Wzmocnienie roztworem stałym

1. Definicja

Zjawisko polegające na rozpuszczeniu pierwiastków stopowych w metalu bazowym w celu wywołania pewnego stopnia odkształcenia sieci krystalicznej, a tym samym zwiększenia wytrzymałości stopu.

2. Zasada

Atomy substancji rozpuszczonej w roztworze stałym powodują odkształcenie sieci krystalicznej, co zwiększa opór ruchu dyslokacji, utrudnia poślizg oraz zwiększa wytrzymałość i twardość roztworu stałego stopu. Zjawisko wzmacniania metalu poprzez rozpuszczenie określonego pierwiastka rozpuszczonego w roztworze stałym nazywa się wzmacnianiem roztworem stałym. Przy odpowiednim stężeniu atomów substancji rozpuszczonych można zwiększyć wytrzymałość i twardość materiału, ale jego wytrzymałość i plastyczność ulegają zmniejszeniu.

3. Czynniki wpływające

Im wyższy jest ułamek atomowy atomów substancji rozpuszczonej, tym większy jest efekt wzmocnienia, zwłaszcza gdy ułamek atomowy jest bardzo niski, tym bardziej znaczący jest efekt wzmocnienia.

Im większa różnica między atomami substancji rozpuszczonej a rozmiarem atomów metalu bazowego, tym większy efekt wzmocnienia.

Atomy rozpuszczone w środowisku międzywęzłowym wywierają większy wpływ na wzmocnienie roztworu stałego niż atomy zastępcze, a ponieważ odkształcenie sieci atomów międzywęzłowych w kryształach sześciennych o strukturze bryłowo-centrowanej jest asymetryczne, ich wpływ na wzmocnienie jest większy niż w przypadku kryształów sześciennych o strukturze ścianowo-centrowanej; jednak rozpuszczalność atomów międzywęzłowych w środowisku stałym jest bardzo ograniczona, więc rzeczywisty wpływ na wzmocnienie jest również ograniczony.

Im większa różnica w liczbie elektronów walencyjnych między atomami substancji rozpuszczonej i metalem bazowym, tym wyraźniejszy jest efekt wzmocnienia roztworu stałego, tzn. granica plastyczności roztworu stałego wzrasta wraz ze wzrostem stężenia elektronów walencyjnych.

4. Stopień wzmocnienia roztworu stałego zależy głównie od następujących czynników:

Różnica w wielkości między atomami matrycy a atomami substancji rozpuszczonej. Im większa różnica w wielkości, tym większa interferencja z pierwotną strukturą kryształu i tym trudniejszy poślizg dyslokacji.

Ilość pierwiastków stopowych. Im więcej pierwiastków stopowych dodanych do mieszanki, tym większy efekt wzmocnienia. Jeśli zbyt wiele atomów jest zbyt dużych lub zbyt małych, rozpuszczalność zostanie przekroczona. Wiąże się to z innym mechanizmem wzmacniania – wzmocnieniem fazy rozproszonej.

Atomy rozpuszczone w przestrzeni międzywęzłowej mają większy wpływ na wzmocnienie roztworu stałego niż atomy zastępcze.

Im większa różnica w liczbie elektronów walencyjnych między atomami substancji rozpuszczonej i metalu podstawowego, tym wyraźniejszy jest efekt wzmocnienia roztworu stałego.

5. Efekt

Wytrzymałość na rozciąganie, wytrzymałość na rozciąganie i twardość są większe niż w przypadku czystych metali;

W większości przypadków ciągliwość jest niższa niż czystego metalu;

Przewodność jest znacznie niższa niż czystego metalu;

Odporność na pełzanie, czyli utratę wytrzymałości w wysokich temperaturach, można poprawić poprzez wzmacnianie roztworem stałym.

Utwardzanie przez obróbkę

1. Definicja

Wraz ze wzrostem stopnia odkształcenia na zimno wzrasta wytrzymałość i twardość materiałów metalowych, ale plastyczność i wytrzymałość maleją.

2. Wprowadzenie

Zjawisko, w którym wytrzymałość i twardość materiałów metalowych wzrasta, gdy są one odkształcane plastycznie poniżej temperatury rekrystalizacji, a plastyczność i wytrzymałość maleją. Znane również jako umocnienie zgniotowe. Dzieje się tak, ponieważ podczas odkształcania plastycznego metalu ziarna kryształów ślizgają się, a dyslokacje splątują się, co powoduje ich wydłużanie, pękanie i rozwłóknianie, a w metalu powstają naprężenia szczątkowe. Stopień umocnienia zgniotowego jest zazwyczaj wyrażany stosunkiem mikrotwardości warstwy powierzchniowej po obróbce do mikrotwardości przed obróbką oraz głębokością warstwy utwardzonej.

3. Interpretacja z perspektywy teorii dyslokacji

(1) Przecięcia występują pomiędzy dyslokacjami, a powstałe w wyniku tego przecięcia utrudniają ruch dyslokacji;

(2) Między dyslokacjami zachodzi reakcja, a utworzona, stała dyslokacja utrudnia ruch dyslokacji;

(3) Następuje proliferacja dyslokacji, a wzrost gęstości dyslokacji dodatkowo zwiększa opór przed przemieszczaniem się dyslokacji.

4. Szkoda

Utwardzanie zgniotowe stwarza trudności w dalszej obróbce elementów metalowych. Na przykład, w procesie walcowania na zimno blacha stalowa staje się coraz trudniejsza do walcowania, dlatego konieczne jest zastosowanie wyżarzania pośredniego w trakcie obróbki, aby wyeliminować jej umocnienie zgniotowe poprzez nagrzewanie. Innym przykładem jest kruchość i twardość powierzchni przedmiotu obrabianego w procesie skrawania, co przyspiesza zużycie narzędzia i zwiększa siłę skrawania.

5. Korzyści

Może poprawić wytrzymałość, twardość i odporność na zużycie metali, zwłaszcza tych czystych metali i niektórych stopów, których nie można poprawić poprzez obróbkę cieplną. Na przykład, drut stalowy o wysokiej wytrzymałości ciągniony na zimno i sprężyny zwijane na zimno itp. wykorzystują odkształcenie plastyczne na zimno w celu poprawy wytrzymałości i granicy sprężystości. Innym przykładem jest zastosowanie utwardzania zgniotowego w celu poprawy twardości i odporności na zużycie zbiorników, gąsienic ciągników, szczęk kruszarek i rozjazdów kolejowych.

6. Rola w inżynierii mechanicznej

Po ciągnieniu na zimno, walcowaniu i śrutowaniu (patrz wzmacnianie powierzchni) i innych procesach, wytrzymałość powierzchni materiałów metalowych, części i komponentów może ulec znacznej poprawie;

Po naprężeniu części, lokalne naprężenia niektórych części często przekraczają granicę plastyczności materiału, powodując odkształcenia plastyczne. Utwardzanie zgniotowe ogranicza dalszy rozwój odkształceń plastycznych, co może poprawić bezpieczeństwo części i podzespołów.

Podczas tłoczenia metalowej części lub elementu, jej odkształceniu plastycznemu towarzyszy wzmocnienie, dzięki czemu odkształcenie jest przenoszone na otaczającą ją, nieobrobioną, utwardzoną część. Po takich powtarzających się, naprzemiennych czynnościach, można uzyskać elementy tłoczone na zimno o równomiernym odkształceniu przekroju poprzecznego;

Może poprawić wydajność cięcia stali niskowęglowej i ułatwić oddzielanie wiórów. Jednak utwardzanie zgniotowe utrudnia również dalszą obróbkę elementów metalowych. Na przykład, drut stalowy ciągniony na zimno zużywa dużo energii na dalsze ciągnienie z powodu utwardzania zgniotowego i może nawet ulec zerwaniu. Dlatego przed ciągnieniem należy go wyżarzać, aby wyeliminować utwardzanie zgniotowe. Innym przykładem jest to, że aby powierzchnia przedmiotu obrabianego stała się krucha i twarda podczas cięcia, siła skrawania wzrasta podczas ponownego cięcia, a zużycie narzędzia ulega przyspieszeniu.

Wzmocnienie drobnoziarniste

1. Definicja

Metoda poprawy właściwości mechanicznych materiałów metalowych poprzez rafinację ziaren krystalicznych nazywana jest wzmacnianiem przez rafinację krystaliczną. W przemyśle wytrzymałość materiału poprawia się poprzez rafinację ziaren krystalicznych.

2. Zasada

Metale są zazwyczaj polikryształami złożonymi z wielu ziaren krystalicznych. Rozmiar ziaren krystalicznych można wyrazić liczbą ziaren krystalicznych na jednostkę objętości. Im większa liczba, tym drobniejsze ziarna krystaliczne. Doświadczenia pokazują, że metale drobnoziarniste w temperaturze pokojowej mają wyższą wytrzymałość, twardość, plastyczność i udarność niż metale gruboziarniste. Dzieje się tak, ponieważ drobne ziarna ulegają odkształceniu plastycznemu pod wpływem siły zewnętrznej i mogą być rozproszone w większej liczbie ziaren, odkształcenie plastyczne jest bardziej równomierne, a koncentracja naprężeń jest mniejsza; ponadto, im drobniejsze ziarna, tym większa powierzchnia granic ziaren i bardziej kręte granice ziaren. Tym bardziej niekorzystna jest propagacja pęknięć. Dlatego metoda poprawy wytrzymałości materiału poprzez rozdrobnienie ziaren krystalicznych nazywana jest w przemyśle wzmacnianiem przez rozdrobnienie ziaren.

3. Efekt

Im mniejszy rozmiar ziarna, tym mniejsza liczba dyslokacji (n) w klastrze dyslokacji. Zgodnie z równaniem τ=nτ0, im mniejsza koncentracja naprężeń, tym wyższa wytrzymałość materiału;

Prawo wzmacniania drobnoziarnistego mówi, że im więcej granic ziaren, tym drobniejsze ziarna. Zgodnie z zależnością Halla-Peiqiego, im mniejsza średnia wartość (d) ziaren, tym wyższa granica plastyczności materiału.

4. Metoda rafinacji ziarna

Zwiększ stopień przechłodzenia;

Leczenie pogorszenia stanu;

Wibracje i mieszanie;

W przypadku metali odkształcanych na zimno ziarna kryształów można rozdrobnić, kontrolując stopień odkształcenia i temperaturę wyżarzania.

Wzmocnienie drugiej fazy

1. Definicja

W porównaniu ze stopami jednofazowymi, stopy wielofazowe posiadają, oprócz fazy matrycowej, również drugą fazę. Gdy druga faza jest równomiernie rozłożona w fazie matrycowej z drobnymi rozproszonymi cząsteczkami, wywiera ona znaczący efekt wzmacniający. Ten efekt wzmacniający nazywany jest wzmocnieniem drugiej fazy.

2. Klasyfikacja

W przypadku ruchu dyslokacji druga faza zawarta w stopie ma następujące dwie sytuacje:

(1) Wzmocnienie z cząstek nieodkształcalnych (mechanizm obejścia).

(2) Wzmocnienie odkształcalnych cząstek (mechanizm przecinania).

Zarówno wzmocnienie dyspersyjne, jak i wzmocnienie wydzieleniowe są szczególnymi przypadkami wzmocnienia drugiej fazy.

3. Efekt

Główną przyczyną wzmocnienia drugiej fazy jest wzajemne oddziaływanie między nimi a dyslokacją, które utrudnia ruch dyslokacji i poprawia odporność stopu na odkształcenia.

podsumowując

Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość są skład, struktura i stan powierzchni samego materiału; drugim czynnikiem jest stan siły, taki jak prędkość siły, metoda obciążenia, proste rozciąganie lub siła powtarzalna, które będą miały różny wpływ na wytrzymałość. Ponadto geometria i rozmiar próbki oraz medium badawcze również mają duży wpływ, a czasem nawet decydujący. Na przykład, wytrzymałość na rozciąganie stali o ultrawysokiej wytrzymałości w atmosferze wodoru może spadać wykładniczo.

Istnieją tylko dwa sposoby wzmocnienia materiałów metalowych. Pierwszym z nich jest zwiększenie siły wiązania międzyatomowego stopu, zwiększenie jego wytrzymałości teoretycznej i przygotowanie kompletnego kryształu bez defektów, takich jak wiskery. Wiadomo, że wytrzymałość wiskerów żelaznych jest zbliżona do wartości teoretycznej. Można to uznać za spowodowane brakiem dyslokacji w wiskerach lub jedynie niewielką ich ilością, która nie może się rozmnażać podczas procesu odkształcania. Niestety, wraz ze wzrostem średnicy wiskera, wytrzymałość gwałtownie spada. Innym sposobem wzmocnienia jest wprowadzenie do kryształu dużej liczby defektów, takich jak dyslokacje, defekty punktowe, atomy heterogeniczne, granice ziaren, silnie rozproszone cząstki lub niejednorodności (takie jak segregacja) itp. Defekty te utrudniają ruch dyslokacji, a także znacznie poprawiają wytrzymałość metalu. Fakty dowodzą, że jest to najskuteczniejszy sposób zwiększenia wytrzymałości metali. W przypadku materiałów inżynieryjnych, zazwyczaj poprzez kompleksowe wzmocnienie, uzyskuje się lepsze właściwości.