Зміцнення твердого розчину

1. Визначення

Явище, при якому легуючі елементи розчиняються в основному металі, що викликає певний ступінь спотворення кристалічної решітки та тим самим збільшує міцність сплаву.

2. Принцип

Атоми розчиненої речовини, розчинені у твердому розчині, викликають спотворення кристалічної решітки, що збільшує опір руху дислокацій, ускладнює ковзання та підвищує міцність і твердість твердого розчину сплаву. Це явище зміцнення металу шляхом розчинення певного розчиненого елемента з утворенням твердого розчину називається зміцненням твердого розчину. Коли концентрація атомів розчиненої речовини є відповідною, міцність і твердість матеріалу можуть бути збільшені, але його в'язкість і пластичність зменшуються.

3. Фактори впливу

Чим вища атомна частка розчинених атомів, тим більший ефект зміцнення, особливо коли атомна частка дуже низька, ефект зміцнення є більш значним.

Чим більша різниця між атомами розчиненої речовини та розміром атомів основного металу, тим більший ефект зміцнення.

Внутрішньовуглецеві атоми розчиненої речовини мають більший ефект зміцнення твердого розчину, ніж атоми заміщення, і оскільки спотворення решітки внутрішньовуглецевих атомів в об'ємно-центрованих кубічних кристалах є асиметричним, їхній ефект зміцнення більший, ніж у гранецентрованих кубічних кристалів; але внутрішньовуглецеві атоми мають дуже обмежену розчинність у твердому розчині, тому фактичний ефект зміцнення також обмежений.

Чим більша різниця в кількості валентних електронів між атомами розчиненої речовини та основним металом, тим очевидніший ефект зміцнення твердого розчину, тобто межа текучості твердого розчину зростає зі збільшенням концентрації валентних електронів.

4. Ступінь зміцнення твердого розчину залежить переважно від наступних факторів

Різниця в розмірах між атомами матриці та атомами розчиненої речовини. Чим більша різниця в розмірах, тим більше втручання в початкову кристалічну структуру і тим складніше ковзання дислокацій.

Кількість легуючих елементів. Чим більше легуючих елементів додано, тим більший ефект зміцнення. Якщо забагато атомів занадто великі або занадто малі, розчинність буде перевищена. Це пов'язано з іншим механізмом зміцнення – зміцненням дисперсної фази.

Внутрішньовуглецеві атоми розчиненої речовини мають більший ефект зміцнення твердого розчину, ніж атоми заміщення.

Чим більша різниця в кількості валентних електронів між атомами розчиненої речовини та основним металом, тим значніший ефект зміцнення твердого розчину.

5. Ефект

Межа плинності, міцність на розрив і твердість сильніші, ніж у чистих металів;

У більшості випадків пластичність нижча, ніж у чистого металу;

Провідність значно нижча, ніж у чистого металу;

Опір повзучості, або втрату міцності за високих температур, можна покращити шляхом зміцнення твердим розчином.

Зміцнення

1. Визначення

Зі збільшенням ступеня холодної деформації міцність і твердість металевих матеріалів збільшуються, але пластичність і в'язкість зменшуються.

2. Вступ

Явище, при якому міцність і твердість металевих матеріалів збільшуються, коли вони пластично деформуються нижче температури рекристалізації, тоді як пластичність і в'язкість зменшуються. Також відоме як холодне деформаційне зміцнення. Причина полягає в тому, що при пластичній деформації металу кристалічні зерна ковзають, а дислокації переплітаються, що призводить до видовження, розриву та волокнистості кристалічних зерен, а також до виникнення залишкових напружень у металі. Ступінь деформаційного зміцнення зазвичай виражається відношенням мікротвердості поверхневого шару після обробки до мікротвердості до обробки та глибиною зміцненого шару.

3. Інтерпретація з точки зору теорії дислокацій

(1) Між дислокаціями відбувається перетин, і утворені розрізи перешкоджають руху дислокацій;

(2) Між дислокаціями відбувається реакція, і утворена фіксована дислокація перешкоджає її руху;

(3) Відбувається розповсюдження дислокацій, а збільшення щільності дислокацій ще більше збільшує опір їхньому руху.

4. Шкода

Зміцнення створює труднощі для подальшої обробки металевих деталей. Наприклад, у процесі холодного прокату сталевого листа його прокатка стає все важчою, тому необхідно проводити проміжний відпал під час обробки, щоб виключити його зміцнення нагріванням. Іншим прикладом є те, що поверхня заготовки стає крихкою та твердою в процесі різання, що прискорює знос інструменту та збільшує силу різання.

5. Переваги

Це може покращити міцність, твердість та зносостійкість металів, особливо для тих чистих металів та деяких сплавів, які неможливо покращити термічною обробкою. Наприклад, холоднотягнутий високоміцний сталевий дріт та холоднокручені пружини тощо використовують холодну деформацію для покращення міцності та межі пружності. Іншим прикладом є використання зміцнення для покращення твердості та зносостійкості резервуарів, тракторних колій, щелеп дробарок та залізничних стрілок.

6. Роль у машинобудуванні

Після холодного волочіння, прокатки та дробоструминного зміцнення (див. зміцнення поверхні) та інших процесів, міцність поверхні металевих матеріалів, деталей та компонентів може бути значно покращена;

Після напруження деталей локальне напруження в певних частинах часто перевищує межу текучості матеріалу, що призводить до пластичної деформації. Завдяки зміцненню наклепу подальший розвиток пластичної деформації обмежується, що може підвищити безпеку деталей та компонентів;

Під час штампування металевої деталі або компонента її пластична деформація супроводжується зміцненням, завдяки чому деформація передається на необроблену загартовану деталь навколо неї. Після таких багаторазових змінних дій можна отримати деталі холодного штампування з рівномірною поперечною деформацією;

Це може покращити ріжучі властивості низьковуглецевої сталі та полегшити відділення стружки. Але зміцнення під тиском також створює труднощі для подальшої обробки металевих деталей. Наприклад, холоднотягнутий сталевий дріт споживає багато енергії для подальшого волочіння через зміцнення під тиском і навіть може зламатися. Тому його необхідно відпалити, щоб усунути зміцнення під тиском перед волочінням. Іншим прикладом є те, що для того, щоб зробити поверхню заготовки крихкою та твердою під час різання, сила різання збільшується під час повторного різання, і знос інструменту прискорюється.

Дрібнозернисте зміцнення

1. Визначення

Метод покращення механічних властивостей металевих матеріалів шляхом рафінування кристалічних зерен називається зміцненням кристалічного рафінування. У промисловості міцність матеріалу покращується шляхом рафінування кристалічних зерен.

2. Принцип

Метали зазвичай є полікристалами, що складаються з багатьох кристалічних зерен. Розмір кристалічних зерен можна виразити кількістю кристалічних зерен на одиницю об'єму. Чим більше число, тим дрібніші кристалічні зерна. Експерименти показують, що дрібнозернисті метали за кімнатної температури мають вищу міцність, твердість, пластичність та в'язкість, ніж грубозернисті метали. Це пояснюється тим, що дрібні зерна зазнають пластичної деформації під дією зовнішньої сили та можуть бути розподілені на більшу кількість зерен, пластична деформація є більш рівномірною, а концентрація напружень менша; крім того, чим дрібніші зерна, тим більша площа меж зерен і тим більш звивистими межі зерен. Тим несприятливіше поширення тріщин. Тому метод підвищення міцності матеріалу шляхом подрібнення кристалічних зерен у промисловості називається подрібненням зерен.

3. Ефект

Чим менший розмір зерна, тим менша кількість дислокацій (n) у кластері дислокацій. Згідно з τ=nτ0, чим менша концентрація напружень, тим вища міцність матеріалу;

Закон зміцнення при дрібнозернистому зміцненні полягає в тому, що чим більше меж зерен, тим дрібніші зерна. Згідно із співвідношенням Холла-Пейкі, чим менше середнє значення (d) зерен, тим вища межа текучості матеріалу.

4. Метод подрібнення зерна

Збільшити ступінь переохолодження;

Лікування погіршення стану;

Вібрація та перемішування;

Для металів, що піддаються холодній деформації, кристалічні зерна можна уточнити, контролюючи ступінь деформації та температуру відпалу.

Армування другої фази

1. Визначення

Порівняно з однофазними сплавами, багатофазні сплави мають другу фазу на додаток до матричної фази. Коли друга фаза рівномірно розподілена в матричній фазі з дрібнодисперсними частинками, вона матиме значний ефект зміцнення. Цей ефект зміцнення називається зміцненням другої фази.

2. Класифікація

Для руху дислокацій друга фаза, що міститься в сплаві, має такі дві ситуації:

(1) Армування недеформованих частинок (механізм обходу).

(2) Армування деформованих частинок (механізм прорізання).

Як дисперсійне зміцнення, так і зміцнення опадами є окремими випадками зміцнення другою фазою.

3. Ефект

Основною причиною зміцнення другої фази є взаємодія між ними та дислокацією, що перешкоджає руху дислокації та покращує опір деформації сплаву.

підсумувати

Найважливішими факторами, що впливають на міцність, є склад, структура та стан поверхні самого матеріалу; другим є стан сили, такий як швидкість дії сили, метод навантаження, просте розтягування чи повторне застосування сили, що демонструватиме різну міцність; Крім того, геометрія та розмір зразка, а також випробувальне середовище також мають великий вплив, іноді навіть вирішальний. Наприклад, міцність на розтяг надвисокоміцної сталі в атмосфері водню може експоненціально знижуватися.

Існує лише два способи зміцнення металевих матеріалів. Один із них — збільшити міжатомну силу зв'язку сплаву, збільшити його теоретичну міцність та отримати повний кристал без дефектів, таких як вусики. Відомо, що міцність залізних вусів близька до теоретичного значення. Можна вважати, що це пов'язано з відсутністю дислокацій у вусах або лише з невеликою кількістю дислокацій, які не можуть поширюватися під час процесу деформації. На жаль, коли діаметр вуса більший, міцність різко падає. Інший підхід до зміцнення полягає у введенні в кристал великої кількості кристалічних дефектів, таких як дислокації, точкові дефекти, гетерогенні атоми, межі зерен, високодисперсні частинки або неоднорідності (такі як сегрегація) тощо. Ці дефекти перешкоджають руху дислокацій, а також значно покращують міцність металу. Факти довели, що це найефективніший спосіб підвищення міцності металів. Для інженерних матеріалів, як правило, для досягнення кращих комплексних характеристик використовується комплексний вплив зміцнення.