Hoe verandert het koude verwerkingsproces de treksterkte en ductiliteit van op nikkel-gebaseerde legeringen?

Koud bewerken, gedefinieerd als plastische vervorming van legeringen op nikkel-basis bij temperaturen onder hun herkristallisatietemperatuur (doorgaans kamertemperatuur tot 300 graden), veroorzaakt aanzienlijke veranderingen in de microstructuur van de legeringen, die op hun beurt hun treksterkte en ductiliteit wijzigen in eenruilrelatie-. De specifieke mechanismen en effecten worden hieronder uitgewerkt:

1. Mechanismen van microstructurele veranderingen veroorzaakt door koud werken

Koudvervormen verstoort de oorspronkelijke uniforme en stabiele microstructuur van op nikkel-gebaseerde legeringen door plastische vervorming, wat leidt tot de volgende belangrijke veranderingen:

Dislocatievermenigvuldiging en verwarring: Onder externe spanning wordt een groot aantal dislocaties gegenereerd in de legeringskorrels. Deze dislocaties bewegen en interageren met elkaar en vormen verwarde dislocatieclusters, celstructuren of dislocatiewanden. Hierdoor ontstaat een dislocatiezone met hoge{2}}dichtheid die de daaropvolgende dislocatiebeweging belemmert.

Korrelvervorming en fragmentatie: De oorspronkelijke gelijkassige korrels zijn langwerpig, afgeplat of zelfs gefragmenteerd in de vervormingsrichting, waardoor een vezelige microstructuur ontstaat. Voor door precipitatie-geharde nikkel- legeringen (bijv. Inconel 718) kan koudvervormen ook de vervorming van versterkingsfasen (bijv. '' fase) en hun uitlijning langs de vervormingsrichting veroorzaken.

Werkverhardend effect: De accumulatie van dislocaties en korrelvervorming verhoogt de interne energie van de legering, wat leidt tot het fenomeen van werkharding, wat de belangrijkste reden is voor de verandering in mechanische eigenschappen.

2. Effect op treksterkte: aanzienlijke verbetering

Koudvervormen is een effectieve methode om de treksterkte van op nikkel-gebaseerde legeringen te verbeteren, inclusief de vloeigrens en de treksterkte, via de volgende routes:

Versterking van dislocatie: De verwarde dislocaties en dichte dislocatiewanden fungeren als obstakels voor dislocatiebeweging. Wanneer de legering aan trekspanning wordt onderworpen, is extra kracht nodig om deze obstakels te overwinnen, wat resulteert in een sterke toename van de vloeigrens. De vloeisterkte van koudgewalste Inconel 625-legeringen kan bijvoorbeeld met 50%-80% toenemen vergeleken met de gegloeide toestand.

Versterking van graanverfijning (secundair effect): Ernstig koud bewerken kan grove korrels in fijne subkorrels versnipperen. Volgens de Hall-Petch-relatie betekenen fijnere korrels meer korrelgrenzen, wat de dislocatiebeweging verder kan belemmeren en kan bijdragen aan de verbetering van de kracht.

Synergetische versterking met neerslagfasen: Voor door precipitatie-geharde nikkel-legeringen bevordert koud bewerken de uniforme precipitatie van fijne versterkingsfasen tijdens de daaropvolgende verouderingsbehandeling. Deze fijne fasen werken samen met dislocaties om de treksterkte verder te verbeteren. De koudgetrokken Monel K-500-legering vertoont bijvoorbeeld een hogere treksterkte na veroudering dan de legering die alleen door veroudering wordt verwerkt.

De mate van krachtverbetering is positief gecorreleerd met dereductiepercentage bij koud werken(dat wil zeggen het percentage dikte of vermindering van het dwars{2}}oppervlak na vervorming). Hogere reductiesnelheden leiden tot een grotere accumulatie van dislocaties en korrelvervorming, wat resulteert in grotere krachtwinsten.

3. Effect op taaiheid: geleidelijke reductie

Hoewel de sterkte wordt verbeterd, vermindert koud bewerken onvermijdelijk de taaiheid van legeringen op nikkel-basis, gekenmerkt door verminderde rek en verkleining van het oppervlak:

Accumulatie van dislocaties-veroorzaakte broosheid: Een hoge dichtheid van verwarde dislocaties vermindert de mobiliteit van dislocaties in de korrels. Tijdens trekvervorming kan de legering niet voldoende plastische vervorming ondergaan door dislocatiebeweging, wat leidt tot vroegtijdige breuk en verminderde rek.

Initiatie van microscheuren: Ernstige koude vervorming kan de vorming van microscheuren veroorzaken op de grensvlakken tussen vervormde korrels of tussen korrels en versterkingsfasen. Deze microscheuren planten zich snel voort onder trekspanning, waardoor de ductiliteit verder verslechtert.

Anisotropie-effect: De vezelige microstructuur gevormd door koudvervormen maakt de ductiliteit van de legering anisotroop. De ductiliteit langs de vervormingsrichting is relatief beter, terwijl de ductiliteit loodrecht op de vervormingsrichting aanzienlijk afneemt.

Het is vermeldenswaard dat de ductiliteitsreductie niet lineair is. Wanneer de reductiesnelheid bij koud werken laag is (minder dan 10%), neemt de ductiliteit enigszins af; wanneer de reductiesnelheid groter is dan 30%, neemt de ductiliteit scherp af en heeft de legering de neiging bros te worden.

4. Herstel en herkristallisatie: de veranderingen in eigenschappen ongedaan maken

De veranderingen in treksterkte en ductiliteit veroorzaakt door koudvervormen zijn dat welomkeerbaardoor warmtebehandelingsprocessen zoals terugwinning en herkristallisatie:

Herstel: Het verwarmen van de koud-bewerkte legering tot een temperatuur onder de herkristallisatietemperatuur elimineert de interne spanning van de legering zonder de vezelige microstructuur te veranderen. Dit proces vermindert de sterkte enigszins en herstelt een kleine hoeveelheid taaiheid.

Herkristallisatie: Verwarming tot de herkristallisatietemperatuur (doorgaans 800 graden –1100 graden voor legeringen op basis van nikkel-) maakt de kernvorming en groei van nieuwe gelijkassige korrels mogelijk, ter vervanging van de vervormde vezelige microstructuur. Hierdoor wordt arbeidsharding volledig geëlimineerd, waardoor de taaiheid van de legering wordt hersteld naar de uitgegloeide toestand, terwijl de treksterkte dienovereenkomstig afneemt.

Samenvatting

Koud bewerken verbetert de treksterkte van op nikkel-gebaseerde legeringen door middel van dislocatieversterking en versterking van de korrelverfijning, terwijl de ductiliteit wordt verminderd als gevolg van dislocatieverwarring en microstructurele vervorming. De omvang van de eigenschapsveranderingen hangt af van het reductiepercentage bij koud werken. Bovendien kunnen de gewijzigde eigenschappen flexibel worden aangepast door daaropvolgende warmtebehandeling met herstel of herkristallisatie om te voldoen aan de eisen van mechanische eigenschappen van verschillende technische toepassingen.

Treksterkte en ductiliteit van nikkellegeringen