Wzmocnienie roztworu stałego

1. Definicja

Zjawisko, w którym pierwiastki stopowe rozpuszczają się w metalu nieszlachetnym, powodując pewien stopień zniekształcenia sieci, a tym samym zwiększając wytrzymałość stopu.

2. Zasada

Atomy substancji rozpuszczonej rozpuszczone w roztworze stałym powodują zniekształcenie sieci, co zwiększa opór ruchu dyslokacji, utrudnia poślizg oraz zwiększa wytrzymałość i twardość stałego roztworu stopu.To zjawisko wzmacniania metalu poprzez rozpuszczanie pewnego pierwiastka rozpuszczonego w celu utworzenia roztworu stałego nazywa się wzmacnianiem roztworu stałego.Gdy stężenie atomów substancji rozpuszczonej jest odpowiednie, można zwiększyć wytrzymałość i twardość materiału, ale jego wytrzymałość i plastyczność uległy zmniejszeniu.

3. Czynniki wpływające

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

Im większa różnica między atomami substancji rozpuszczonej a wielkością atomową metalu nieszlachetnego, tym większy efekt wzmacniający.

Atomy substancji rozpuszczonej w śródmiąższu mają większy efekt wzmacniający roztwór stały niż atomy zastępcze, a ponieważ zniekształcenie sieci atomów śródmiąższowych w kryształach sześciennych skupionych na ciele jest asymetryczne, ich efekt wzmacniający jest większy niż w przypadku kryształów sześciennych skupionych na twarzy;ale atomy śródmiąższowe Rozpuszczalność ciała stałego jest bardzo ograniczona, więc rzeczywisty efekt wzmacniający jest również ograniczony.

Im większa różnica liczby elektronów walencyjnych między atomami substancji rozpuszczonej i metalu nieszlachetnego, tym bardziej oczywisty jest efekt wzmocnienia roztworu stałego, to znaczy granica plastyczności roztworu stałego wzrasta wraz ze wzrostem stężenia elektronów walencyjnych.

4. Stopień umocnienia roztworu stałego zależy głównie od następujących czynników

Różnica wielkości między atomami macierzy a atomami substancji rozpuszczonej.Im większa różnica wielkości, tym większa ingerencja w pierwotną strukturę kryształu i tym trudniej o poślizg dyslokacji.

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

Atomy substancji rozpuszczonej w śródmiąższu mają większy efekt wzmacniający roztwór stały niż atomy zastępcze.

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

5. Efekt

Granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość są silniejsze niż czyste metale;

W większości przypadków plastyczność jest niższa niż w przypadku czystego metalu;

Przewodność jest znacznie niższa niż czystego metalu;

Odporność na pełzanie lub utratę wytrzymałości w wysokich temperaturach można poprawić przez wzmocnienie roztworu stałego.

Hartowanie pracy

1. Definicja

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

2. Wstęp

Zjawisko, w którym wytrzymałość i twardość materiałów metalowych wzrasta, gdy są one odkształcane plastycznie poniżej temperatury rekrystalizacji, podczas gdy plastyczność i twardość maleją.Znany również jako hartowanie na zimno.Powodem jest to, że gdy metal jest odkształcany plastycznie, ziarna kryształu ślizgają się i dyslokacje są splątane, co powoduje wydłużanie się, pękanie i włóknienie ziaren kryształu, aw metalu powstają naprężenia szczątkowe.Stopień utwardzenia przez zgniot jest zwykle wyrażany stosunkiem mikrotwardości warstwy wierzchniej po obróbce do twardości przed obróbką oraz głębokością warstwy utwardzonej.

3. Interpretacja z perspektywy teorii dyslokacji

(1) Przecięcie występuje między dyslokacjami, a wynikające z tego nacięcia utrudniają ruch dyslokacji;

(2) Między dyslokacjami zachodzi reakcja, a uformowane stałe dyslokacje utrudniają ruch dyslokacji;

(3) Następuje proliferacja dyslokacji, a wzrost gęstości dyslokacji dodatkowo zwiększa odporność na ruch dyslokacji.

4. Szkoda

Utwardzanie przez zgniot utrudnia dalszą obróbkę części metalowych.Na przykład w procesie walcowania na zimno blachy stalowej będzie ona coraz trudniejsza do walcowania, dlatego konieczne jest zorganizowanie wyżarzania pośredniego podczas procesu obróbki, aby wyeliminować jej utwardzanie przez nagrzewanie.Innym przykładem jest nadanie powierzchni przedmiotu obrabianego kruchości i twardości 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 przez obróbkę cieplną.Na przykład ciągniony na zimno drut stalowy o wysokiej wytrzymałości i sprężyna zwijana na zimno itp. Wykorzystują odkształcenie podczas obróbki na zimno, aby poprawić jego wytrzymałość i granicę sprężystości.Innym przykładem jest zastosowanie utwardzania przez zgniot w celu poprawy twardości i odporności na zużycie zbiorników, gąsienic ciągnikowych, szczęk kruszarek czy rozjazdów kolejowych.

6. Rola w inżynierii mechanicznej

Po ciągnieniu na zimno, walcowaniu i śrutowaniu (patrz wzmacnianie powierzchni) oraz innych procesach można znacznie poprawić wytrzymałość powierzchniową materiałów metalowych, części i komponentów;

Po naprężeniu części lokalne naprężenie niektórych części często przekracza granicę plastyczności materiału, powodując odkształcenie plastyczne.Ze względu na utwardzenie, dalszy rozwój odkształceń plastycznych jest ograniczony, co może poprawić bezpieczeństwo części i komponentów;

Kiedy metalowa część lub element jest tłoczony, jego odkształceniu plastycznemu towarzyszy wzmocnienie, tak że odkształcenie jest przenoszone na nieobrobioną, utwardzoną część wokół niego.Po takich powtarzających się naprzemiennych działaniach można uzyskać części tłoczone na zimno o równomiernym odkształceniu przekroju poprzecznego;

Może poprawić wydajność cięcia stali niskowęglowej i ułatwić oddzielanie wiórów.Ale utwardzanie przez zgniot powoduje również trudności w dalszej obróbce części metalowych.Na przykład drut stalowy ciągniony na zimno zużywa dużo energii do dalszego ciągnienia z powodu utwardzania przez zgniot, a nawet może ulec złamaniu.Dlatego przed ciągnieniem należy go wyżarzyć, aby wyeliminować utwardzanie przez zgniot.Innym przykładem jest to, że aby powierzchnia obrabianego przedmiotu była krucha i twarda podczas skrawania, zwiększa się siłę skrawania podczas ponownego skrawania i przyspiesza zużycie narzędzia.

Wzmocnienie drobnoziarniste

1. Definicja

Metoda polepszania właściwości mechanicznych materiałów metalowych poprzez rozdrabnianie ziaren krystalicznych nazywana jest wzmacnianiem rafinacyjnym.W przemyśle wytrzymałość materiału poprawia się poprzez rafinację ziaren kryształu.

2. Zasada

Metale to zazwyczaj polikryształy złożone z wielu ziaren krystalicznych.Wielkość ziaren kryształu można wyrazić liczbą ziaren kryształu na jednostkę objętości.Im większa liczba, tym drobniejsze ziarna kryształu.Eksperymenty pokazują, że drobnoziarniste metale w temperaturze pokojowej mają wyższą wytrzymałość, twardość, plastyczność i wytrzymałość 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 większy obszar graniczny ziaren i bardziej kręte granice ziaren.Im bardziej niekorzystna jest propagacja pęknięć.Dlatego metoda poprawy wytrzymałości materiału poprzez rozdrabnianie ziaren krystalicznych nazywana jest w przemyśle wzmacnianiem rozdrabniania ziarna.

3. Efekt

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

Wzmacniające prawo wzmacniania drobnoziarnistego polega na tym, że im więcej granic ziaren, tym drobniejsze są ziarna.Zgodnie z zależnością Halla-Peiqi, im mniejsza jest średnia wartość (d) ziaren, tym wyższa jest granica plastyczności materiału.

4. Metoda rozdrabniania ziarna

Zwiększ stopień dochłodzenia;

Leczenie pogorszenia;

Wibracja 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 oprócz fazy osnowy mają drugą fazę.Kiedy druga faza jest równomiernie rozprowadzona w fazie matrycy z drobno zdyspergowanymi cząstkami, będzie miała znaczący efekt wzmacniający.Ten efekt wzmacniający nazywany jest wzmocnieniem drugiej fazy.

2. Klasyfikacja

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

(1) Wzmocnienie cząstek nieodkształcalnych (mechanizm obejściowy).

(2) Wzmocnienie odkształcalnych cząstek (mechanizm przecinania).

Zarówno wzmacnianie dyspersyjne, jak i wzmacnianie wydzieleniowe są szczególnymi przypadkami wzmacniania drugiej fazy.

3. Efekt

Głównym powodem wzmocnienia drugiej fazy jest interakcja między nimi a dyslokacją, która utrudnia ruch dyslokacji i poprawia odporność stopu na odkształcenia.

podsumować

Najważniejszymi czynnikami wpływającymi na wytrzymałość są skład, struktura i stan powierzchni samego materiału;drugi to stan siły, taki jak prędkość siły, metoda ładowania, proste rozciąganie lub powtarzana siła, pokaże różne siły;Ponadto duży wpływ, czasem nawet decydujący, ma geometria i wielkość próbki oraz medium testowe.Na przykład wytrzymałość na rozciąganie stali o ultra wysokiej wytrzymałości w atmosferze wodoru może spadać wykładniczo.

Istnieją tylko dwa sposoby na wzmocnienie materiałów metalowych.Jednym z nich jest zwiększenie siły wiązania międzyatomowego stopu, zwiększenie jego teoretycznej wytrzymałości i przygotowanie kompletnego kryształu bez defektów, takich jak wąsy.Wiadomo, że wytrzymałość żelaznych wąsów jest zbliżona do wartości teoretycznej.Można uznać, że dzieje się tak dlatego, że w wąsach nie ma dyslokacji lub tylko niewielka ilość dyslokacji, które nie mogą się rozmnażać podczas procesu deformacji.Niestety, gdy średnica wąsa jest większa, siła gwałtownie spada.Innym podejściem wzmacniającym jest wprowadzenie do kryształu dużej liczby defektów, takich jak dyslokacje, defekty punktowe, niejednorodne atomy, granice ziaren, silnie rozproszone cząstki lub niejednorodności (takie jak segregacja) itp. Defekty te utrudniają ruch dyslokacji i również znacznie poprawić wytrzymałość metalu.Fakty dowiodły, że jest to najskuteczniejszy sposób na zwiększenie wytrzymałości metali.W przypadku materiałów inżynierskich generalnie poprzez kompleksowe efekty wzmacniające można osiągnąć lepszą wszechstronną wydajność.