Зміцнення твердого розчину

1. Означення

Явище, під час якого легуючі елементи розчиняються в основному металі, викликаючи певний ступінь викривлення решітки й таким чином підвищуючи міцність сплаву.

2. Принцип

Розчинені в твердому розчині атоми розчиненої речовини викликають спотворення решітки, що збільшує опір руху дислокацій, ускладнює ковзання, 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 можна збільшити, але його в’язкість і пластичність зменшуються.

3. Фактори впливу

Чим вища атомна частка атомів розчиненої речовини, тим більший ефект зміцнення, особливо коли атомна частка дуже низька, ефект зміцнення більш значний.

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

Міжвузлові розчинені атоми мають більший ефект зміцнення твердого розчину, ніж атоми заміщення, і оскільки викривлення решітки інтерстиціальних атомів в кубічних кристалах з об’ємним центром є асиметричним, їх ефект зміцнення більший, ніж у гранецентрованих кубічних кристалів;але міжвузлові атоми Розчинність твердої речовини дуже обмежена, тому фактичний ефект зміцнення також обмежений.

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

4. Ступінь зміцнення твердого розчину в основному залежить від наступних факторів

Різниця в розмірах між атомами матриці та атомами розчиненої речовини.Чим більша різниця в розмірах, тим більше перешкоджає вихідній кристалічній структурі, і тим складніше ковзати дислокації.

Кількість легуючих елементів.Чим більше додано легуючих елементів, тим більший ефект зміцнення.Якщо занадто багато атомів занадто великі або занадто малі, розчинність буде перевищена.Це включає інший механізм зміцнення, зміцнення дисперсної фази.

Міжвузлові розчинені атоми мають більший ефект зміцнення твердого розчину, ніж атоми заміщення.

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

5. Ефект

Межа текучості, міцність на розрив і твердість міцніші, ніж у чистих металів;

У більшості випадків пластичність нижче, ніж у чистого металу;

Провідність значно нижча, ніж у чистого металу;

Стійкість до повзучості або втрату міцності при високих температурах можна покращити шляхом зміцнення твердим розчином.

Трудове загартування

1. Означення

Із збільшенням ступеня холодної деформації підвищується міцність і твердість металевих матеріалів, але зменшується пластичність і в'язкість.

2. Вступ

Явище, при якому міцність і твердість металевих матеріалів підвищуються при їх пластичній деформації нижче температури рекристалізації, а пластичність і в'язкість знижуються.Також відомий як холодне зміцнення.Причина полягає в тому, що під час пластичної деформації металу кристалічні зерна ковзають і дислокації заплутуються, що спричиняє подовження, ламання та формування волокон кристалічних зерен, а також у металі виникають залишкові напруги.Ступінь наклепу зазвичай виражають відношенням мікротвердості поверхневого шару після обробки до мікротвердості до обробки і глибиною зміцненого шару.

3. Інтерпретація з точки зору теорії дислокацій

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

2) між дислокаціями відбувається реакція, і утворена нерухома дислокація перешкоджає руху дислокації;

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

4. Шкода

Нагартування створює труднощі при подальшій обробці металевих деталей.Наприклад, в процесі холодної прокатки сталевий лист буде ставати все важче і важче прокатуватися, тому в процесі обробки необхідно влаштовувати проміжний відпал, щоб виключити його зміцнення нагріванням.Інший приклад полягає в тому, щоб зробити поверхню заготовки крихкою та твердою в процесі різання, тим самим прискорюючи знос інструменту та збільшуючи силу різання.

5. Переваги

Він може підвищити міцність, твердість і зносостійкість металів, особливо тих чистих металів і деяких сплавів, які не можна поліпшити термічною обробкою.Наприклад, холоднотягнутий високоміцний сталевий дріт і холодно-спіральна пружина тощо використовують деформацію в холодному стані для підвищення міцності та межі пружності.Іншим прикладом є використання наклепу для підвищення твердості та зносостійкості резервуарів, тракторних гусениць, щелеп дробарок і залізничних стрілочних переводів.

6. Роль у машинобудуванні

Після холодного волочіння, прокатки та дробеструйної обробки (див. поверхневе зміцнення) та інших процесів поверхнева міцність металевих матеріалів, деталей і компонентів може бути значно покращена;

Після навантаження на деталі місцеве напруження певних частин часто перевищує межу текучості матеріалу, викликаючи пластичну деформацію.Завдяки зміцненню, подальший розвиток пластичної деформації обмежується, що може підвищити безпеку деталей і компонентів;

При штампуванні металевої деталі або деталі її пластична деформація супроводжується зміцненням, так що деформація передається на необроблену зміцнену деталь навколо неї.Після таких багаторазових поперемінних дій можна отримати деталі холодного штампування з рівномірною деформацією поперечного перерізу;

Це може покращити продуктивність різання низьковуглецевої сталі та полегшити відокремлення стружки.Але нагартування створює труднощі і при подальшій обробці металевих деталей.Наприклад, холоднотягнутий сталевий дріт споживає багато енергії для подальшого волочіння через нагартування і навіть може бути зламаний.Тому його необхідно відпалити, щоб усунути наклеп перед нанесенням.Іншим прикладом є те, що для того, щоб зробити поверхню заготовки крихкою і твердою під час різання, сила різання збільшується під час повторного різання, а знос інструменту прискорюється.

Зміцнення дрібного зерна

1. Означення

Спосіб поліпшення механічних властивостей металевих матеріалів шляхом рафінування кристалічних зерен називається зміцненням кристалічного рафінування.У промисловості міцність матеріалу покращують шляхом рафінування кристалічних зерен.

2. Принцип

Метали зазвичай являють собою полікристали, що складаються з багатьох кристалічних зерен.Розмір кристалічних зерен можна виразити кількістю кристалічних зерен в одиниці об'єму.Чим більше число, тим дрібніші кристалічні зерна.Досліди показують, що дрібнозернисті метали при кімнатній температурі мають вищу міцність, твердість, пластичність і ударну в'язкість, ніж крупнозернисті метали.Це пояснюється тим, що дрібні зерна зазнають пластичної деформації під дією зовнішньої сили і можуть бути розсіяні в більшій кількості зерен, пластична деформація більш рівномірна, а концентрація напруги менша;крім того, чим дрібніші зерна, тим більша площа меж зерен і більш звивисті межі зерен.Тим несприятливішим є поширення тріщин.Тому метод підвищення міцності матеріалу шляхом очищення кристалічних зерен у промисловості називається зміцненням очищення зерен.

3. Ефект

Чим менший розмір зерен, тим менше число дислокацій (n) у кластері дислокацій.Відповідно до τ=nτ0, чим менша концентрація напружень, тим вища міцність матеріалу;

Закон зміцнення дрібнозернистого зміцнення полягає в тому, що чим більше меж зерен, тим дрібніші зерна.Відповідно до співвідношення Холла-Пейці, чим менше середнє значення (d) зерен, тим вище межа текучості матеріалу.

4. Спосіб подрібнення зерна

Підвищити ступінь переохолодження;

Лікування погіршення стану;

Вібрація і перемішування;

Для холоднодеформованих металів кристалічні зерна можна подрібнити, контролюючи ступінь деформації та температуру відпалу.

Армування другого етапу

1. Означення

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

2. Класифікація

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

(1) Зміцнення частинок, що не деформуються (обхідний механізм).

(2) Зміцнення частинок, що деформуються (наскрізний механізм).

Як дисперсійне, так і дисперсійне зміцнення є окремими випадками зміцнення другої фази.

3. Ефект

Основною причиною зміцнення другої фази є взаємодія між ними та дислокацією, яка утруднює рух дислокації та покращує опір деформації сплаву.

Підсумовуючи

Найважливішими факторами, що впливають на міцність, є склад, структура і стан поверхні самого матеріалу;другий - це стан сили, такий як швидкість сили, метод навантаження, просте розтягування або повторна сила, покаже різні сили;Крім того, геометрія та розмір зразка та досліджуваного середовища також мають великий вплив, іноді навіть вирішальний.Наприклад, міцність на розрив надвисокоміцної сталі в атмосфері водню може експоненціально падати.

Існує лише два способи зміцнення металевих матеріалів.Один полягає в тому, щоб збільшити силу міжатомного зв’язку сплаву, збільшити його теоретичну міцність і отримати повний кристал без дефектів, таких як вуса.Відомо, що міцність залізних вусів близька до теоретичної.Можна вважати, що це пов’язано з тим, що у вусах немає дислокацій або є лише невелика кількість дислокацій, які не можуть проліферувати в процесі деформації.На жаль, при більшому діаметрі вуса міцність різко падає.Інший підхід до посилення полягає у введенні в кристал великої кількості кристалічних дефектів, таких як дислокації, точкові дефекти, неоднорідні атоми, межі зерен, високодисперсні частинки або неоднорідності (такі як сегрегація) тощо. Ці дефекти перешкоджають руху дислокацій і також істотно підвищити міцність металу.Факти довели, що це найефективніший спосіб підвищення міцності металів.Для інженерних матеріалів, як правило, завдяки ефектам комплексного зміцнення досягається краща комплексна продуктивність.