Çökelti Sertleştirmesi/Precipitation Hardening

• Yaşlanma (ageing); zamana bağlı olarak malzemenin özelliklerinde meydana gelen değişimdir. Günlük hayatımızdaki ile aynı anlamı taşır.

• Teknik açıdan, zaman ve sıcaklığa bağlı olarak alaşımın özelliklerinde meydana gelen değişimdir. Bu değişim genel olarak, sertlik (mukavemet) bazında değerlendirilir.

• Yaşlanma, esasen çökelti sertleştirmesi (precipitation hardening) adı verilen işlemin 3. adımıdır, ancak çökelti sertleştirmesi yerine yaygın olarak kullanılır.

Gerekler/Requirements

• Alaşım sisteminde katı çözünürlük olmalıdır; çözünürlük sıcaklık düştükçe azalmalıdır (yaşlanabilir alaşım solvüs eğrisini kesmelidir),

• Alaşım su alabilmelidir; yani yüksek sıcaklıkta elde edilen çözünmüş yapı (tek faz veya çok fazlı) hızlı soğutma (su verme) ile oda sıcaklığında korunabilmelidir,

• Çökelti partikülü sert-gevrek ve matris sünek-yumuşak olmalıdır (çökelti partikülü intermetalik olmalıdır),

• Matris ve çökelti partikülü koheran/uyumlu olmalıdır

Uygulama

1. Adım: Çözeltiye alma işlemi (solution treatment)

Alaşım tek faz bölgesine ısıtılır (sıcaklık ötektik sıcaklık civarı olmalıdır). Normal olarak, yavaş soğuma sırasında tane sınırlarına yerleşmiş θ fazı bu sıcaklıkta çözünür. Alaşımın yapısına bağlı olarak tek fazlı bir yapı elde edilir veya çözünmeyen bazı diğer fazlar da yapıda kalabilir; çok bileşenli alaşımlarda çözeltiye alma işlemi ile tek fazlı bir yapı elde edilemez, ancak çözünmesi arzu edilen faz önemli ölçüde katı çözelti haline geçebilir)

2. Adım: Su verme (Quenching)

• Bu adımda, çözeltiye alma işlemi uygulanmış alaşım, çözeltiye alınmış fazların çökelmesine izin vermeyecek şekilde, hızlıca oda sıcaklığına soğutulur. Buna su verme denir (hızlı soğutma işlemi). Su verilmiş alaşımın yapısı çözeltiye alınma işlemi sonucu elde edilen yapıdır. Tek fazlı veya çok fazlı olabilir. Ancak, çözeltiye alınmış bileşen (θ fazı) yapıda gözükmez.

• Bu yapının çözeltiye alınmış yapıdan farkı sıcaklıklarının farklı olmasıdır. Çözeltiye alma işleminin uygulandığı sıcaklıklarda θ fazı katı çözelti içerisine girebilecek durumdadır. Zira o sıcaklıklarda α fazı θ fazını tam olarak çözebilme kapasitesine sahiptir.

• Ancak su verilerek oda sıcaklığına soğutulan alaşımda, normal olarak θ fazının bulunması gerekir (denge diyagramına göre). Fakat hızlı soğutma θ fazının çökelmesini (görünür olmasını) engellemiştir. Yani su verilmiş alaşım kararlı (denge diyagramına uyan) bir yapıya sahip değildir. Bu yapı aşırı doymuş (kararsız) α yapısı olarak tanımlanır. Kararsız olduğu için, kararlı hale dönmek için sürekli bir arayış içerisinde olacaktır (kararsızlık budur). Kararlı hale dönmesi demek α fazı içerisinde θ fazının çökelmesi demektir.

Karasız α yapısının iki temel karakteristiği vardır:• i) Çözebileceğinden daha fazla karşı bileşeni çözmüş olarak

yapısında barındırmaktadır (bu zorlama ile yapılan bir iştir),• ii) Bu alaşımda, yüksek sıcaklıktaki alaşım hızlı (ani)

soğutularak oluştuğu için, çok sayıda (milyonlarda) nokta hatası (atom boşluğu) vardır (bu istenen bir durumdur). Atom boşluğunun varlığı kararsızlığın başka bir nedenidir, yapıda çok miktarda fazla enerji vardır, atom boşlukları (yüksek enerjili noktalar) yeni bir fazın çekirdekleşmesi için gerekli enerjinin bir kısmına peşinen sahiptir; yani yeni faz için uygun çekirdekleşme noktalarıdır

3. Adım: Çökeltme (Yaşlandırma-Ageing) Bu adımda, su verilmiş kararsız aşırı doymuş α yapısındaki alaşım solvüs eğrisinin

altındaki bir sıcaklığa ısıtılır ve karasız yapının kararlı hale getirilmesine çalışılır. Bu sıcaklıklarda tutulmak suretiyle, su verme sırasında çökelmesine izin verilmeyen θ fazının atom boşluklarını çekirdek kabul ederek çekirdekleşmesi ve büyümesine izin verilir. Bu şekilde θ fazının çökelmesi alaşımın sertliğinde ciddi bir artışa yol açar. Çekirdek sayısı ne kadar çok ve çekirdekler arasındaki mesafe ne kadar kısa olursa, alaşım o derece daha yüksek sertliğe sahip olur.

Yaşlandırma veya çökeltme adımı, uygulandığı sıcaklığa bağlı olarak, uzun zaman alabilir. Yaşlandırma işlemleri genel olarak uzun süreli işlemlerdir.

Thus, during precipitation hardening there are four main stages:• solid solution strengthening in the supersaturated solid solution• coherency stress hardening from the coherent precipitates• precipitation hardening by resistance to dislocation cutting• hardening through resistance to dislocation between precipitates

.

Figure 1: Interplay of various precipitation hardening mechanisms to successive stages in the hardness-time curve.

Aluminyum alaşımları için, çözeltiye alma sıcaklık aralığı 500-560oC ve yaşlandırma sıcaklık aralığı 150-220oC arasıdır (endüstriyel olarak yaşlandırma çoğunlukla 170-180oC civarında uygulanır)

Bakır alaşımları için, çözeltiye alma sıcaklık aralığı 950-1000oC iken yaşlandırma sıcaklık aralığı 350-500oC’dir.

• Bir çok uygulamada, çekirdekleşme noktalarının sayısını artırmak ve daha ince ve çok sayıda çökelti partikülü oluşturmak için, parçanın şekli uygunsa, su vermeden sonra alaşıma soğuk şekil verme de uygulanabilir.

• Yaşlandırma uygulandığı sıcaklığa bağlı olarak iki tür olabilir:

• A) Doğal-tabii yaşlandırma: Yaşlandırma işlemi oda sıcaklığında kendiliğinden olur. Uzun zaman alan bir işlemdir.

• B) Yapay (suni) yaşlandırma: Parçalar oda sıcaklığının üzerindeki bir sıcaklığa ısıtılarak daha hızlı faz çökelmesi sağlanabilir.

Basit ikili denge diyagramları üzerinde seçilen alaşımlar, şeklen yaşlanabilir olmakla birlikte, çökelti fazı gevrek olmadığı için, pratik olarak yaşlanma ile sertleşemezler.

2024-T351 (Al-4.5Cu-1.5Mg-0.6Mn): this is one of the most widely used high strength aluminum alloys. It has good formability in the "O" condition but, like many heat treatable alloys, has poor weldability. This alloy is normally naturally or artificially aged. Natural aging results in the formation of GP zones which consist of Cu and Mg atoms on certain crystallographic planes. Artificial aging produces finely dispersed precipitates of Al2CuMg while over-aging produces incoherent precipitates. Long term dimensional stability suffers due to continued aging. 6061-T651 (Al-1Mg-0.6Si-0.25Cu-0.2Cr): this is the most popular 6000 series alloy. It has moderate strength but excellent weldability compared to other heat treatable alloys, excellent corrosion resistance and a high plane strain fracture toughness. 6061 will age naturally to an essentially stable T4 condition. The softer conditions can be preserved by refrigeration. The formability of the "O" condition can be preserved for 2 hours at room temperature, 2 days at 0°C, and 7+ days or more at -7°C.

• 7075-T651 (Al-5.6Zn-2.5Mg-1.6Cu-0.3Cr): this alloy has very high strength and hardness. General corrosion resistance is similar to 2024 but loses its strength advantage over 2024 at elevated temperatures. It has excellent plane stress and plane strain fracture toughness. High static strength is not reflected by fatigue resistance. Loss of fatigue strength is thought to occur by progressive breakdown of the hardening particles which lie on slip planes. These particles become progressively smaller until they become unstable and redissolve into the matrix. When heat treating avoid overheating, since Eutectic melting or high temperature oxidation may occur. Such material cannot be salvaged(kurtarmak) by reheating. After annealing, quench as rapidly as possible.

• In the age hardening of Al-Cu alloys, four structures of the precipitates can be recognized: (1) GP-1

• Zones, (2) GP-2 Zones (also called θ"), (3) the θ’ Phase, and (4) the θ -(CuAl2) Phase. A large number of

• very small solute-rich clusters form during the early stages of the aging process that are completely

• coherent, that is they form on the FCC lattice of the matrix (Figure 2). Since the atomic dimensions of the

• solute-rich regions will differ somewhat from that of the lattice, strains occur in the lattice regions around

• the clusters. These regions that are distorted by the clusters are referred to as Guinier-Preston zones, or GP zones .

Figure 2 - (a) A noncoherent precipitate which has no relationship with the crystal structure of the surrounding matrix. (b) A coherentprecipitate that is clearly related to the surrounding matrix’s crystal structure. [Askeland, 1994].

• GP-1 zones grow rapidly up to a certain size, typical of the temperature of aging, and then growth practically stop. At room temperature this size is 3-7 nm thick and at 70-130°C the diameter is of the order of 10-15 nm. Hardening and a decrease in ductility accompany the formation and growth of the GP-1 zones; these effects have been attributed to the distortion of the lattice which inhibits the movement of dislocations.

• The GP-1 zones are eventually replaced by GP-2 zones during the aging process. GP-2 zones (“θ" phase) are larger than the GP-1 zones and their number is correspondingly smaller since the amount of solvent in the zones does not change. The size range for the θ" phase is 10-100 nm diameter, and 1-4 nm thick. Optimal mechanical properties are achieved by growing the θ" phase as large as possible without beginning to from the intermediate θ’ phase.

• decrease in strength; this is known as over-aging. The θ’ phase has a tetragonal structure with a different lattice parameter from the matrix; no coherency strains exist, but each particle is surrounded by a ring of dislocations. The size of the θ’ phase depends on time and temperature; size ranges from 10 to 600 nm diameter with a thickness of 10-15 nm.

• Eventually the θ’ phase is replaced by θ-(CuAl2) which has the same structure and composition as the θ phase found by solidification.

• Not all structures form at all aging temperatures. Below 80°C aging seldom progresses past the GP-1 stage; only above 220°C does the θ’ phase appear within a reasonable time interval, and temperatures above 280°C are needed for the θ phase to appear. Conversely, at higher temperatures the early stages do not appear and the GP-1 zones do not appear above 180°C; the θ" phase will not form above 230°C.

• Maximum hardness is reached sooner at higher temperatures and the maximum hardness reached generally decreases as the aging temperature is raised for precipitation-hardening.

• Activation Energy, Q, refers to the amount of energy required to cause an atom to move (diffuse)

• where• Q = 1.987 [ (T1) (T2) / (T2 –T1) ] [ 2.303 log10 (t1 /

t2) ] (cal / mole)• T1 = Room Temperature• T2 = Artificial Aging Temperature• t1 and t2 = Aging Times• R = Gas Constant = 1.987 cal/mol°K

• Example: Two pieces of the same aluminum alloy were Precipitation Hardened; one by Natural Aging (25°C)

• and one by Artificial Aging (180°C). If it took 10 minutes for the Natural Aged specimen to reach a RHB of 43

• and it took only 3 minutes for the Artificial Aged specimen to reach a RHB of 43, determine the Activation

• Energy, Q, for the aluminum alloy.

16

• Particles impede dislocations.• Ex: Al-Cu system• Procedure: --Pt A: solution heat treat (get a solid solution) --Pt B: quench to room temp. --Pt C: reheat to nucleate small q crystals within a crystals.• Other precipitation systems: • Cu-Be • Cu-Sn • Mg-Al

Pt A (sol’n heat treat)

Pt B

Pt C (precipitate )

Temp.

Time

Adapted from Fig. 11.22, Callister 6e. (Fig. 11.22 adapted from J.L. Murray, International Metals Review 30, p.5, 1985.)

Adapted from Fig. 11.20, Callister 6e.

PRECIPITATION HARDENING

300

400

500

600

700

0 10 20 30 40 50wt%Cu(Al)

L+L

+L

T(°C)

A

B

C

composition range needed for precipitation hardening

CuAl2

17

• 2014 Al Alloy:

• TS peaks with precipitation time.• Increasing T accelerates process.

• %EL reaches minimum with precipitation time.

Adapted from Fig. 11.25 (a) and (b), Callister 6e. (Fig. 11.25 adapted from Metals Handbook: Properties and Selection: Nonferrous Alloys and Pure Metals, Vol. 2, 9th ed., H. Baker (Managing Ed.), American Society for Metals, 1979. p. 41.)

PRECIPITATE EFFECT ON TS, %EL

precipitation heat treat time (h)

tensi

le s

trength

(M

Pa)

300

400

500

2001min 1h 1day 1mo1yr

204°C

149°C

non-

equi

l.

solid

sol

utio

nm

any

smal

l

prec

ipita

tes

“ag

ed”

fe

wer

larg

e

pre

cipi

tate

s

“ove

rage

d”%

EL

(2in

sam

ple

)10

20

30

0 1min 1h 1day1mo1yr

204°C 149°C

precipitation heat treat time (h)

18

• Peak-aged --avg. particle size = 64b --closer spaced particles efficiently stop dislocations.

Simulation courtesyof Volker Mohles,Institut für Materialphysik der Universitåt, Münster, Germany (http://www.uni-munster.de/physik/MP/mohles/). Used with permission.

SIMULATION: DISLOCATION MOTION PEAK AGED MATERIAL

19

• Over-aged --avg. particle size = 361b --more widely spaced particles not as effective.

Simulation courtesyof Volker Mohles,Institut für Materialphysik der Universitåt, Münster, Germany (http://www.uni-munster.de/physik/MP/mohles/). Used with permission.

SIMULATION: DISLOCATION MOTIONOVERAGED MATERIAL

Preston zone

Teta’ phase

Teta’’ phase

q phase(equilibrium)