Mechanické legovanie z pohľadu fyzikálnej metalurgie

Zliatiny možno pripraviť nielen pomocou tavby, ale aj za použitia sily deformáciou zmesí rôznych druhov práškov (Obr. 1). Použitím tejto metódy možno v mikroštruktúre relatívne homogénne prerozdeliť oxidické fázy. Disperzne spevnené legujúce prášky sú potom pomocou izostatického lisovania za tepla a pretlačovania formované do výslednej tuhej hmoty, ktorá sa vyznačuje veľmi jemnozrnnou štruktúrou. Následným rekryštalizačným žíhaním možno dosiahnuť hrubšie zrno, prípadne jemné rovnoosé zrná.

V tabuľke 1 sú zhrnuté chemické zloženia niektorých komerčných zliatin pripravovaných touto metódou. Všetky obsahujú určité množstvo chrómu a/alebo hliníka pre zabezpečenie koróznej a oxidačnej odolnosti a oxidy ytria, prípadne titánu pre creepovú odolnosť.



Chemická štruktúra

Intenzívna deformácia pri mechanickom legovaní môže usmerniť atómy do pozícií, ktoré nemusia byť práve rovnovážne. Atómovú štruktúru tuhých roztokov v komerčne dôležitých kovoch pripravených technológiou mechanického legovania možno sledovať pomocou iónovej mikroskopie a atom probe mikroskopie.
Ak sa veľkosť analyzovanej oblasti zmenšuje, tak aj napriek tomu, že je roztok homogénny, bude pri analýze vykazovať rastúce koncentračné rozdiely. Takéto náhodné fluktuácie sú riadené stochastickými procesmi a predstavujú reálne prerozdelenie atómov v roztoku. Tieto rovnovážne variácie väčšinou nie je možné pozorovať priamo pre nedostatočné rozlíšenie a relatívne vysoký prah šumu pri použití bežných techník mikroanalýzy. Fluktuácie sú zjavné až keď sa rozlíšenie pri chemickej analýze dostane na úroveň oblasti o veľkosti niekoľko tisíc atómov. Atom probe technika analýzy dovoľuje zaznamenávať experimentálne dáta postupne pri každom atóme. Na obrázku 2 sú zobrazené zmeny v koncentráciách železa a chrómu namerané na bloku 50 atómov feritu v zliatine MA956. Môžeme pozorovať fluktuácie, ale je potrebná dodatočná analýza aby sa dokázalo, či nie sú nad očakávané hodnoty v homogénnych roztokoch.
V prípade náhodného roztoku by mala byť distribúcia koncentrácií binomická keďže sú fluktuácie náhodné. Akákoľvek významná odchýlka od binomického rozloženia bude naznačovať existenciu klastrov rovnakých atómov, prípadne usporiadané páry atómov rôzneho druhu.

 

Frekvenčné rozdelenie vytvoríme vynesením hodnôt koncentrácie pre celkový počet analyzovaných atómov v bloku pre každý prvok. Namerané distribúcie sú v podstate identické s výpočtom pre binomickú distribúciu. To však neznamená, že roztok je termodynamicky ideálny, ale že technológiou prípravy zliatiny, ktorá využíva intenzívnu deformáciu, v nej vygenerujeme náhodné rozptýlenie atómov. V skutočnosti sa roztoky Fe – Cr vyznačujú tým, že sa významne odchyľujú od ideálneho stavu s tendenciou vytvárať klastre atómov rovnakého druhu. Možno teda usudzovať, že zliatina je v nerovnovážnom mechanicky homogenizovanom stave a že dlhotrvajúce žíhanie pri nízkych teplotách môže viesť napríklad ku vytváraniu klastrov atómov chrómu.


Tvorba roztoku

Tradičná termodynamická teória roztokov začína pri zmiešavaní atómov komponentov. Pri mechanickom legovaní sa roztok pripravuje najprv tak, že sa spolu zmiešajú dve masy komponentov, z ktorých každý môže obsahovať niekoľko miliónov identických atómov. Vysvetlíme si proces pri ktorom roztok vzniká z týchto veľkých más až sa vytvorí dokonalá zmes rozličných druhov atómov bez spoluúčasti difúzie alebo tavenia.
Predstavme si čisté komponenty A a B s s voľnými molárnymi energiami μA0 a μB0. Ak sú vstupné komponenty vo forme práškov, potom možno priemernú voľnú energiu takejto zmesi vyjadriť relatívne jednoducho:

 

kde x predstavuje počet molov zložky B. Uvažujme, že častice prášku sú také veľké, že atómy zložky A a B „necítia“ prítomnosť jeden druhého pomocou medziatomárnych síl medzi navzájom odlišnými atómami. Taktiež uvažujeme, že počet možných spôsobov usporiadania zmesi čiastočiek prášku sa príliš neodlišuje od jednej aby bol príspevok ku entrópii konfigurácie pri zmiešaní významný. Preto sa zmes, ktorá sa riadi pomocou rovnice (1) nazýva mechanickou zmesou. Veľkosť voľnej energie takejto zmesi sa rovná jednoducho váženému priemeru voľných energií jednotlivých jej zložiek – ako je to napríklad zobrazené na obrázku 4 pre zloženie x.