Ojačanje čvrste otopine

1. Definicija

Fenomen u kojem se legirajući elementi otapaju u osnovnom metalu kako bi uzrokovali određeni stupanj iskrivljenja rešetke i tako povećali čvrstoću legure.

2. Načelo

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. Ova pojava ojačavanja metala otapanjem određenog otopljenog elementa u čvrstu otopinu naziva se ojačavanje čvrste otopine. Kada je koncentracija atoma otopljene tvari odgovarajuća, čvrstoća i tvrdoća materijala mogu se povećati, ali njegova žilavost i plastičnost se smanjuju.

3. Čimbenici 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 ojačanja.

Atomi intersticijske otopljene tvari imaju veći učinak jačanja čvrste otopine od zamjenskih atoma, a budući da je izobličenje rešetke međuprostornih atoma u kubičnim kristalima s tjelesnim središtem asimetrično, njihov je učinak jačanja veći nego kod kubičnih kristala s plošnim središtem; ali međuprostorni atomi Topljivost u čvrstim tvarima je vrlo ograničena, tako da je stvarni učinak ojačanja također ograničen.

Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma otopljene tvari i osnovnog metala, to je očitiji učinak ojačanja čvrste otopine, odnosno granica razvlačenja čvrste otopine raste s porastom koncentracije valentnih elektrona.

4. Stupanj ojačanja čvrste otopine uglavnom ovisi o sljedećim čimbenicima

Razlika u veličini između atoma matrice i atoma otopljene tvari. Što je veća razlika u veličini, veća je interferencija s izvornom kristalnom strukturom i teže je doći do klizanja dislokacije.

Količina legirajućih elemenata. Što je više legirajućih elemenata dodano, to je učinak ojačavanja veći. Ako je previše atoma preveliko ili premalo, topljivost će biti premašena. To uključuje još jedan mehanizam ojačanja, jačanje disperzne faze.

Atomi intersticijske 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, značajniji je učinak jačanja čvrste otopine.

5. Učinak

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

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

Vodljivost je mnogo niža od čistog metala;

Otpornost na puzanje ili gubitak čvrstoće na visokim temperaturama može se poboljšati ojačavanjem čvrste otopine.

Radno otvrdnjavanje

1. Definicija

Povećanjem stupnja hladnog deformiranja raste čvrstoća i tvrdoća metalnih materijala, ali se smanjuje plastičnost i žilavost.

2. Uvod

Pojava u kojoj se čvrstoća i tvrdoća metalnih materijala povećavaju kada se plastično deformiraju ispod temperature rekristalizacije, dok se plastičnost i žilavost smanjuju. Također poznato kao otvrdnjavanje hladnim radom. Razlog je taj što kada se metal plastično deformira, kristalna zrna klize i dislokacije se zapliću, što uzrokuje izduživanje, lomljenje i fiberizaciju kristalnih zrna, a u metalu se stvaraju zaostala naprezanja. Stupanj otvrdnuća obično se izražava omjerom mikrotvrdoće površinskog sloja nakon obrade i onog prije obrade i dubinom očvrsnutog sloja.

3. Interpretacija iz perspektive teorije dislokacija

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

(2) Dolazi do reakcije između dislokacija, a nastala fiksna dislokacija ometa kretanje dislokacije;

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

4. Šteta

Kaljenje otežava daljnju obradu metalnih dijelova. Na primjer, u procesu hladnog valjanja čelična ploča postaje sve tvrđa i teža za valjanje, pa je potrebno organizirati međužarenje tijekom procesa obrade kako bi se eliminiralo njeno otvrdnjavanje 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 trošenje metala, posebno za one čiste metale i određene legure koje se ne mogu poboljšati toplinskom obradom. Na primjer, hladno vučena čelična žica visoke čvrstoće i hladno namotana opruga, itd., koriste deformaciju hladnom obradom kako bi poboljšali svoju čvrstoću i granicu elastičnosti. Drugi primjer je korištenje otvrdnjavanja radi poboljšanja tvrdoće i otpornosti na trošenje spremnika, traktorskih gusjenica, čeljusti drobilice i željezničkih skretnica.

6. Uloga u strojarstvu

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

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

Kada se metalni dio ili komponenta utisne, njegova plastična deformacija je popraćena ojačanjem, tako da se deformacija prenosi na neobrađeni očvrsli dio oko njega. Nakon takvih ponovljenih izmjeničnih radnji mogu se dobiti dijelovi za hladno utiskivanje s ravnomjernom deformacijom poprečnog presjeka;

Može poboljšati performanse rezanja čelika s niskim udjelom ugljika i olakšati odvajanje strugotine. Ali otvrdnjavanje također donosi poteškoće u daljnjoj obradi metalnih dijelova. Na primjer, hladno vučena čelična žica zbog otvrdnjavanja troši puno energije za daljnje izvlačenje, a može se čak i slomiti. Stoga se mora žariti kako bi se uklonilo otvrdnjavanje prije izvlačenja. Drugi primjer je da se tijekom rezanja povećava sila rezanja, a kako bi se površina obratka učinila krhkom i tvrdom, tijekom ponovnog rezanja, a trošenje alata se ubrzava.

Ojačanje finog zrna

1. Definicija

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

2. Načelo

Metali su obično polikristali sastavljeni od mnogo kristalnih zrnaca. Veličina kristalnih zrnaca može se izraziti brojem kristalnih zrnaca po jedinici volumena. Što je veći broj, to su kristalna zrnca finija. Pokusi pokazuju da sitnozrnati metali na sobnoj temperaturi imaju veću čvrstoću, tvrdoću, plastičnost i žilavost od krupnozrnatih metala. To je zato što fina zrna podliježu plastičnoj deformaciji pod vanjskom silom i mogu se raspršiti u više zrna, plastična deformacija je jednoličnija, a koncentracija naprezanja manja; osim toga, što su zrna finija, to je veće područje granica zrna i granice zrna su vijugavije. Što je širenje pukotina nepovoljnije. Stoga se metoda poboljšanja čvrstoće materijala pročišćavanjem kristalnih zrna u industriji naziva ojačanje pročišćavanjem zrna.

3. Učinak

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

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

4. Metoda usitnjavanja zrna

Povećajte stupanj pothlađivanja;

Liječenje pogoršanja;

Vibracija i miješanje;

Za hladno deformirane metale, kristalna zrna mogu se pročistiti kontroliranjem stupnja deformacije i temperature žarenja.

Druga faza armiranja

1. Definicija

U usporedbi s jednofaznim legurama, višefazne legure imaju drugu fazu uz fazu matrice. Kada je druga faza ravnomjerno raspoređena u matričnoj fazi s fino raspršenim česticama, imat će značajan učinak ojačavanja. Ovaj učinak jačanja naziva se jačanje druge faze.

2. Klasifikacija

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

(1) Ojačanje nedeformabilnih čestica (bypass mehanizam).

(2) Ojačanje deformabilnih čestica (prorezni mehanizam).

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

3. Učinak

Glavni razlog ojačanja druge faze je međudjelovanje između njih i dislokacije, što otežava kretanje dislokacije i poboljšava otpornost legure na deformaciju.

da sumiram

Najvažniji čimbenici koji utječu 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, pokazat će različite snage; Osim toga, geometrija i veličina uzorka i ispitnog medija također imaju veliki utjecaj, ponekad i presudan. Na primjer, vlačna čvrstoća čelika ultravisoke čvrstoće u atmosferi vodika može eksponencijalno pasti.

Postoje samo dva načina za ojačavanje metalnih materijala. Jedan je povećati snagu međuatomskog vezivanja legure, povećati njenu teoretsku čvrstoću i pripremiti kompletan kristal bez nedostataka, kao što su brkovi. Poznato je da je čvrstoća željeznih brkova blizu teorijske vrijednosti. Može se smatrati da je to zato što nema dislokacija u brkovima, ili samo mali broj dislokacija koje se ne mogu razmnožavati tijekom procesa deformacije. Nažalost, kada je promjer brka veći, snaga naglo opada. Drugi pristup jačanju je uvođenje velikog broja kristalnih defekata u kristal, kao što su dislokacije, točkasti defekti, heterogeni atomi, granice zrna, visoko raspršene čestice ili nehomogenosti (kao što je segregacija), itd. Ti defekti ometaju kretanje dislokacija i također značajno poboljšati čvrstoću metala. Činjenice su dokazale da je to najučinkovitiji način povećanja čvrstoće metala. Za inženjerske materijale općenito se postiže bolja sveobuhvatna izvedba putem sveobuhvatnih učinaka jačanja.