Jačanje čvrste otopine

1. Definicija

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

2. Načelo

Atomi otopljene tvari otopljeni u krutoj otopini uzrokuju izobličenje rešetke, što povećava otpor kretanju dislokacija, otežava klizanje te povećava čvrstoću i tvrdoću krute otopine legure. Ovaj fenomen jačanja metala otapanjem određenog otopljenog elementa u krutu otopinu naziva se ojačanje krute otopine. Kada je koncentracija atoma otopljene tvari odgovarajuća, čvrstoća i tvrdoća materijala mogu se povećati, ali se smanjuje njegova žilavost i plastičnost.

3. Utjecajni faktori

Što je veći atomski udio otopljenih atoma, to je veći učinak ojačanja, posebno kada je atomski udio vrlo nizak, učinak ojačanja je značajniji.

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

Međuprostorni atomi otopljene tvari imaju veći učinak ojačanja čvrste otopine od zamjenskih atoma, a budući da je izobličenje rešetke međuprostornih atoma u kubičnim kristalima centriranim po volumenu asimetrično, njihov učinak ojačanja je veći od učinka plošno centriranih kubičnih kristala; međutim, međuprostorni atomi imaju vrlo ograničenu topljivost u čvrstoj otopini, pa je i stvarni učinak ojačanja ograničen.

Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma otopljene tvari i osnovnog metala, to je očitiji učinak jačanja čvrste otopine, odnosno granica razvlačenja čvrste otopine raste s povećanjem 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, to je veća interferencija s izvornom kristalnom strukturom i teže je dislokacijsko klizanje.

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

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 ojačavanja čvrste otopine.

5. Učinak

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

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

Provodljivost je mnogo niža od čistog metala;

Otpornost na puzanje, ili gubitak čvrstoće na visokim temperaturama, može se poboljšati ojačavanjem čvrstom otopinom.

Kaljenje

1. Definicija

S povećanjem stupnja hladne deformacije, 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 deformiraju ispod temperature rekristalizacije, dok se plastičnost i žilavost smanjuju. Također poznato kao hladno očvršćavanje. Razlog je taj što kada se metal plastično deformira, kristalna zrna klize i dislokacije se isprepliću, što uzrokuje izduživanje, lomljenje i vlaknastost kristalnih zrna, a u metalu se stvaraju zaostala naprezanja. Stupanj očvršćavanja obično se izražava omjerom mikrotvrdoće površinskog sloja nakon obrade i one prije obrade te dubinom očvrslog sloja.

3. Interpretacija iz perspektive teorije dislokacija

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

(2) Između dislokacija dolazi do reakcije, a nastala 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, tijekom hladnog valjanja čelične ploče, ona postaje sve teža za valjanje, pa je potrebno organizirati međužarenje tijekom procesa obrade kako bi se eliminiralo 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 za one čiste metale i određene legure koje se ne mogu poboljšati toplinskom 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 korištenje očvršćavanja za poboljšanje tvrdoće i otpornosti na habanje spremnika, traktorskih tračnica, čeljusti drobilica i željezničkih skretnica.

6. Uloga u strojarstvu

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, njegovu plastičnu deformaciju prati ojačanje, tako da se deformacija prenosi na neobrađeni kaljeni dio oko njega. Nakon takvih ponovljenih naizmjeničnih djelovanja mogu se dobiti dijelovi dobiveni hladnim prešanjem s jednoličnom 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 puno energije za daljnje izvlačenje zbog kaljenja, pa se čak može i slomiti. Stoga se mora žariti kako bi se uklonilo kaljenje prije izvlačenja. Drugi primjer je da se, kako bi površina obratka postala krhka i tvrda tijekom rezanja, sila rezanja povećava tijekom 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. Načelo

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 utjecajem vanjske sile i mogu se raspršiti u više zrna, plastična deformacija je ujednačenija, a koncentracija naprezanja manja; osim toga, što su zrna finija, to je veća 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 naprezanja, to je veća čvrstoća materijala;

Zakon ojačanja kod ojačanja 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 razvlačenja materijala.

4. Metoda pročišćavanja zrna

Povećajte stupanj pothlađenja;

Liječenje pogoršanja;

Vibracija i miješanje;

Kod hladno deformiranih metala, kristalna zrna mogu se pročistiti kontroliranjem stupnja deformacije i temperature žarenja.

Pojačanje druge faze

1. Definicija

U usporedbi s jednofaznim legurama, višefazne legure imaju i drugu fazu uz matričnu fazu. Kada je druga faza jednoliko raspoređena u matričnoj fazi s finim dispergiranim česticama, imat će značajan učinak ojačanja. Taj učinak ojačanja naziva se ojačanje druge faze.

2. Klasifikacija

Za kretanje dislokacija, druga faza sadržana u leguri ima sljedeća dva stanja:

(1) Ojačanje nedeformabilnih čestica (obilaznički mehanizam).

(2) Ojačanje deformabilnih čestica (mehanizam prorezivanja).

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

3. Učinak

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

sumirati

Najvažniji čimbenici koji utječu na čvrstoću su sastav, struktura i površinsko stanje samog materijala; drugi je stanje sile, poput brzine djelovanja sile, metode opterećenja, jednostavnog istezanja ili ponovljene sile, što će pokazati različite čvrstoće; Osim toga, geometrija i veličina uzorka te ispitni medij također imaju veliki utjecaj, ponekad čak i odlučujući. Na primjer, vlačna čvrstoća čelika ultra visoke čvrstoće u atmosferi vodika može eksponencijalno pasti.

Postoje samo dva načina za ojačanje metalnih materijala. Jedan je povećanje međuatomske sile vezivanja legure, povećanje njezine teorijske čvrstoće i priprema potpunog 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 tijekom procesa deformacije. Nažalost, kada je promjer viskira veći, čvrstoća naglo pada. Drugi pristup ojačavanju je uvođenje velikog broja kristalnih defekata u kristal, poput dislokacija, točkastih defekata, heterogenih atoma, granica zrna, visoko dispergiranih čestica ili nehomogenosti (poput segregacije) itd. Ovi defekti ometaju kretanje dislokacija i također značajno poboljšavaju čvrstoću metala. Činjenice su dokazale da je ovo najučinkovitiji način povećanja čvrstoće metala. Za inženjerske materijale, općenito se kroz sveobuhvatne učinke ojačanja postižu bolje sveobuhvatne performanse.