پدیده سخت شدن بارش توسط آلفرد ویلم، متالورژیست آلمانی، در سالهای منتهی به سال 1911 کشف شد که اولین مقاله خود را در این زمینه منتشر کرد. او متوجه شد که آلیاژهای آلومینیوم حاوی مقادیر کمی مس، منیزیم، سیلیکون و آهن که به سرعت از دمای بالاتر از نقطه ذوب خود خاموش شده و به دمای اتاق رسیده بودند، در طول زمان سختی بیشتری نشان دادند. [1].

سخت شدن بارش، همچنین به عنوان شناخته شده است سخت شدن سن یا سخت شدن ذرات، در طول صد سال گذشته توضیحات فیزیکی پیشنهادی زیادی را دیده است و هنوز جنبه هایی از آن وجود دارد که نامشخص است. اما اثرات آن آشکار و قابل تکرار است و به روشی پرکاربرد برای سخت کردن فلزات و آلیاژهای مناسب تبدیل شده است.

سخت شدن بارش نه تنها باعث افزایش سختی می شود، بلکه می تواند استحکام تسلیم و مقاومت در برابر خوردگی را در برخی آلیاژها افزایش دهد. مواد اولیه ای که از سخت شدن بارش استفاده می کنند آلیاژهای آلومینیوم هستند (مانند 2000، 6000 و 7000 سری) و فولاد (مانند فولاد ضد زنگ و فولاد ماراژینگ).

در این مقاله با موارد زیر آشنا خواهید شد:

• سخت شدن بارشی چیست؟
• اثرات سخت شدن بارش
• فرآیند سخت شدن بارش
• مکانیسم های سخت شدن بارشی
• نمونه هایی از مواد سخت شده در اثر بارش

شکل 1. نمای نزدیک از پره های توربین سخت شده در اثر بارش

سخت شدن بارشی چیست؟

سخت شدن رسوبی یک آلیاژ زمانی اتفاق می افتد که یک محلول جامد فوق اشباع به سرعت سرد شود و فاز دوم از محلول خارج شود. این فاز دوم، که در دمای بالا به نام دمای محلول حل می‌شد، در دمای پایینی به نام دمای پیری شروع به تشکیل می‌کند.

سخت شدن بارش چه می کند؟

سخت شدن بارش منجر به افزایش تدریجی استحکام تسلیم و سختی می شود. این کار از طریق مکانیزمی عمل می کند که در آن ذرات رسوبی فاز دمای پایین، حرکت نابجایی/عیب در ساختار شبکه یک آلیاژ را مهار می کنند. آنها می توانند این کار را به دلیل ساختار کریستالوگرافی متفاوت خود در مقایسه با مواد اطراف انجام دهند.

از آنجایی که پلاستیسیته آلیاژ به شدت به حرکت این نابجایی ها بستگی دارد، ذرات رسوب، آلیاژ را سخت می کنند و با ایجاد مشکل در انتشار این نابجایی ها، قدرت تسلیم آن را افزایش می دهند. این مکانیسم شبیه به این است که پرکننده در مواد کامپوزیتی به عنوان تقویت کننده عمل می کند و با جلوگیری از انتشار ترک ها، استحکام آنها را افزایش می دهد.

فرآیند سخت شدن بارش

فرآیند سخت شدن بارش را می توان به سه مرحله اصلی ساده کرد: عملیات حرارتی محلول، خاموش کردن، و پیری. [2].

1. عملیات حرارتی محلول

این مرحله همچنین به عنوان همگن سازی نامیده می شود، این مرحله شامل حرارت دادن یک آلیاژ تا دمای معینی است که در آنجا نگه داشته می شود تا زمانی که تمام املاح در فاز α حل شود و یک ساختار محلول جامد یکنواخت ایجاد کند. به عنوان مثال، برای دورالومین، یک آلیاژ Al-Cu با حدود 4 درصد مس، فاز α در حدود 550 درجه وجود دارد.C همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است.

شکل 2. نمودار فاز انتهایی غنی از آلومینیوم Al-Cu.

2. خاموش کردن

این فرآیند شامل خنک کردن سریع آلیاژ گرم شده، معمولاً با غوطه ور کردن آن در آب در دمای اتاق است. افت سریع دما به املاح زمان کافی برای انتشار از فاز α و سایر تبدیلات فاز نامطلوب که منجر به آلیاژی فوق اشباع می شود، نمی دهد.

3. پیری

این فرآیند رسوب ذرات نامنسجم از محلول جامد فوق اشباع است. پیری که در دمای اتاق رخ می دهد پیری طبیعی نامیده می شود در حالی که پیری بالاتر از دمای اتاق پیری مصنوعی نامیده می شود. فرآیند پیری فرآیند بسیار دقیقی است و باید در دمای مناسب و زمان مناسب انجام شود. هدف از پیری این است که تا آنجا که ممکن است رسوبات هسته ای تشکیل شود و در عین حال اطمینان حاصل شود که آنها بیش از حد بزرگ نمی شوند. پیری ممکن است رخ دهد و منجر به ایجاد رسوباتی شود که برای جلوگیری از حرکت دررفتگی ها بسیار ریز هستند. از سوی دیگر، پیری بیش از حد منجر به رسوب‌هایی می‌شود که بسیار بزرگ و کم و در فاصله‌ای بین آن‌ها تأثیر معناداری بر انتشار نابجایی داشته باشند.

شکل 3. برخی از ریزساختارهای مشاهده شده در طی عملیات حرارتی آلیاژهای آلومینیوم سخت‌کننده رسوبی [3].

مکانیسم های سخت شدن بارشی

مکانیسم های نظری متعددی وجود دارد که توسط آنها سخت شدن بارش ممکن است رخ دهد، اما همه آنها از تفاوت در ویژگی های ذره رسوب و ماتریس اطراف یا برهمکنش بین آنها ناشی می شوند.

دو یا چند مورد از این مکانیسم ها ممکن است به سخت شدن بارش کمک کنند و آلیاژهای مختلف مکانیسم های متفاوتی دارند که به عنوان روش غالب سخت شدن بارش عمل می کنند. این مکانیسم ها به اختصار در زیر توضیح داده شده است [4].

تقویت شیمیایی

زیرا انرژی سطحی رابط تازه تشکیل شده بین ذرات و ماتریس آلیاژ، انتشار نابجایی را دشوارتر می کند.

تقویت گسل انباشته

این به عنوان یک نتیجه از انرژی های مختلف انباشتگی-گسل بین فاز رسوب و ماتریس رخ می دهد که مانع حرکت نابجایی می شود.

سخت شدن مدول

این در نتیجه تفاوت مدول برشی رخ می دهد زیرا نابجایی ها با اختلاف مدول بین رسوب و ماتریس مواجه می شوند.

سخت شدن انسجام

هنگامی که حرکت نابجایی توسط یک میدان کرنشی ناشی از عدم تطابق در ساختار شبکه و آرایش اتمی بین یک ذره رسوب و ماتریس آلیاژ اطراف آن مانع می شود، رخ می دهد.

دستور تقویت

در نتیجه انرژی اضافی مورد نیاز برای ایجاد مرزهای ضد فاز زمانی که نابجایی ها از آلیاژهایی که ساختار شبکه منظمی دارند عبور می کنند، رخ می دهد. این انرژی اضافی مورد نیاز را می توان به عنوان مقاومت در برابر حرکت نابجایی و در نتیجه افزایش سختی و استحکام در نظر گرفت.

نمونه هایی از مواد سخت شده در اثر بارش

برخی برجسته شدند نمونه هایی از موادی که در اثر بارش سخت شده اند شامل آلیاژهای آلومینیوم در 2000، 6000 و 7000 سری، فولادهای ضد زنگ مانند UNS S17400، فولادهای ماراژینگ و سوپرآلیاژهای مبتنی بر نیکل مانند اینکونل 718 و X-750.

کاربردهای فلزات سخت شده در اثر بارش

آلیاژ آلومینیوم 2024 در صنعت هوافضا، به ویژه در سازه های بال و بدنه به دلیل مقاومت بالا و مقاومت در برابر خستگی، استفاده می شود.

آلیاژ آلومینیوم 6061 همچنین در بال‌ها و بدنه‌ها، در قایق‌های تفریحی، قطعات خودرو، قوطی‌های آلومینیومی برای غذا و نوشیدنی، مخازن هوای فشرده، قاب دوچرخه، قرقره‌های ماهیگیری و اتاق‌های خلاء فوق‌العاده بالا (UHV) استفاده می‌شود.

آلیاژ آلومینیوم 7075 همچنین در هواپیما و همچنین در قطعات خودرو، برای ساخت ابزار قالب و در سلاح هایی مانند تفنگ M-16 و AR-15 استفاده می شود.

فولاد ضد زنگ UNS S17400 معمولا در صنایع هوافضا، شیمیایی، غذا و نفت و گاز استفاده می شود.

اینکونل 718 بیشتر برای کاربرد پره های توربین شناخته شده است، در حالی که اخیراً در صنعت خودروسازی نیز محبوب شده است.

شکل 4. برای بهبود استحکام و سختی قاب‌های دوچرخه‌ها را می‌توان در اثر بارش سخت کرد.

[1] S. Coriell، “سخت شدن بارندگی آلیاژهای فلزی”، در یک قرن تعالی در اندازه گیریاستانداردها و فناوری، DR Lide، اد. موسسه ملی استاندارد و فناوری، 2002، صفحات 14-15. [Online]. موجود: https://nvlpubs.nist.gov/nistpubs/sp958-lide/014-015.pdf. [Accessed June 22, 2020].

[2] L. Zubek، “بررسی فنی درجه های فولاد ضد زنگ سخت شدن بارش”، مجله Springs، موسسه سازندگان فنری، صفحات 14-16، ژانویه 2006. [Online]. در دسترس:http://www.msdspring.com/Technical/reference/17-7ph_techsummary.pdf. [Accessed May 31, 2005].

[3] RPM Procter و FT Mahi، “طرح کلی متالورژی ساختاری مرتبط با خوردگی”، در خوردگی شریر, E. Cottis et al., Ed. الزویر، 2010، صص 52-76.

[4] ای جی آردل، “سخت شدن بارش” Metall Mater Trans A Phys Metall Mater Sci، جلد 16، صفحات 1543-194، دسامبر 1985.