Металеві сплави

Основи металевих сплавів

Сплав — металевий матеріал, що складається з основного металу (розчинника) і одного або більше легуючих елементів (розчинених). Мета легування: покращення механічних властивостей (σ_y, K Ic , втома), корозієстійкості, прокалюваності, теплостійкості.

📊 Механізми зміцнення металевих сплавів

1. Твердорозчинне зміцнення (Solid Solution Strengthening): чужорідні атоми (заміщальні або впроваджені) спотворюють кристалічну гратку → перешкоджають руху дислокацій. Σ_y ↑ пропорційно √C (концентрація домішки).

2. Дисперсійне зміцнення (Precipitation Hardening / Age Hardening): утворення дрібних когерентних виділень другої фази (шунти Гіне-Préston, γ'(Ni₃Al)). Σ_y ↑ → 2–4× (Al 2024: σ_y 75 → 325 МПа після старіння).

3. Деформаційне зміцнення (Work Hardening): σ = Kε^n (n — коефіцієнт підроблення). Холодна деформація → дислокаційні ліси → ↑ σ_y, ↓ пластичність.

4. Зміцнення в'ядрами (Grain Boundary Strengthening): σ_y = σ_0 + k/√d (Hall-Petch). Дрібніші зерна → більш складніший шлях дислокації.

Системи сталі та діаграма Fe-C

Залізо-вуглецева система — основа найпоширенішого класу конструкційних матеріалів. Ключові фази:

Фериt (α-Fe) : BCC, < 0.022 вт.% C при 727°C, м'який (σ_y ≈ 250 МПа), феромагнітний. Зустрічається у малокарбонних сталях.

Аустеніт (γ-Fe) : FCC, розчиняє до 2.14 вт.% C при 1147°C. Немагнітний, пластичний. «Мати» більшості термооброблених сталей.

Цементит (Fe₃C) : 6.67 вт.% C, твердий (HV ~800), крихкий. Утворює пластини/сфероїди у сталі.

Перліт : евтектоїд при 0.77% C, 727°C → α-Fe + Fe₃C ламелі. σ_y ≈ 350–500 МПа залежно від міжпластинчастої відстані.

Мартенсит : метастабільна BCT фаза при швидкому гартуванні аустеніту. Дуже твердий (HRC 60–65), крихкий → відпускають одразу. Механізм: дифузійно-вільне (безперервне), деформаційне перетворення.

Алюмінієві сплави

Алюміній — третій за поширеністю елемент земної кори (8.2%). Чистий Al: E = 70 ГПа, σ_y = 15–20 МПа, ρ = 2.70 г/см³. Легування → значне підвищення σ_y без суттєвого збільшення ρ.

2xxx (Al-Cu): Дюралюміній

Основний: 2024-T3 (Al-4.4Cu-1.5Mg-0.6Mn). σ_y = 345, σ_u = 483 МПа, ρ = 2.78. Дисперсійне зміцнення θ (CuAl₂), θ' та зони ГП. Авіація фюзеляж та нижнє крило (тяговий). Погана зварюваність, чутливий до корозії → Alclad покриття.

6xxx (Al-Mg-Si): Будівництво та авто

6061-T6: σ_y = 276, σ_u = 310 МПа, ρ = 2.70. Виділення β-Mg₂Si при старінні. Відмінна зварюваність (5356/4043 drot). Екструзії кузовів авто (Mercedes C-Class), велосипедні рами. 6063 → тонкі профілі (архітектура).

7xxx (Al-Zn): Найміцніший Al

7075-T6: σ_y = 503, σ_u = 572 МПа! ρ = 2.81. MgZn₂ + Mg₃Zn₃Al₂ виділення. Верхнє крило Boeing (stringer, rib), спортивний інвентар, рюкзаки. SCC (stress corrosion cracking) проблема → T73 overaging ↓σ_y але ↑ SCC resist.

Al-Li (2198, 2099)

Кожен 1 вт.% Li: ρ ↓ 3%, E ↑ 6%. 2099-T86: σ_y = 460 МПа, ρ = 2.63 → питома σ/ρ чудова. Airbus A380 нижній стрингер, Boeing 787 frame (решта CFRP). Проблема: висока ціна Li, анізотропія, складне вирвання виробів.

Часті запитання

Дисперсійне зміцнення (age hardening, precipitation hardening) — термообробка, при якій виділяються дрібні когерентні частинки другої фази, котрі блокують рух дислокацій. Для Al-Cu (2024): 1) SOLUTION TREATMENT: нагрів до ~493°C (однофазний α твердий розчин з максимальним розчиненням Cu); 2) QUENCH: швидке охолодження → пересичений твердий розчин α_ss (Cu «заморожений» у розчині); 3) AGING: зберігання при кімнатній T (природне старіння → T4) або нагрів 120–190°C (штучне старіння → T6): Cu атоми кластеризуються → Zones de Guinier-Preston (ГП) зони → θ'' (когерентна, пластини ⊥ [100]) → θ' (напівкогерентна) → θ (CuAl₂, некогерентна). Максимум міцності (пік σ_y) при θ''. Чому: ГП-зони та θ'' когерентні → решітка спотворена → дислокація ПОВИННА різати частинку АБО огинати її (Orowan looping) → перешкода руху дислокацій. 2024-О (відпалений): σ_y = 75 МПа; 2024-T4 (закалений + природне старіння): σ_y = 325 МПа (4.3×). Це одне з найуражаючих зміцнень в металознавстві.

Нержавіюча сталь містить ≥10.5 вт.% хрому (Cr). Cr в умовах кисневого середовища → утворює пасивний шар Cr₂O₃ (товщина ~2–5 нм) на поверхні. Він: а) надзвичайно тонкий але щільний; б) самовідновлюється при незначних пошкодженнях (наявність кисню); в) перешкоджає дифузії Fe²⁺ іонів → немає іржі. Звичайна вуглецева сталь (E36, ST37): фериt + перліт, немає пасивного Cr₂O₃ шару. Fe + O₂ + H₂O → Fe(OH)₂ → Fe₂O₃·nH₂O (іржа) — пориста, розтріскується → далі іде корозія. Паремья: «іржа харчується кисню → росте». Важлива відмінність у «нержавіючій»: Хлоридне середовище (морська вода, Cl⁻) може порушити Cr₂O₃ при недостатньому вмісті Ni/Mo → pitting (точкова корозія). Тому 316L (Mo 2–3%) набагато стійкіша у морському середовищі ніж 304.

Ракетний двигун: камера згоряння досягає ~3500 K (рідкий O₂+H₂ SpaceX Merlin). Більшість матеріалів плавляться або реагують з O. Шляхи вирішення: а) Охолодження регенеративне: рідке паливо (<200 K) тече в мікроканалах (Inconel 718): стінка камери охолоджується → T_metal ≈700°C; Inconel 718 при 700°C: σ_y ≈ 1000 МПа. Без охолодження: плавлення. б) Oxidation resistance: Inconel 718 (NiCrFe): Cr₂O₃/Al₂O₃ пасивний шар при T. Inconel 625 → трубопроводи присмоктування O₂. SpaceX Raptor (CH₄+O₂): нова камера з GA-powder SLM Inconel → 6-10 годин печень → відмова (окислення Ni). Рен: SX суперсплав (не Inconel) у HPT лопатях авіадвигунів тому що ВИЩА Tmax ніж Inconel. Inconel → диски компресора, фланці, труби. SX René N6, CMSX-10 → лопатки 1-2 ступень HPT де T > 1400°C газу.

TRIP (Transformation-Induced Plasticity) — сталь, яка підсилює пластичність через фазовий перехід. Мікроструктура: ½ ферит + бейніт + 10–15% залишкового аустеніту (РА). При деформації (удар автомобіля): 1) Пластична деформація у фериті та бейніті; 2) Залишковий аустеніт підходи до σ_ms (martensitic start) → γ→α' мартенсит → трансформаційна пластичність (TRIP ефект). Ця трансформація: а) Поглинає додаткову енергію (ентальпія трансформації); б) Подвійне зміцнення деформація (work hardening γ→α') → матеріал ще більше зміцнюється при деформації → рівномірно розподіляє навантаження. Результат: дуже великий «area under stress-strain curve» (тобто велика UTS×elongation) → відмінна поглинаюча здатність. TRIP 600 (TS 600 МПа): Auto front crashbox, B-pillar reinforcement. TWIP (Twinning-Induced Plasticity) (TRIP + Fe-Mn-C з Ma): ще більше подовження 60–80%! Майбутнє: AHSS (Advanced High-Strength Steels) Gen3 (590–1180 МПа) → автомобілі Electric Vehicle (BEV) потребують легших кузовів + безпека.

Три родини нержавіючих сталей: 1) Аустенітні (300-серія): 304, 316L, 321. ≥16%Cr + ≥8%Ni → аустеніт FCC стабілізується при кімнатній T. Немагнітні! Відмінна корозієстійкість, формуваність, зварюваність. σ_y ≈ 170–210 МПа (відносно невисокий). Легко зміцнюється холодним наклепом (316L: σ_y ≈ 1200 МПа після холодного волочіння). Застосування: харч. промисловість, хімія, архітектура, кухонний посуд. 2) Феритні (430, 409, 444): ≥10.5%Cr, малий Ni (або нема). Феритна BCC структура. Слабомагнітні. Дешевші (нема Ni). Нижча ударна в'язкість при низьких T. Автомобільні вихлопні системи (409), кухонні мишки, посуд (430). 3) Мартенситні (400-серія + 17-4 PH): ≥11.5%Cr + вищий C або Cu-Nb. При гартуванні → мартенсит → σ_y 1000–1900 МПа. Магнітні! Ножі, хірургічні скальпелі (440C), валки, підшипники, паросилові турбіни. 4) Duplex (2205): 22%Cr + 5%Ni + 3%Mo. 50% α + 50% γ → σ_y 450–550 + відмінна SCC. Нафтохімічна, морська.

Кожен легуючий елемент вносить свій внесок: Cr (хром): пасивний Cr₂O₃ шар → корозієстійкість. Стабілізує ферит і карбіди. Підвищує прокалюваність (hardenability). Carbide-forming element: Cr₂₃C₆ в нержавіючій. Ni (нікель): стабілізатор аустеніту → знижує Марtensit start Ms. ↑ ударну в'язкість (особливо при низьких T). «Відкриває» аустенітну область вниз по температурі. Mo (молібден): ↑ прокалюваність (дуже ефективно). Карбідоутворювач Mo₂C. Протиставляє стійкість SCC та pitting, особливо в Cl (ось чому 316 > 304 у морській воді). ↑ creep resistance. В (бор): ↑ прокалюваність при мікродозах (0.001–0.003%!) → переважно segregates на GB → уповільнює феритне перетворення при охолодженні. S (сірка): погіршує в'язкість, але ↑ обробляльність (free-machining steel 11SMnPb37). C (вуглець): найефективніший зміцнювач на масову одиницю → σ_y ↑ 10 МПа на 0.01%C; але ↓ зварювальність та в'язкість. Nb, Ti, V (мікролегуючі): зерноподрібнення (Λd ↓ → ↑ σ_y Hall-Petch) + карбіди та нітриди опирають зростання зерна при аустенізації → HSLA сталі (high-strength low-alloy).

Ціна Ti-6Al-4V: ~$20–45/кг (стандартні поковки), $50–80/кг ELI, $200–400/кг HIP. Порівняно: Al 2024: ~$3/кг, сталь A36: ~$1/кг. Причини дорожнечі: 1) Видобуток: рутил (TiO₂) розповсюджений, але Kroll process (хлорування TiO₂ → TiCl₄ → відновлення Mg → губчастий Ti) − дуже повільний (~20 годин), енергозатратний (~20 кВт·год/кг) і дорогий. 2) Оброблюваність: Ti прилипає до різців (тixotropic чіпинг); низька теплопровідність → тепло концентрується на різці; ~3–5× повільніша обробка ніж Al → дорога механообробка. 3) Плавлення і ливарка: Ti реагує з більшістю сполук → вакуумне дугове переплавлення (VAR), холодний тигель EB. Де без Ti: авіаційна конструкція при T 200–350°C (після CFRP і AL-Li для 350–600°C) — де Al вже надто м'який, а сталь надто важка (ρAl ≈ 2.7, ρTi ≈ 4.5, ρsteel ≈ 7.9 г/см³, але σ/ρ Ti>>steel). Медицина: немає альтернативи за бiосумісністю + MRI. Хімічна промисловість: Ti в агресивних середовищах (HCl, NaOH) — PEER Al і більшість сталей. Pratt&Whitney GTF Geared Turbofan: Ti широке використання у вентиляторних лопатках (fan blade, blade+disk ~50% Ti-6Al-4V + CFRP кінчик лопаті).

Maraging = Martensite + Aging (старіння мартенситу). Склад: 18Ni + Co + Mo + Ti + Al, ≤0.03%C (майже безвуглецевий!). Традиційний мартенсит: BCC/BCT, зміцнений вуглецем → дуже твердий, але крихкий, погано зварюємий. Maraging: 1) Охолодження → LOW-CARBON martensite (BCC): м'який (~250 HV), відмінна обробляльність → після охолодження легко обробляти. 2) Старіння при 480°C ×3h: виділення Ni₃Mo, Ni₃Ti, інтерметаліди → когерентні фінесс → перешкоди дислокаціям. Результат: σ_y 1700–2000 МПа при відмінній KIc 75–110 МПа·√м. Зміцнення без крихкості вуглецевого мартенситу. Зварюваність: відмінна (малий C → нема гартових crack). Авіаційне шасі (Ultra-High Strength Steel замість ваги titandрi). Ракети: UHS 300M (низьколегована maraging-like) → SpaceX Falcon ядро ракетного корпусу. Форми для алюмінієвого лиття під тиском (die casting inserts).

Так, та це вже реальність у авіації та медицині. Методи AM для металів: 1) LPBF (Laser Powder Bed Fusion, SLM/SLS): шар 20–80 мкм, товщина стінки від 0.3 мм. Матеріали: Ti-6Al-4V, AlSi10Mg, Inconel 718/625, 316L, CoCrMo, maraging steel; 2) EBM (Electron Beam Melting): низька остаточна напруга, вакуум → кращий для Ti; GE Aviation: Ti-6Al-4V медичні вставки SX CFMD; 3) DED (Directed Energy Deposition): Wire Arc AM (WAAM) → великі заготовки, Boeing 787 Ti кронштейни. GE Aviation: LEAP fuel nozzle: Inconel 718, one-piece AM замість 20 welded joints → 25% легше, 5× міцніше, 30% cheaper. GE9X: CFM56 successor: 19 HPT nozzles AM ceramic (CMC). Qualification: FAA/EASA повна «material equivalency» з forged: requires extensive test/coupon database (MMPDS/AMS qualifi). Деяк матеріали AM: нижча відтворюваність через залишкові напруги → HIP (Hot Isostatic Pressing) post-treatment. Майбутнє: стінки реактивного двигуна 2035+: ~50% printed.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте Stress-Strain Curve і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.