава. Ови додати елементи називају се легирајући елементи, а њихов утицај на механичка својства - као што су затезна чврстоћа, тврдоћа, дуктилност, жилавост, отпорност на замор и отпорност на хабање - је значајан.
Основни концепт: зашто легирајући елементи мењају механичка својства?
Механичка својства метала одређена су њиховом микроструктуром: величином зрна, врстом и бројем фаза, расподелом талога и присуством кристалних дефеката као што су дислокације. Легирајући елементи утичу на ова својства кроз неколико кључних механизама:
1. Ојачавање чврстим раствором
Атоми легирајућих елемената могу заменити атоме основног метала (супституција) или попунити празнине између атома (интерстицијално). Разлике у величини атома и хемијском везивању стварају изобличења решетке која инхибирају кретање дислокација. То резултира повећаном чврстоћом и тврдоћом, али смањеном дуктилношћу.
2. Очвршћивање услед преципитације (очвршћивање услед старења)
Код одређених легура, термичка обрада производи финозрнасте честице талога (нпр. Al-Cu или Al-Mg-Si). Ови талози делују као „баријера“ за дислокације, драматично повећавајући чврстоћу.
3. Ојачавање формирањем тврдих фаза (нпр. карбиди, нитриди, интерметални једињења)
Елементи као што су Cr, V, W и Mo имају тенденцију да формирају тврде карбиде у челику. Ове тврде фазе повећавају тврдоћу и отпорност на хабање, али могу смањити жилавост ако су присутне у вишку или лоше распоређене.
4. Рафинирање зрна
Одређени елементи или металуршки процеси под утицајем легирајућих елемената могу произвести финија зрна. Финија зрна генерално повећавају границу течења и жилавост.
5. Промене у фазном дијаграму и термичкој обрадивости
Легирајући елементи могу стабилизовати одређене фазе, померити температуру трансформације и повећати каљивост. Код челика, на пример, додавање одређених елемената омогућава формирање мартензита чак и ако хлађење није веома брзо.
Утицај легирајућих елемената на челик: најопсежнији примери
Челик је најчешћи систем легура, првенствено зато што мале промене у садржају елемената могу произвести велике варијације у механичким својствима.
1. Угљеник (C)
Угљеник је најважнији легирајући елемент у челику. Повећава чврстоћу и тврдоћу кроз формирање цементита (Fe₃C) и способност формирања мартензита након каљења.
– Чврстоћа и тврдоћа: повећавају се са повећањем садржаја C.
– Издржљивост и жилавост: има тенденцију да се смањи када је C превисок.
– Отпорност на хабање: повећана због тврђе фазе.
Нискоугљенични челик је дуктилнији и лакши за заваривање, док је високоугљенични челик тврђи, али крхкији.
2. Манган (Mn)
Манган повећава чврстоћу кроз чврсти раствор и помаже у везивању сумпора да би се формирао MnS (смањујући краткоћу на топло).
– Чврстоћа и каљивост: повећане.
– Жилавост: може се повећати на умереним нивоима, али на високим нивоима је потребна микроструктурна контрола.
3. Хром (Cr)
Хром је најпознатији код нерђајућег челика, али се такође широко користи због своје чврстоће и отпорности на хабање.
– Отпорност на хабање и тврдоћа: повећане формирањем тврдих Cr карбида.
– Каљивост: повећана, омогућава каљење дебљих попречних пресека.
– Отпорност на корозију: повећава се када је довољно висока (генерално ≥ ~10,5% код нерђајућег челика) због формирања пасивног слоја Cr₂O₃.
– Ризик: прекомерни карбиди могу смањити жилавост.
4. Никл (Ni)
Никл је одличан појачивач жилавости, посебно на ниским температурама.
– Жилавост и дуктилност: повећане, помажу у спречавању кртог лома.
– Чврстоћа: повећана уз очување добре жилавости.
– Примена: Ni легирани челик за бродове, криогене резервоаре и компоненте које захтевају високу жилавост.
5. Молибден (Mo)
Молибден се широко користи за примене на високим температурама и за отпорност на омекшавање.
– Чврстоћа на високим температурама: повећана (боља отпорност на пузање).
– Каљивост: повећана.
– Отпорност на кртост услед отпуштања: Mo може помоћи у смањењу склоности ка кртости након отпуштања у одређеним температурним опсезима.
6. Ванадијум (V), Ниобијум (Nb), Титанијум (Ti)
Ови микролегирајући елементи су ефикасни чак и при ниским концентрацијама. Они формирају фине карбиде/нитриде и префињују зрно.
– Граница течења: значајно повећана финим талозима и префињењем зрна.
– Отпорност: може остати добра ако је контрола процеса одговарајућа.
– Примена: HSLA (високочврсти нисколегирани) челик за конструкције.
7. Силицијум (Si)
Силицијум је општи деоксидатор и такође јача чврсте растворе.
– Снага: повећана.
– Отпорност на оксидацију: повећава се под одређеним условима.
– Напомена: висок садржај Si може утицати на дуктилност и способност обликовања.
Утицај легирајућих елемената на легуре алуминијума
Алуминијум је веома осетљив на ојачавање таложењем. Стога је примарни легирајући елемент, Al, дизајниран да формира фине талоге кроз третман раствором и старење.
– Бакар (Cu): повећава високу чврстоћу (серија 2xxx) кроз таложење, али отпорност на корозију може да се смањи.
– Магнезијум (Mg): повећава чврстоћу и отпорност на корозију; заједно са Si формира Mg₂Si (серија 6xxx) који уравнотежује чврстоћу и обрадивост.
– Цинк (Zn) + Mg (и често Cu): производи веома јаке легуре (серија 7xxx), популарне у ваздухопловству, али неке композиције су подложне пуцању од корозије под напоном (SCC) и захтевају контролу топлоте и заштиту.
– Силицијум (Si): помаже у ливењу и, са Mg, подржава таложење.
Код алуминијума, повећана чврстоћа се често „плаћа“ смањеном дуктилношћу, као и осетљивошћу на корозију у одређеним комбинацијама елемената.
Утицај легирајућих елемената на легуре бакра и титанијума (на први поглед)
Код легура бакра, додатак Zn (месинга) повећава чврстоћу и обрадивост, док Sn (бронзе) повећава отпорност на хабање и донекле отпорност на корозију. Међутим, елементи са вишим садржајем легирајућих елемената генерално смањују електричну/топлотну проводљивост, што је значајан компромис код електричних компоненти.
У легурама титанијума, елементи попут Al стабилизују алфа фазу, док V и Mo стабилизују бета фазу. Алфа-бета легуре (нпр. Ti-6Al-4V) нуде комбинацију високе чврстоће, жилавости и отпорности на корозију, са ниском специфичном тежином. Механичка својства титанијума у великој мери зависе од формираних фаза и термичке обраде.
Однос између легирајућих елемената и главних механичких својстава
Ево резимеа често сретнутих односа:
– Затезна чврстоћа / граница течења: генерално се повећава са чврстим раствором, таложењем, финим зрнима и тврдим фазама.
– Тврдоћа: повећава се са мартензитом (у челику), талозима и карбидима/нитридима.
– Жилавост: често се смањује са повећањем чврстоће/тврдоће, али елементи попут Ni могу одржати жилавост.
– Ударна жилавост: под утицајем величине зрна, расподеле тврде фазе и присуства инклузија; Ni и префињење зрна обично помажу.
– Отпорност на замор: повећава се са хомогеном микроструктуром, малим инклузијама и повећаном чврстоћом; међутим, крупни талози/микропукотине се могу погоршати.
– Отпорност на хабање: повећана код тврдих карбида, мартензита и добре површинске тврдоће.
Пенутуп
Легирајући елементи су кључни „инжењерски алати“ у металургији за прилагођавање механичких својстава метала потребама примене. Одабиром врсте и концентрације елемената, а затим контролом процеса као што су термичка обрада, каљење и микроструктурна контрола, инжењери могу произвести материјале који су лагани, али чврсти, тврди, али жилави или отпорни на хабање и функционишу на високим температурама. Међутим, свако побољшање својстава обично долази са компромисима: повећана чврстоћа може смањити дуктилност, ојачавање таложењем може повећати ризик од одређене корозије, а фазе очвршћавања могу смањити жилавост ако се не контролишу. Стога је дизајн легуре увек равнотежа између састава, процеса и захтева за перформансама на терену.
