Ojačavanje čvrstim rastvorom

1. Definicija

Fenomen u kojem se legirajući elementi rastvaraju u osnovnom metalu kako bi izazvali određeni stepen distorzije rešetke i time povećali čvrstoću legure.

2. Princip

Atomi rastvorene supstance rastvoreni u čvrstom rastvoru uzrokuju distorziju rešetke, što povećava otpor kretanju dislokacija, otežava klizanje i povećava čvrstoću i tvrdoću čvrstog rastvora legure. Ovaj fenomen jačanja metala otapanjem određenog rastvorenog elementa da bi se formirao čvrsti rastvor naziva se ojačavanje čvrstog rastvora. Kada je koncentracija atoma rastvorene supstance odgovarajuća, čvrstoća i tvrdoća materijala se mogu povećati, ali se njegova žilavost i plastičnost smanjuju.

3. Faktori uticaja

Što je veći atomski udio rastvorenih atoma, to je veći efekat ojačanja, posebno kada je atomski udio vrlo nizak, efekat ojačanja je značajniji.

Što je veća razlika između atoma rastvorene supstance i atomske veličine osnovnog metala, to je veći efekat ojačavanja.

Intersticijski atomi rastvorene supstance imaju veći efekat ojačavanja čvrstog rastvora nego atomi zamjene, a budući da je izobličenje rešetke intersticijskih atoma u kubnim kristalima centriranim po površini asimetrično, njihov efekat ojačavanja je veći nego kod kubnih kristala centriranih po površini; međutim, rastvorljivost u čvrstom rastvoru je vrlo ograničena, tako da je stvarni efekat ojačavanja također ograničen.

Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma rastvorene supstance i osnovnog metala, to je očigledniji efekat jačanja čvrstog rastvora, odnosno granica tečenja čvrstog rastvora raste sa povećanjem koncentracije valentnih elektrona.

4. Stepen ojačanja čvrstog rastvora uglavnom zavisi od sljedećih faktora

Razlika u veličini između atoma matrice i atoma rastvorene supstance. Što je veća razlika u veličini, to je veća interferencija sa originalnom kristalnom strukturom i teže je dislokacijsko klizanje.

Količina legirajućih elemenata. Što se više legirajućih elemenata doda, to je veći učinak ojačavanja. Ako je previše atoma preveliko ili premalo, topljivost će biti prekoračena. Ovo uključuje još jedan mehanizam ojačavanja, ojačavanje disperznom fazom.

Intersticijski atomi rastvorene supstance imaju veći efekat ojačavanja čvrstog rastvora nego atomi zamene.

Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma rastvorene supstance i osnovnog metala, to je značajniji efekat ojačavanja čvrstog rastvora.

5. Efekat

Granica tečenja, zatezna čvrstoća i tvrdoća su jače od čistih metala;

U većini slučajeva, duktilnost je niža od one kod čistog metala;

Provodljivost je mnogo niža nego kod čistog metala;

Otpornost na puzanje, ili gubitak čvrstoće na visokim temperaturama, može se poboljšati ojačavanjem čvrstim rastvorom.

Kaljenje

1. Definicija

Kako se stepen hladne deformacije povećava, čvrstoća i tvrdoća metalnih materijala se povećavaju, ali se plastičnost i žilavost smanjuju.

2. Uvod

Fenomen u kojem se čvrstoća i tvrdoća metalnih materijala povećavaju kada se plastično deformišu ispod temperature rekristalizacije, dok se plastičnost i žilavost smanjuju. Poznato je i kao hladno očvršćavanje. Razlog je taj što kada se metal plastično deformiše, kristalna zrna klize i dislokacije se isprepliću, što uzrokuje izduživanje, lomljenje i vlaknarenje kristalnih zrna, a u metalu se stvaraju zaostali naponi. Stepen očvršćavanja obično se izražava odnosom mikrotvrdoće površinskog sloja nakon obrade prema onoj prije obrade i dubinom očvrslog sloja.

3. Interpretacija iz perspektive teorije dislokacija

(1) Dolazi do presjecanja između dislokacija, a rezultirajući rezovi ometaju kretanje dislokacija;

(2) Između dislokacija dolazi do reakcije, a formirana fiksna dislokacija ometa kretanje dislokacije;

(3) Dolazi do proliferacije dislokacija, a povećanje gustoće dislokacija dodatno povećava otpor kretanju dislokacija.

4. Šteta

Kaljenje deformacijom donosi poteškoće u daljnjoj obradi metalnih dijelova. Na primjer, u procesu hladnog valjanja čelične ploče, ona postaje sve teža za valjanje, pa je potrebno organizovati međužarenje tokom procesa obrade kako bi se eliminisalo njeno kaljenje zagrijavanjem. Drugi primjer je učiniti površinu obratka krhkom i tvrdom u procesu rezanja, čime se ubrzava trošenje alata i povećava sila rezanja.

5. Prednosti

Može poboljšati čvrstoću, tvrdoću i otpornost na habanje metala, posebno kod onih čistih metala i određenih legura koje se ne mogu poboljšati termičkom obradom. Na primjer, hladno vučena čelična žica visoke čvrstoće i hladno spiralne opruge itd. koriste hladnu deformaciju za poboljšanje čvrstoće i granice elastičnosti. Drugi primjer je upotreba ojačavanja za poboljšanje tvrdoće i otpornosti na habanje tenkova, traktorskih tračnica, čeljusti drobilica i željezničkih skretnica.

6. Uloga u mašinstvu

Nakon hladnog vučenja, valjanja i sačmarstva (vidi površinsko ojačavanje) i drugih procesa, površinska čvrstoća metalnih materijala, dijelova i komponenti može se značajno poboljšati;

Nakon što su dijelovi napregnuti, lokalno naprezanje određenih dijelova često prelazi granicu tečenja materijala, uzrokujući plastičnu deformaciju. Zbog očvršćavanja, daljnji razvoj plastične deformacije je ograničen, što može poboljšati sigurnost dijelova i komponenti;

Kada se metalni dio ili komponenta preša, njegova plastična deformacija je praćena ojačavanjem, tako da se deformacija prenosi na neobrađeni kaljeni dio oko njega. Nakon takvih ponovljenih naizmjeničnih djelovanja, mogu se dobiti dijelovi hladno prešani s ujednačenom deformacijom poprečnog presjeka;

Može poboljšati performanse rezanja niskougljičnog čelika i olakšati odvajanje strugotina. Međutim, kaljenje također donosi poteškoće pri daljnjoj obradi metalnih dijelova. Na primjer, hladno vučena čelična žica troši mnogo energije za daljnje izvlačenje zbog kaljenja, pa se čak može i slomiti. Stoga se mora žariti kako bi se eliminiralo kaljenje prije izvlačenja. Drugi primjer je da se, kako bi površina obratka postala krhka i tvrda tokom rezanja, sila rezanja povećava tokom ponovnog rezanja, a trošenje alata se ubrzava.

Ojačavanje finih zrna

1. Definicija

Metoda poboljšanja mehaničkih svojstava metalnih materijala rafiniranjem kristalnih zrna naziva se ojačanje rafiniranjem kristala. U industriji se čvrstoća materijala poboljšava rafiniranjem kristalnih zrna.

2. Princip

Metali su obično polikristali sastavljeni od mnogo kristalnih zrna. Veličina kristalnih zrna može se izraziti brojem kristalnih zrna po jedinici volumena. Što je veći broj, to su kristalna zrna finija. Eksperimenti pokazuju da sitnozrnati metali na sobnoj temperaturi imaju veću čvrstoću, tvrdoću, plastičnost i žilavost od grubozrnatih metala. To je zato što se fina zrna podvrgavaju plastičnoj deformaciji pod djelovanjem vanjske sile i mogu se raspršiti u više zrna, plastična deformacija je ujednačenija, a koncentracija napona je manja; osim toga, što su zrna finija, veća je površina granica zrna i granice zrna su vijugavije. To je nepovoljnije širenje pukotina. Stoga se metoda poboljšanja čvrstoće materijala rafiniranjem kristalnih zrna u industriji naziva ojačanje rafiniranjem zrna.

3. Učinak

Što je manja veličina zrna, to je manji broj dislokacija (n) u skupu dislokacija. Prema τ=nτ0, što je manja koncentracija napona, to je veća čvrstoća materijala;

Zakon ojačavanja kod ojačavanja finih zrna je da što je više granica zrna, to su zrna finija. Prema Hall-Peiqijevom odnosu, što je manja prosječna vrijednost (d) zrna, to je veća granica tečenja materijala.

4. Metoda pročišćavanja zrna

Povećajte stepen pothlađenja;

Tretman pogoršanja;

Vibracija i miješanje;

Kod hladno deformiranih metala, kristalna zrna se mogu pročistiti kontrolom stepena deformacije i temperature žarenja.

Ojačanje druge faze

1. Definicija

U poređenju sa jednofaznim legurama, višefazne legure imaju i drugu fazu pored matrične faze. Kada je druga faza ravnomjerno raspoređena u matričnoj fazi sa finim dispergovanim česticama, imat će značajan efekat ojačanja. Ovaj efekat ojačanja naziva se ojačanje druge faze.

2. Klasifikacija

Za kretanje dislokacija, druga faza sadržana u leguri ima sljedeće dvije situacije:

(1) Ojačanje nedeformabilnih čestica (mehanizam obilazanja).

(2) Ojačanje deformabilnih čestica (mehanizam prorezivanja).

I disperzijsko ojačanje i taložno ojačanje su posebni slučajevi ojačanja druge faze.

3. Učinak

Glavni razlog ojačavanja druge faze je interakcija između njih i dislokacije, što ometa kretanje dislokacije i poboljšava otpornost legure na deformaciju.

sumirati

Najvažniji faktori koji utiču na čvrstoću su sastav, struktura i površinsko stanje samog materijala; drugi je stanje sile, kao što su brzina djelovanja sile, metoda opterećenja, jednostavno istezanje ili ponovljena sila, što će pokazati različite čvrstoće; Osim toga, geometrija i veličina uzorka i ispitni medij također imaju veliki utjecaj, ponekad čak i odlučujući. Na primjer, zatezna čvrstoća čelika ultra visoke čvrstoće u atmosferi vodika može eksponencijalno opasti.

Postoje samo dva načina za ojačanje metalnih materijala. Jedan je povećanje međuatomske sile vezivanja legure, povećanje njene teorijske čvrstoće i priprema kompletnog kristala bez defekata, poput viskira. Poznato je da je čvrstoća željeznih viskira blizu teorijske vrijednosti. Može se smatrati da je to zato što u viskirima nema dislokacija ili postoji samo mala količina dislokacija koje se ne mogu širiti tokom procesa deformacije. Nažalost, kada je promjer viskira veći, čvrstoća naglo pada. Drugi pristup ojačavanju je uvođenje velikog broja kristalnih defekata u kristal, kao što su dislokacije, tačkasti defekti, heterogeni atomi, granice zrna, visoko dispergovane čestice ili nehomogenosti (kao što je segregacija) itd. Ovi defekti ometaju kretanje dislokacija i također značajno poboljšavaju čvrstoću metala. Činjenice su dokazale da je ovo najefikasniji način za povećanje čvrstoće metala. Za inženjerske materijale, općenito se kroz sveobuhvatne efekte ojačavanja postižu bolje sveobuhvatne performanse.