석출 경화

석출 경화(숙성 경화 또는 입자 경화라고도 함)는 알루미늄, 마그네슘, 니켈, 티타늄 및 일부 강철과 스테인리스강으로 이루어진 대부분의 구조 합금을 포함하여 가단성 재료의 항복 강도를 높이는 데 사용되는 열 처리 기술입니다.초합금에서는 항복강도 이상을 일으켜 뛰어난 고온강도를 제공하는 것으로 알려져 있다.

석출 경화는 온도에 따른 고체 용해도의 변화에 의존하여 불순물상의 미세 입자를 생성함으로써 전위의 움직임이나 결정 격자의 결함을 방해한다.전위는 종종 가소성의 주요 운반체이기 때문에, 이것은 재료를 경화시키는 역할을 합니다.불순물은 입자강화 복합재료에서 입자물질과 같은 역할을 한다.공기 중의 얼음의 형성이 대기의 특정 부분의 열 이력에 따라 구름, 눈 또는 우박을 만들 수 있는 것처럼, 고체의 강수량은 근본적으로 다른 특성을 가진 많은 크기의 입자를 만들 수 있습니다.일반적인 온도 조절과 달리, 합금은 비가 내릴 수 있도록 몇 시간 동안 높은 온도로 유지해야 합니다.이 시간 지연을 "에이징"이라고 합니다.용액 처리 및 노화는 금속 사양 및 인증서에서 "STA"로 약칭될 수 있습니다.

침전물과 관련된 두 가지 열처리가 재료의 강도를 변화시킬 수 있습니다. 즉, 용액 열처리와 석출 열처리가 그것입니다.고체용액 강화는 담금질을 통한 단상 고체용액의 형성을 수반한다.석출 열처리는 ^[1]물질의 강도를 높이기 위해 불순물 입자를 추가하는 것을 포함합니다.

동역학 대 열역학

이 기술은 과포화 현상을 이용하며, 바람직한 프로세스와 바람직하지 않은 프로세스 모두에서 사용 가능한 열활성화 에너지와 강수 추진력의 신중한 균형을 필요로 합니다.

핵생성은 표면 에너지의 운동 장벽을 더 쉽게 극복하고 최대 수의 침전 입자가 형성될 수 있도록 비교적 높은 온도(종종 용해도 한계 바로 아래)에서 발생합니다.이 입자들은 노화라고 불리는 과정에서 낮은 온도에서 자라게 됩니다.이는 열역학이 더 많은 총 침전물 형성을 유도하기 위해 낮은 용해도 조건에서 수행됩니다.

온도에 대한 확산의 기하급수적인 의존성은 모든 열처리와 마찬가지로 강수량 강화를 상당히 섬세한 과정으로 만듭니다.확산이 너무 적고(노화 부족), 입자가 너무 작아서 전위를 효과적으로 방해할 수 없으며(노화 과다), 그리고 대부분의 전위와 상호작용하기엔 너무 크고 분산될 것이다.

합금 설계

고체용해도선이 위상도의 중심을 향해 강하게 기울어져 있으면 강수강화가 가능하다.많은 양의 석출 입자가 바람직하지만 적당한 아닐 온도에서 쉽게 용해될 수 있도록 충분한 양의 합금 원소를 추가해야 합니다.많은 양이 필요하지만, 아래에 설명된 바와 같이 강도가 저하되는 것을 방지하기 위해 작은 입자 크기를 원합니다.

일반적인 알루미늄 및 티타늄 합금의 석출 강화에 사용되는 원소는 조성의 약 10%를 차지합니다.이원 합금은 학술적인 연습으로 더 쉽게 이해되지만, 상업용 합금은 Al(Mg, Cu) 및 Ti(Al, V)와 같은 구성 요소에서 강수 강화에 세 가지 성분을 사용하는 경우가 많습니다.많은 다른 성분들은 의도하지 않았지만 양성일 수도 있고, 곡물 정제 또는 내식성 등의 다른 목적으로 첨가될 수도 있다.예를 들어, Sc와 Zr을 알루미늄 합금에 추가하여 곡립을 정제하고 ^[2]재료를 강화하는 FCC L1₂ 구조를 형성하는 것이 있습니다.많은 알루미늄 합금과 같은 경우에 내식성을 희생하여 강도를 높입니다.보다 최근의 기술은 빠른 냉각으로 인해 얻을 수 있는 더 많은 준안정 상으로 인해 적층 제조에 초점을 맞추고 있는 반면, 기존의 주조 기술은 평형 ^[3]상으로 제한되었습니다.

스테인리스강의 내식성을 위해 많은 양의 니켈과 크롬을 첨가하는 것은 기존의 경화 및 담금질 방법이 효과적이지 않다는 것을 의미합니다.그러나 크롬, 구리 또는 기타 원소의 침전물은 경화 및 담금질에 비해 강철을 비슷한 양만큼 강화시킬 수 있다.강도는 어닐링 프로세스를 조정하여 조정할 수 있으며 초기 온도가 낮아지면 강도가 높아집니다.낮은 초기 온도는 핵 형성의 추진력을 증가시킨다.구동력이 높을수록 핵생성 부위가 많아지고, 부위가 많을수록 완성된 부품이 사용 중일 때 전위가 중단되는 부위가 많아진다.

많은 합금 시스템에서는 노화 온도를 조정할 수 있습니다.예를 들어 항공기 제작용 리벳을 만드는 데 사용되는 일부 알루미늄 합금은 초기 열처리부터 구조물에 설치될 때까지 드라이아이스에 보관됩니다.이 유형의 리벳이 최종 형상으로 변형되면 상온에서 노화가 발생하고 강도가 증가하여 구조물이 함께 고정됩니다.노화 온도가 높으면 구조물의 다른 부분이 과도하게 노화될 위험이 있으며, 높은 노화 온도는 침전물의 성장을 촉진하기 때문에 고가의 조립 후 열처리가 필요합니다.

경화의 종류

매트릭스를 침전물에 의해 경화시키는 방법은 여러 가지가 있으며, 이는 또한 침전물의 변형과 비변형 ^[4]침전물에 대해서도 다를 수 있다.

변형 입자(약침전물):

코히렌시 경화는 입자와 매트릭스 사이의 인터페이스가 일관성이 있을 때 발생하며, 이는 입자의 크기와 입자가 유입되는 방식과 같은 매개변수에 따라 달라집니다.일관성은 침전물의 격자와 매트릭스의 격자가 ^[5]계면 전체에 걸쳐 연속되는 부분입니다.과포화 고체 용액에서 침전된 작은 입자는 일반적으로 매트릭스와 일관된 계면을 가지고 있습니다.코히렌시 경화는 코히렌시 왜곡을 초래하는 침전물과 매트릭스 사이의 원자 부피 차이에서 비롯된다.침전물의 원자 부피가 작으면 격자 원자가 정상 상태보다 가까이 위치하기 때문에 장력이 발생하지만, 침전물의 원자 부피가 크면 격자 원자가 정상 위치보다 멀리 떨어져 압축된다.격자가 압축 상태인지 장력 상태인지에 관계없이 관련 응력장은 전위와 상호작용하여 전위의 반발 또는 흡인력에 의해 전위 운동을 감소시키고, 이는 고용체 강화의 크기 효과와 유사한 항복 강도를 증가시킨다.이 메커니즘이 고체 용액 강화와 다른 점은 침전물이 원자가 아니라 일정한 크기를 가지고 있다는 사실이며, 따라서 전위와 더 강한 상호작용을 한다는 것이다.

계수경화는 침전물과 매트릭스의 다른 전단계수에 의해 발생하며, 이는 전위선이 침전물을 절단할 때 전위선 장력의 에너지 변화로 이어진다.또한 침전물에 진입할 때 전위선이 휘어져 전위선의 영향을 받는 길이가 증가할 수 있다.다시, 강화는 고체 솔루션 강화와 유사한 방식으로 발생하며, 이 경우 전위와 상호작용하는 격자에 불일치가 있어 움직임을 방해한다.물론, 상호작용의 심각도는 고체 솔루션과 일관성 강화의 심각도와는 다르다.

화학적 강화는 입자가 전위에 의해 전단될 때 새롭게 도입된 침전 매트릭스 계면의 표면 에너지와 관련된다.표면을 만드는 데 에너지가 필요하기 때문에, 전위 운동을 일으키는 응력의 일부는 추가 표면에 의해 수용됩니다.계수경화와 마찬가지로 전위선 왜곡에 의해 계면영역의 분석이 복잡해질 수 있다.

질서강화는 침전물이 전단 전후의 결합에너지가 다른 질서구조일 때 발생한다.예를 들어 AB조성의 순서입방정에서는 전단 후의 A-A, B-B의 결합에너지가 종전의 A-B 결합에너지보다 높다.단위 면적당 관련 에너지 증가는 반상 경계 에너지이며 전위가 입자를 통과함에 따라 점진적으로 축적됩니다.단, 두 번째 전위는 입자를 통과할 때 첫 번째 전위가 남긴 반상 도메인을 제거할 수 있습니다.입자의 흡인력과 첫 번째 전위의 반발력은 두 전위 사이의 균형 잡힌 거리를 유지하며, 이는 질서 강화를 더욱 복잡하게 만든다.미립자가 매우 많은 경우를 제외하고, 이 메커니즘은 일반적으로 다른 메커니즘만큼 강화 효과가 없습니다.이 메커니즘을 고려하는 또 다른 방법은 전위가 입자를 전단할 때 만들어진 새로운 표면과 매트릭스 사이의 스택 시퀀스가 파괴되어 접합 상태가 안정적이지 않다는 것이다.이 인터페이스에 시퀀스를 되돌리려면 스택을 이동하기 위해 다른 전위가 필요합니다.첫 번째와 두 번째 전위는 종종 초전위라고 불립니다.이러한 입자를 전단하기 위해서는 초전위가 필요하기 때문에 전위운동이 감소하여 강화되고 있다.

변형되지 않는 입자(강력한 침전물):

간격이 충분히 좁거나 침전 매트릭스 계면이 흐트러진 비변형 입자는 전단 대신 전위 활을 사용한다.강화는 입자 강도가 아니라 한정된 입자 크기를 고려한 입자 간 유효 간격과 관련이 있는데, 이는 입자가 일단 전위가 절단되지 않고 휘어질 정도로 강하면 전위 침투 저항이 더 이상 증가하지 않기 때문이다.따라서 주요 메커니즘은 강한 입자가 전위를 통과하지 못하게 하는 Orowan 강화이다.따라서 굽힘이 발생해야 하며, 굽힘이 발생할 경우 전위 루프가 형성되어 추가적인 전위가 활 사이에 발생할 수 있는 공간이 줄어들 수 있습니다.전위가 입자를 전단할 수 없고 입자를 통과할 수 없는 경우 전위운동이 정상적으로 저지된다.

이론.

강수 강화의 주요 종류는 2상 입자입니다.이 입자들은 격자 전체에 걸쳐 전위의 움직임을 방해한다.제2상 입자가 입자의 위상도상의 솔리더스 선에서 용액에 침전될지 여부를 결정할 수 있습니다.물리적으로 이러한 강화 효과는 크기와 계수 효과, 그리고 계면 에너지 또는 ^[4]^[6]표면 에너지 모두에 기인할 수 있다.

2상 입자의 존재는 종종 격자 왜곡을 일으킨다.이러한 격자 왜곡은 침전 입자의 크기와 결정학적 구조가 숙주 원자와 다를 때 발생합니다.숙주 격자의 작은 침전 입자는 인장 응력으로 이어지는 반면, 큰 침전 입자는 압축 응력으로 이어진다.전위 결점도 스트레스 필드를 생성합니다.탈구 위에는 압축 응력이 있고 아래에는 인장 응력이 있습니다.그 결과, 각각 압축응력과 인장응력을 발생시키는 전위와 침전물 사이에 음의 상호작용 에너지가 존재하게 된다.즉, 전위는 침전물에 끌리게 된다.또한, 전위와 침전물 사이에는 동일한 유형의 응력장을 갖는 양의 상호작용 에너지가 있습니다.이것은 전위가 침전물에 의해 거부된다는 것을 의미한다.

침전 입자는 재료의 강성을 국소적으로 변화시키는 역할도 한다.전위는 강성이 높은 부위에 의해 거부됩니다.반대로 침전물이 재료를 국소적으로 더 잘 준수하게 하는 경우 전위는 해당 영역으로 유인된다.또, 3 종류의 상간 경계(IPB)가 있습니다.

첫 번째 유형은 일관성이 있거나 순서가 있는 IPB이며, 원자는 경계를 따라 하나씩 일치합니다.두 위상의 격자 파라미터의 차이로 인해 일관성 변형 에너지가 이 유형의 경계와 관련된다.두 번째 유형은 완전 무질서한 IPB로 일관성 균주는 없지만 입자는 전위에 대해 변형되지 않는 경향이 있습니다.마지막은 부분적으로 순서가 매겨진 IPB이기 때문에 연속성 균주는 경계를 따라 정기적으로 전위를 도입함으로써 부분적으로 완화된다.

행렬의 간섭성 침전물에서, 만약 침전이 행렬의 것보다 작은 격자 매개변수를 가지고 있다면, IPB를 통한 원자 매칭은 이동 전위와 상호작용하는 내부 응력장으로 이어진다.

두 가지 변형 경로가 있습니다. 하나는 일관성 경화이고, 격자 불일치는

({displaystyle\varepsilon_{coh}=subscfrac {a_{p}-a_{m}}) {a_{a_{m}}}

_{coh}=7G\left \varepsilon _{coh}\right ^{\frac {3}{2}}\left flac {b}\right}^{\frac {1}{2}

$G$ 서G(\ $displaystyle$ G $)$ 는 $G$ $\varepsilon _{coh}$ 전단 계수, $\varepsilon _{coh}$ $\varepsilon _{coh}$ h(\ $displaystyle \varepsilon$ _ ${coh})$ 는 간섭 격자 불일치, $(\displaystyle$ r $)$ 은 $r$ 입자 반지름, $f$ (\ $displaystyle$ f $)$ 는 $f$ 입자 부피율, $b$ (\ $displaystyle$ b $)$ 는 $rf/b$ 버거 $b$ 벡터 $rf/b$ $/$ (\ $displaystyle/b)$ e)입니다.집중력을 떨어뜨립니다.

다른 하나는 모듈러스 경화입니다.전위 에너지의 $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ 는 U $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ $=$ $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ m $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ 2 / $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ ({ $디스플레이 스타일 U_{$ m}= $G_{m}b^{2$ }/2 $U_{m}=G_{m}b^{2}/2$ 이며, 침전물을 통과할 때 에너지는 $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$ $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$ $=$ G $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$ $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$ / 2 ({ $디스플레이 스타일 U_{p}=G_{pb}^{2}^2$ } 라인의 변화 에너지입니다 $U_{p}=G_{p}b^{2}/2$

\bigtriangleup {U}=\left(U_{p}-U_{m}\right)2r=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}r

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(

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-

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m )

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r

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(

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p -

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)

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r ( \ displaystyle \

big triangleup

{ U }

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= \

left

( U _ {

p

} - U _ {

m

} \

right

) 2 r

=

\

left

( G _ { p } -

G

_ {

m

} \

r

영향을 받는 최대 전위 길이는 입경이며, 라인 장력은 r $\displaystyle$ r $}$ 과 $r$ 거리에 걸쳐 점진적으로 변화합니다.전위와 침전물 사이의 상호작용력은

F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}

F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}

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G

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-

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G

F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}

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2

F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}

G

F={dU \over dr}=\left(G_{p}-G_{m}\right)b^{2}=G_{m}b^{2}{\frac {G_{p}-G_{m}}{G_{m}}}=G_{m}b^{2}\varepsilon _{Gp}

= {

dU \over

} = \

left

(

G _

{

p

} -

G _

{

m

} = {

m }

또한 전위는 침전 입자를 절단하여 화학적 강화인 침전 매트릭스 계면을 더 도입할 수 있다.전위가 입자 안으로 들어가 입자 안에 있을 때, 하부에 대한 입자 전단 b의 상부는 전위 진입을 수반한다.전위치가 입자를 벗어날 때도 같은 프로세스가 발생합니다.완전한 통과는 약 $A=2\pi rb\,\!$ $A=2\pi rb\,\!$ $A=2\pi rb\,\!$ $A=2\pi rb\,\!$ { $displaystyle$ A $=2\pi$ rb $A=2\pi rb\,\!$ 의 매트릭스 자극 표면적을 생성한다. 여기서 r은 입자의 반지름이고 b는 버거 벡터의 크기이다.결과적으로 표면 에너지가 증가하면 $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ b † $E=2\pi rb\gamma _{s}\,\!$ $displaystyle$ E $=2\pi$ rb $\displays$ 이 됩니다. 여기서 $\gamma _{s}$ s ${\$ \ $displays}$ 는 $\gamma _{s}$ 표면 에너지입니다.전위와 입자 사이의 최대 힘은 $F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!$ m $F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!$ x $=$ r $F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!$ s $displaystyle F_$ {max}=\ $pi$ r $\display_$ ${s$ $F_{max}=\pi r\gamma _{s}\,\!$ 입니다. 이에 대응하는 흐름 $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ 는 $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ a $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ x/ $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ = r $π$ s $\Delta \tau =F_{max}/bL=\pi r\gamma _{s}/bL$ \ $display \Delta_Delf$ = ${\$ delf}이어야 합니다. $L=\pi$ r $\pi$ _ ${s}/bL$ 입니다.

입자가 전위에 의해 전단될 때, 입자를 변형시키기 위해 역치 전단 응력이 필요하다.필요한 전단 응력에 대한 식은 다음과 같다.

{\displaystyle \tau =cG\varepsilon ^{\frac{3}{2}}\left({\frac{rf}{b}}\right)^{\frac{1}{2}}}.

그 침전물 크기 작으면 필요한 전단 응력 τ{\displaystyle \tau}이 침전물 크기로 r1/2{\displaystyle r^{1/2}}, 단, 고정 입자 볼륨 일부분을, 이 스트레스 r의 큰 값 입자 간격의 증가로 때문에 줄어들 것 비례한다.그 곡선에 대한 전반적인 수준이거나 고유 입자 힘이나 입자 볼륨 일부분의 증가에 의해 길러진다.

그 탈구는 또한 소위Orowan 메커니즘을 통해 침전물을 입자 주위에 인사할 수 있다.

이후 그 입자non-deforming은면 입자들은 주변의 탈구 활(ϕ c)0{\displaystyle \phi_{c}=0}), 스트레스는 푸줏간 주인장에 영향을 미치는 데 필요한 반비례가 분자 간 간격(L− 2r){\displaystyle(L-2r)}는τ b=Gb/(L− 2r){\displaystyle \tau_{b}=Gb/(L-2은 정비례한다.R)}, r{r\displaystyle}은 입자 됩니다.Dislocation 루프 바이 패스 수술 후 입자를 일주하다., 그 후의 탈구 루프를 사이에 분출되야 할 것이다.따라서, 두번째 탈구의 효과적인 입자 간격 r′이 탈구에>r{\displaystyle r'>, r}, 푸줏간 주인장 스트레스τ야 한다 b′)G는 firs보다 큰 경우 b/(L− 2r′){\displaystyle \tau_{b}(L-2r의)}과{\displaystyle(L-2r의)}(L− 2r′)로 감소한다.하나 있어. 하지만, 입자 증가의 반지름으로, L{L\displaystyle}이 침전물의 같은 볼륨 일부분을 유지하기 위해,(L− 2r){\displaystyle(L-2r)}과τ}감소할 것 b{\displaystyle \tau_{b}을 증가시킬 것으로 예상했다.로 침전물 크기도 증가한 결과, 이 물질은 보일 것이다.

고정입자 부피 분율은 r의 증가에 따라 입자 간격이 증가하므로 $\tau _{b}$ b(\ $displaystyle\tau_{b})$ 가 $\tau _{b}$ 감소한다.

반면 f $\style$ f가 $f$ $f$ 하면 입자 간격이 미세하여 응력 수준이 증가합니다. $\tau _{b}$ b ( \ $displaystyle$ \ $tau$ _ { $b$ } )의 $\tau _{b}$ 레벨은 입자 강도의 영향을 받지 않습니다.즉, 일단 파티클이 절단에 저항할 수 있을 정도로 강해진 후에는 전위 침투에 대한 저항이 더 이상 증가해도 매트릭스 특성 및 유효 파티클 간격에만 $\tau _{b}$ 하는 ${\$ b ${\displaystyle$ \ $tau _{$ b $\tau _{b}$ 에는 영향을 주지 않습니다.

만약 한 볼륨 일부분 f1{\displaystyle f_{1}의 입자}은. 기질에 분산된 cutti, 입자 r<>;rc1{\displaystyle r<, r_{c1}}과 r을을 우회, rc1{\displaystyle r>, r_{c1}}, 최대의 힘 r에서 구한 경우)rc1{\displaystyle r=r_{c1}}, 베어낸 있다.쇼핑과 bowing 응력은 동일합니다.부피분율이 같은 B의 경질입자가 본질적으로 존재하는 경우에는 $\$ 곡선의 $\tau _{c}$ 수준은 증가하지만 $\$ 곡선의 $\tau _{b}$ 수준은 증가하지 않는다.최대 경화는 A입자보다 큰 $r_{c2}<r_{c1}$ $r_{c2}<r_{c1}$ 2 $r_{c2}<r_{c1}$ < $r_{c2}<r_{c1}$ $r_{c2}<r_{c1}$ \ $displaystyle r$ _ { $c$ } < $r$ _ { $c$ } $r_{c2}<r_{c1}$ 。A의 부피율을 높이면 $\tau _{b}$ b \ $displaystyle \ tau$ _ { b $\tau _{b}$ } 및 $\tau _{b}$ $\tau _{c}$ c \ $displaystyle$ \ $tau$ _ { $c$ }의 $\tau _{c}$ 레벨이 높아져 최대 강도를 얻을 수 있습니다.후자는 r $r_{c3}$ 3 $(\$ 에서 찾을 수 있습니다.이는 $\tau -r$ - $(\displaystyle \tau -r)$ 곡선의 $\tau -r$ 형상에 따라 r $r_{c1}$ 1 $(\$ 보다 $r_{c1}$ 작거나 클 수 있습니다.

지배 방정식

약한 침전물과 강한 침전물에 기초한 두 가지 강수 경화 메커니즘을 설명하는 두 가지 주요 방정식이 있다.약한 침전물은 전위에 의해 절단될 수 있지만 강한 침전물은 전위에 의해 절단될 수 없으므로 전위는 휘어져야 한다.첫째,^[7] 전위선 장력의 관점에서 이 두 가지 메커니즘 간의 차이를 고려하는 것이 중요합니다.라인 텐션 밸런스 방정식은 다음과 같습니다.

({displaystyle\tau\cong{L'}cos({\frac\phi_{c}}{2}}))

여기서 " $\$ 는 $\phi _{c}$ 특정 응력에서의 전위반경입니다.강한 장애물은 탈구 휘어짐으로 인해 $\phi _{c}$ † $\phi _{c}$ \ $display$ style \ $phi$ _ ${c}$ 가 $\phi _{c}$ 됩니다.그러나 장애물 강도가 감소하면 $\phi _{c}$ c $\$ _ ${c}$ 가 $\phi _{c}$ 증가하므로 계산에 포함되어야 합니다.L'은 장애물 L 사이의 유효 간격과도 같다.이로 인해 강력한 장애물에 대한 방정식이 남습니다.

({displaystyle\tau_{strong}\cong {frac {Gb}{L}) cos({\frac {phi _{c}}{2}})})

약한 입자를 고려할 때 전위선이 장애물을 통해 비교적 직진하기 때문에 $\phi _{c}$ c \ $display$ $style$ $\phi$ _ { $\phi _{c}$ $circ }$ 는 $180^{\circ }$ 180 $\phi _{c}$ $180^{\circ }$ 에 가까워질 것입니다.또한 L'은 다음과 같습니다.

L'_{weak}={L}{cos(\frac {phi _{c}}{2}}}}

약입자 방정식을 나타냅니다.

\displaystyle \tau _{weak}\cong {frac {Gb} {L} cos({\frac {phi _{c}} {2}})}

이제 각 체제의 메커니즘을 살펴보겠습니다.

입자를 절단하는 전위:초기 강화에서는 $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ 3 $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ ( $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ r / $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ ) $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ 2 $\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}$ ( $displaystyle$ $\epsilon$ $\ epsilon$ ^ { \ $tfrac {3}$ ${$ 2} ( $fr/b)^{\tfrac {1}{$ 2 $}}$ 이 증가합니다.여기서 $display$ { displaystyle \ $epsilon$ $}$ 는 $\epsilon$ 치수가 없는 미스매치 $파라미터$ 입니다.nge of lexant and matrix ratitar parameter) $f$ {\ $displaystyle$ f $}$ 는 $f$ 침전물의 부피율, $r$ ${\displaystyle$ r $}$ 은 $r$ 침전물 반지름, $b$ {\ $displaystyle$ b $}$ 는 $b$ 버거스 벡터의 크기이다.이 관계에 따라 재료의 강도는 미스매치, 부피율, 입자크기가 증가함에 따라 증가하므로 반경이 작은 입자를 절단하기 쉬워진다.

절삭을 통한 다양한 경화 형태에 대한 지배 공식은 다음과 같습니다.

코히렌시 경화의 경우,

$\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ h $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ = $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ G $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ 2 ( $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ / $\tau _{coh}=7G\left|\epsilon _{coh}\right|^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ ) $1$ \ $displaystyle$ _ { coh } = $7G \ left$ \ $explilon _$ { coh } \ right ^ { \ $frac {3}$ { $2}$ / b ）、

$\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ § $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ h $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ ( $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ - $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ a $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ ) / $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ \ $displaystyle$ \ $explon _$ { coh } = ( $a$ _ { $p$ } - a _ { m } ) / a $_$ { $\epsilon _{coh}=(a_{p}-a_{m})/a_{m}$ m } ,

여기서 $\tau$ δ { $displaystyle \tau}$ 는 $\tau$ 전단응력 증가, G ${\displaystyle$ G $}$ 는 $G$ 매트릭스의 전단계수, $a_{p}$ p {\ $displaystyle a_{p}$ $a_{p}$ $a_{m}$ {\ $displaystyle a_{m}$ 는 $a_{m}$ 침전물 또는 매트릭스의 격자 파라미터이다.

모듈러스 경화의 경우,

$\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ p $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ 0. $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ G $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ 3 $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ ( $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ / $\tau _{G_{p}}=0.01G\epsilon _{G_{p}}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ ) $1$ \ $display \ silon$ _ { G _ { G _ { p } = 0. $01$ G \ $epsilon _$ { G _ { p }^{\ $frac {3}$ {2} $（ fr$ / b ）、

$\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ G $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ ( $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ - $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ G $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ ) / $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ G $m$ \ $displaystyle$ \ $explilon _$ { G _ { p } = \ $left$ ( G _ { p } - $G$ _ { $m$ } \ right ) / $G$ _ $\epsilon _{G_{p}}=\left(G_{p}-G_{m}\right)/G_{m}$ { $m$ } ,

$G_{p}$ 서 G $G_{p}$ p \ $displaystyle G_{p}$ 및 $G_{p}$ $G_{m}$ m \ $G_{m}$ 은 $G_{m}$ 침전물 또는 매트릭스의 전단 계수이다.

화학 강화의 경우,

$\tau _{chem}=2G\epsilon _{ch}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$ $G\epsilon$ _ ${ch}^{\frac {3}{2}}}(fr/b)^{\frac {1}{2$

$\epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr$ c h $\epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr$ = $\epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr$ $\epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr$ / $\epsilon _{ch}=\gamma _{s}/Gr$ r \ $displaystyle$ _ { $ch$ } = \ $displays _$ { s } / $Gr$ 、

여기서 $\gamma _{s}$ s $\gamma _{s}$ \ $displaystyle$ \ $displays$ _ { $s$ }는 $\gamma _{s}$ 입자-입자-입자 간 표면 에너지입니다.

전위 입자 절단 및 휘어짐/루핑

질서 강화를 위해

$\displaystyle _{ord}=0.7G\epsilon _{ord}^{\frac {3}{2}}(fr/b)^{\frac {1}{2}}$

(low $\epsilon _{ord}$ $\epsilon _{ord}$ r $\epsilon _{ord}$ \ $displaystyle _{ord$ 초기 강수량), 전위가 광범위하게 분리되어 있는 경우

$\displaystyle _{ord}=0.7G\left(\epsilon _{ord}^{\tfrac {3}{2}}(fr/b)^{\tfrac {1}{2}}-0.7\epsilon _{ord}f\right)})$

( $높은$ $\epsilon _{ord}$ \ $displaystyle _ {ord$ 초기 강수량). $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ r $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ P $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ s $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ $\epsilon _{ord}={\frac {APBE_{s}}{Gb}}$ { $displaystyle _$ { } $= fac$ { $APBE$ _ { $s$ } { $Gb$ ) 、 $APBE_{s}$ $APBE_{s}$ $eDISPLAYLE$ _ { Gb } $。$

입자 주위로 휘어지는 전위:침전물이 전위 침투에 저항할 수 있을 정도로 강할 때 전위 보우 및 최대 응력은 오로완 방정식에 의해 주어진다.오로완 ^[8]강화라고도 불리는 전위 굴곡은 재료의 입자 밀도가 낮을 때 발생할 가능성이 더 높습니다.

(\displaystyle \displaystyle = flac {Gb} {L-2r}},\!)

여기서 $\tau$ ${\displaystyle$ \ $tau$ $은$ 재료 강도 $,$ G {\ $displaystyle$ G $G$ }는 전단 계수 $,$ b {\ $displaystyle$ b $}$ 는 $b$ 버거스 벡터의 크기, $L$ {\ $displaystyle$ L $}$ 은 $L$ 핀 접속점 사이의 거리, $r$ {\ $displaystyle$ r $}$ 은 $r$ 2상 입자 반지름입니다.이 지배 방정식은 전위 휘어짐의 경우 강도는 2상 입자 $반지름$ r ${displaystyle$ r $r$ 에 반비례한다는 것을 보여준다. 왜냐하면 침전물의 체적 비율이 고정되면 입자 간 $간격$ L ${displaystyle$ L $}$ 이 $L$ 입자 $반지름$ r ${displays$ }와 동시에 증가하기 때문이다. $tyle r}$ , therefore $L-2r$ increases with $r$ .

이러한 지배 방정식은 석출 경화 메커니즘이 석출 입자의 크기에 따라 달라진다는 것을 보여준다. $small$ r {\ $displaystyle$ r $r$ 에서는 커팅이 우세하지만 $large$ r {\ $displaystyle$ r $r$ 에서는 절이 우세합니다.

두 방정식의 그래프를 보면 최대 강화가 발생하는 임계 반경이 있음을 알 수 있습니다.이 임계 반경은 보통 5~30 nm입니다.

위의 Orowan 강화 모델은 굽힘으로 인한 전위 변화를 무시합니다.휘어지는 현상을 설명하고 프랭크-리드 메커니즘의 불안정성 조건을 가정할 경우 핀 연결 세그먼트 사이의 휘어지는 전위에 대한 임계 응력은 다음과 같이 설명할 수 있다.

$_{c}=A(\theta){\frac {Gb}{2\pi L^{'}}}ln\left({\frac {L^{'}}}{r}}\right}}}$

$A$ 서A(\ $displaystyle$ A $)$ 는 $A$ ${\(\displaystyle \theta$ 의 함수이고, $\theta$ ${\(\$ $displaystyle \theta)$ 는 $\theta$ 전위선과 버거 벡터 사이의 각도, $displaystyle$ L $^{'})$ 은 $L^{'}$ 유효 입자 분리, $b$ (\ $displaystyle$ b $)$ 는 $b$ 버거 $r$ $r$ 입니다 $.$ 입자의 반지름

기타 고려사항

입자 크기 관리

다결정 재료의 침전물은 입자 경계 근처에 있거나 핵이 형성되어 있으면 곡물 정제제로 작용할 수 있으며, 합금으로 입자 경계를 고정하고 거친 미세 구조를 허용하지 않습니다.미세구조가 실온에서 거친(기계적 특성)보다 성능이 뛰어난 경우가 많기 때문에 이 방법은 도움이 됩니다.최근에는 크리프 조건 하에서 나노 프리시플릿이 연구되고 있다.이러한 침전물은 또한 더 높은 온도에서 입자 경계를 고정할 수 있으며, 기본적으로 "마찰" 역할을 합니다.또 다른 유용한 효과는 매우 미세한 침전물이 확산 크리프 조건 하에서 입자 경계 접동을 방해할 수 있으며, 만약 침전물이 매트릭스 내에서 균일하게 분산되어 있다면, 입자 내의 이러한 동일한 침전물은 크리프 전위 크리프 ^[10]조건 하에서 전위와 상호작용할 수 있다.

이차 침전물

다른 침전물은 원소 조성에 따라 이전에 없었던 특정 노화 조건 하에서 형성될 수 있습니다.2차 침전은 매트릭스 고체 용액 상태에서 용질을 제거함으로써 발생할 수 있다.이 제어는 미세구조 및 영향 ^[11]속성을 제어하기 위해 악용될 수 있습니다.

새로운 합금의 계산적 발견

새로운 합금을 개발하기 위해 상당한 노력을 기울였지만, 실험 결과를 구현하려면 시간과 비용이 필요합니다.한 가지 가능한 대안은 밀도 함수 이론으로 시뮬레이션을 하는 것입니다. 이 이론은, 강수 경화의 맥락에서, 침전물과 매트릭스의 결정 구조를 활용할 수 있고, 전통적인 형태의 실험보다 훨씬 더 많은 대안을 탐구할 수 있습니다.

이러한 시뮬레이션을 위한 한 가지 전략은 많은 시스템에서 ^[12]^[13]^[14]관찰된 장기 적층 순서(LPSO) 구조와 같이 많은 금속 합금에서 찾을 수 있는 순서 구조에 초점을 맞추는 것입니다.LPSO 구조는 한 축을 따라 길게 채워져 있으며, 일부 층은 침전된 요소로 농축되어 있습니다.이를 통해 슈퍼셀의 대칭성을 이용할 수 있으며 현재 이용 가능한 DFT ^[15]방법에 적합합니다.

이러한 방식으로 일부 연구자들은 일부 금속 ^[16]합금의 무게를 줄일 수 있는 가능한 강화 침전물을 선별하는 전략을 개발했습니다.예를 들어, Mg-합금은 경량 구조용 금속 중 하나이기 때문에 자동차 업계에서 알루미늄과 강철을 대체하기 위한 지속적인 관심을 받고 있습니다.그러나 Mg 합금은 사용이 제한된 낮은 강도와 연성의 문제를 보여줍니다.이를 극복하기 위해 희토류 원소의 추가를 통해 석출 경화 기술을 사용하여 합금의 강도와 연성을 개선했습니다.특히, 이러한 증가를 일으키는 LPSO 구조가 확인되었으며, 상온에서 ^[17]신장률 5%에서 610 MPa의 높은 항복 강도를 보이는 Mg 합금을 생성했습니다.

이러한 방식으로 일부 연구자들은 희귀 원소보다 저렴한 대체 원소를 찾는 전략을 개발했습니다. 이 시스템은 Mg-Xl-Xs로 시뮬레이션되었으며 Xl과 Xs는 각각 Mg보다 크고 짧은 원자에 해당합니다.이 연구에서 85 Mg-Re-Xs 이상의 LPSO 구조가 확인되었으며, 알려진 LPSO 3원 구조를 예측하는 DFT 능력을 보여주었다.그런 다음 그들은 11개의 비 RE Xl 원소를 탐색했고 그 중 4개는 열역학적으로 안정적이라는 것을 발견했다.그 중 하나가 LPSO ^[18]구조를 형성할 것으로 예상되는 Mg-Ca-Zn계입니다.

이전의 DFT 예측에 따라, 다른 연구자들이 Mg-Zn-Y-Mn-Ca 시스템으로 실험을 한 결과, Ca 첨가에서 LPSO 구조의 형성에 의해 시스템의 기계적 특성이 향상되어 "강도와 연성의 양호한 균형"을 달성하였다.^[19]

석출경화재 예시

2000 시리즈 알루미늄 합금(중요한 예: 2024 및 2019, Y 합금 및 히두미늄)
6000 시리즈 알루미늄 합금(중요한 예: 자전거 프레임 및 항공 구조용 6061)
7000 시리즈 알루미늄 합금(중요한 예: 7075 및 7475)
17-4 스테인리스강(UNS S17400)
마징강
인코넬 718
합금 X-750
르네 41
와스팔로이
고성능 구리-침전-경화강^[20]
오디(우라늄 합금)

「」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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추가 정보

ASM 금속 핸드북 vol 4 열처리

외부 링크

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