Jačanje čvrstim rastvorom

1. Definicija

Fenomen u kojem se legirajući elementi rastvaraju u osnovnom metalu kako bi izazvali određeni stupanj izobličenja rešetke i na taj način povećali čvrstoću legure.

2. Princip

Atomi otopljene tvari otopljeni u čvrstoj otopini uzrokuju izobličenje rešetke, što povećava otpor kretanja dislokacija, otežava klizanje i povećava čvrstoću i tvrdoću čvrste otopine legure. Ovaj fenomen jačanja metala otapanjem određenog otopljenog elementa kako bi se formirala čvrsta otopina naziva se jačanjem čvrste otopine. Kada je koncentracija atoma otopljene tvari odgovarajuća, čvrstoća i tvrdoća materijala se mogu povećati, ali se njegova žilavost i plastičnost smanjuju.

3. Faktori utjecaja

Što je veći atomski udio atoma otopljene tvari, to je veći učinak jačanja, posebno kada je atomski udio vrlo nizak, učinak jačanja je značajniji.

Što je veća razlika između atoma otopljene tvari i veličine atoma osnovnog metala, to je veći učinak jačanja.

Intersticijski atomi otopljene tvari imaju veći učinak jačanja čvrste otopine od atoma zamjene, a budući da je izobličenje rešetke međuprostornih atoma u kubičnim kristalima usredsređenim na tijelo asimetrično, njihov učinak jačanja je veći nego kod kubičnih kristala usmjerenih na lice; ali međuprostorni atomi Rastvorljivost čvrste supstance je veoma ograničena, tako da je stvarni efekat jačanja takođe ograničen.

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

4. Stepen ojačanja čvrstog rastvora uglavnom zavisi od sledećih faktora

Razlika u veličini između atoma matriksa i atoma otopljene tvari. Što je veća razlika u veličini, to je veća interferencija na originalnu kristalnu strukturu i teže je klizanje dislokacije.

Količina legirajućih elemenata. Što je više legirajućih elemenata dodano, to je veći učinak jačanja. Ako je previše atoma preveliko ili premalo, rastvorljivost će biti prekoračena. Ovo uključuje još jedan mehanizam jačanja, jačanje u disperziranoj fazi.

Intersticijski atomi otopljene tvari imaju veći učinak jačanja čvrste otopine od zamjenskih atoma.

Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma otopljene tvari i osnovnog metala, to je značajniji učinak jačanja čvrstog rastvora.

5. Efekat

Granica tečenja, vlačna čvrstoća i tvrdoća su jači od čistih metala;

U većini slučajeva, duktilnost je niža nego kod čistog metala;

Provodljivost je mnogo niža od čistog metala;

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

Rad kaljenje

1. Definicija

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

2. Uvod

Fenomen u kojem se čvrstoća i tvrdoća metalnih materijala povećavaju kada se plastično deformiraju ispod temperature rekristalizacije, dok se plastičnost i žilavost smanjuju. Poznato i kao hladno kaljenje. Razlog je taj što kada se metal plastično deformira, kristalna zrna klize i dislokacije su zapetljane, što uzrokuje da se kristalna zrna izdužuju, lome i vlaknaju, a u metalu se stvaraju zaostala naprezanja. Stepen radnog očvršćavanja obično se izražava omjerom mikrotvrdoće površinskog sloja nakon obrade prema onoj prije obrade i dubinom očvrslog sloja.

3. Interpretacija iz perspektive teorije dislokacije

(1) Između dislokacija dolazi do ukrštanja, a rezultujući rezovi ometaju kretanje dislokacija;

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

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

4. Šteta

Radno kaljenje otežava dalju obradu metalnih delova. Na primjer, u procesu hladnog valjanja čelična ploča će se sve teže i teže valjati, pa je potrebno organizirati međužarenje u procesu obrade kako bi se eliminisalo njeno radno očvršćavanje zagrijavanjem. Drugi primjer je da se površina obratka učini krhkom i tvrdom u procesu rezanja, čime se ubrzava habanje alata i povećava sila rezanja.

5. Prednosti

Može poboljšati čvrstoću, tvrdoću i otpornost na habanje metala, posebno za one čiste metale i određene legure koje se ne mogu poboljšati termičkom obradom. Na primjer, hladno vučena čelična žica visoke čvrstoće i hladno namotana opruga, itd., koriste deformaciju hladnog rada za poboljšanje svoje čvrstoće i granice elastičnosti. Drugi primjer je korištenje kaljenja radi poboljšanja tvrdoće i otpornosti na habanje rezervoara, traktorskih gusjenica, čeljusti drobilice i željezničkih skretnica.

6. Uloga u mašinstvu

Nakon hladnog izvlačenja, valjanja i šuta (vidi površinsko ojačanje) i drugih procesa, površinska čvrstoća metalnih materijala, dijelova i komponenti može se značajno poboljšati;

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

Kada se metalni dio ili komponenta štanca, njegova plastična deformacija je praćena ojačanjem, tako da se deformacija prenosi na neobrađeni kaljeni dio oko njega. Nakon takvih ponovljenih naizmjeničnih radnji, mogu se dobiti dijelovi hladnog štancanja s ujednačenom deformacijom poprečnog presjeka;

Može poboljšati performanse rezanja čelika s niskim udjelom ugljika i olakšati odvajanje strugotina. Ali radno kaljenje također otežava dalju obradu metalnih dijelova. Na primjer, hladno vučena čelična žica troši mnogo energije za daljnje izvlačenje zbog radnog kaljenja, a može se čak i slomiti. Stoga se prije crtanja mora žariti kako bi se eliminiralo otvrdnjavanje. Drugi primjer je da kako bi se površina obratka učinila krhkom i tvrdom tokom rezanja, sila rezanja se povećava tokom ponovnog rezanja, a habanje alata se ubrzava.

Jačanje finih zrna

1. Definicija

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

2. Princip

Metali su obično polikristali sastavljeni od mnogih kristalnih zrnaca. Veličina kristalnih zrna može se izraziti brojem kristalnih zrna po jedinici zapremine. Što je broj veći, to su kristalna zrna finija. Eksperimenti pokazuju da sitnozrnati metali na sobnoj temperaturi imaju veću čvrstoću, tvrdoću, plastičnost i žilavost od krupnozrnih metala. To je zato što fina zrna prolaze plastičnu deformaciju pod vanjskom silom i mogu se raspršiti u više zrna, plastična deformacija je ujednačenija, a koncentracija naprezanja je manja; osim toga, što su zrna finija, to je veća površina granice zrna i krivudavije granice zrna. Što je širenje pukotina nepovoljnije. Stoga se metoda poboljšanja čvrstoće materijala rafiniranjem kristalnih zrna u industriji naziva jačanjem rafiniranja zrna.

3. Efekat

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

Zakon jačanja finozrnastog ojačanja 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 popuštanja materijala.

4. Metoda oplemenjivanja zrna

Povećajte stepen pothlađenja;

tretman pogoršanja;

Vibracije i miješanje;

Za hladno deformisane metale, kristalna zrna se mogu rafinirati kontrolom stepena deformacije i temperature žarenja.

Druga faza ojačanja

1. Definicija

U poređenju sa jednofaznim legurama, višefazne legure imaju drugu fazu pored matrične faze. Kada je druga faza jednoliko raspoređena u fazi matriksa sa finim dispergovanim česticama, imaće značajan efekat jačanja. Ovaj efekat jačanja naziva se jačanjem druge faze.

2. Klasifikacija

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

(1) Pojačanje nedeformabilnih čestica (bypass mehanizam).

(2) Pojačanje deformabilnih čestica (prorezni mehanizam).

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

3. Efekat

Glavni razlog za jačanje druge faze je interakcija između njih i dislokacije, koja ometa kretanje dislokacije i poboljšava otpornost legure na deformaciju.

da sumiramo

Najvažniji faktori koji utiču na čvrstoću su sastav, struktura i površinsko stanje samog materijala; drugo je stanje sile, kao što je brzina sile, način opterećenja, jednostavno istezanje ili ponovljena sila, pokazaće različite snage; Osim toga, geometrija i veličina uzorka i ispitnog medija također imaju veliki utjecaj, ponekad čak i odlučujući. Na primjer, vlačna čvrstoća čelika ultra visoke čvrstoće u atmosferi vodika može pasti eksponencijalno.

Postoje samo dva načina za ojačanje metalnih materijala. Jedan je povećati međuatomsku silu vezivanja legure, povećati njenu teorijsku čvrstoću i pripremiti kompletan kristal bez defekata, kao što su brkovi. Poznato je da je čvrstoća željeznih brkova blizu teorijske vrijednosti. Može se smatrati da je to zato što u brkovima nema dislokacija, ili je to samo mala količina dislokacija koje ne mogu proliferirati u procesu deformacije. Nažalost, kada je prečnik brkova veći, snaga naglo opada. Drugi pristup za jačanje 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 poboljšava čvrstoću metala. Činjenice su pokazale da je ovo najefikasniji način za povećanje čvrstoće metala. Što se tiče inženjerskih materijala, općenito se postiže sveobuhvatniji efekti jačanja za postizanje boljih sveobuhvatnih performansi.