01. Wzmocnienie roztworu stałego
Definicja
Wzmocnienie w roztworze stałym to zjawisko, w którym pierwiastki stopowe rozpuszczają się w metalu nieszlachetnym, powodując zniekształcenie siatki i zwiększając wytrzymałość stopu.
Zasada
Atomy substancji rozpuszczonych, które rozpuszczają się w roztworze stałym, powodują zniekształcenie sieci, co zwiększa opór ruchu dyslokacyjnego, utrudniając poślizg. W rezultacie wzrasta wytrzymałość i twardość stałego roztworu stopu. Ten mechanizm wzmacniający polega na rozpuszczeniu atomów substancji rozpuszczonej w celu utworzenia stałego roztworu. Przy odpowiednim stężeniu substancji rozpuszczonej wytrzymałość i twardość materiału poprawiają się, chociaż jego wytrzymałość i plastyczność mogą się zmniejszyć.
Czynniki wpływające
Im wyższy udział atomowy atomów substancji rozpuszczonej, tym silniejszy efekt wzmacniający, szczególnie przy niskich stężeniach.
Im większa różnica wielkości pomiędzy atomami substancji rozpuszczonej i metalu nieszlachetnego, tym większe jest wzmocnienie.
Atomy śródmiąższowe substancji rozpuszczonej mają silniejsze działanie wzmacniające niż atomy substytucyjne. W kryształach sześciennych-centrowanych na ciele atomy śródmiąższowe powodują asymetryczne zniekształcenie sieci, co skutkuje większym wzmocnieniem niż w przypadku kryształów sześciennych-centrowanych na powierzchni. Jednakże rozpuszczalność atomów śródmiąższowych jest ograniczona.
Im większa różnica w liczbie elektronów walencyjnych między atomami substancji rozpuszczonej i zasady, tym silniejszy efekt wzmacniający. Granica plastyczności wzrasta wraz ze stężeniem elektronów.
Stopień wzmocnienia zależy od:
Różnica wielkości między atomami substancji rozpuszczonej i zasady: Większe niedopasowanie wielkości zwiększa odporność na dyslokację.
Ilość pierwiastków stopowych: Więcej stopu=silniejszy efekt, ale nadmierne ilości mogą przekroczyć granicę rozpuszczalności i wymagać innych metod wzmacniania, takich jak wzmacnianie w drugiej fazie.
Atomy śródmiąższowe wzmacniają bardziej niż atomy substytucyjne.
Różnica elektronów walencyjnych między substancją rozpuszczoną a metalem osnowy zwiększa wzmocnienie.
Ruchomości
Granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardość przewyższają wartości czystych metali.
Ogólnie niższa plastyczność w porównaniu do czystych metali.
Niższa przewodność elektryczna niż czyste metale.
Zwiększona odporność na pełzanie i-wytrzymałość w wysokich temperaturach.
02. Utwardzanie przez zgniot (utwardzanie)
Definicja
Wraz ze wzrostem odkształcenia na zimno wzrasta wytrzymałość i twardość metalu, podczas gdy plastyczność i wytrzymałość maleją.
Przegląd
Kiedy metale ulegają odkształceniu plastycznemu poniżej temperatury rekrystalizacji, stają się mocniejsze i twardsze, ale mniej plastyczne i wytrzymałe. Znane również jako hartowanie na zimno. Podczas odkształcenia plastycznego dyslokacje splatają się, ziarna wydłużają się, pękają i stają się włókniste. Wprowadza się naprężenie szczątkowe. Stopień utwardzenia mierzy się zazwyczaj stosunkiem mikrotwardości powierzchni przed i po odkształceniu do głębokości zahartowanej warstwy.
Wyjaśnienie teorii dyslokacji
Dyslokacje krzyżują się i tworzą-krokowe przeszkody w ruchu.
Dyslokacje reagują, tworząc nieruchome dyslokacje, które utrudniają ruch.
Namnażanie dyslokacji zwiększa gęstość, dodatkowo utrudniając ruch.
Wady
Utwardzanie przez zgniot komplikuje dalszą obróbkę. Na przykład stal-walcowana na zimno staje się coraz bardziej twarda i nieobrabialna, co wymaga wyżarzania pośredniego w celu zmiękczenia. Podczas obróbki utwardzanie powierzchniowe zwiększa siłę skrawania i zużycie narzędzia.
Korzyści
Poprawia wytrzymałość, twardość i odporność metalu na zużycie, zwłaszcza w przypadku czystych metali i stopów, których nie można wzmocnić poprzez obróbkę cieplną (np. druty-ciągnione na zimno o wysokiej-wytrzymałości,-sprężyny walcowane na zimno, tory czołgowe, szczęki kruszarki, zwrotnice kolejowe.
Zastosowania w inżynierii mechanicznej
Ciągnienie na zimno, walcowanie i śrutowanie znacznie zwiększają wytrzymałość powierzchni materiałów i komponentów.
Miejscowe odkształcenie plastyczne pod wpływem naprężenia można ograniczyć dzięki utwardzaniu przez zgniot, co poprawia bezpieczeństwo komponentów.
Podczas tłoczenia obszary hartowane kierują odkształcenie do obszarów bardziej miękkich, umożliwiając równomierne odkształcenie w przekrojach.
Poprawia skrawalność stali-niskowęglowych, ułatwiając oddzielanie wiórów. Zwiększa jednak energochłonność dalszej obróbki i zużycie narzędzi podczas obróbki.
03. Wzmocnienie rozdrobnienia ziarna
Definicja
Wzmocnienie rozdrobnienia ziarna poprawia właściwości mechaniczne poprzez zmniejszenie rozmiaru ziarna.
Zasada
Metale są polikrystaliczne. Mniejsze ziarna (tj. więcej ziaren na jednostkę objętości) powodują wyższą wytrzymałość, twardość, plastyczność i wytrzymałość. Drobniejsze ziarna rozkładają odkształcenia bardziej równomiernie, zmniejszają koncentrację naprężeń i utrudniają propagację pęknięć. Zatem rafinacja ziaren zwiększa wytrzymałość.
Ruchomości
Drobniejsze ziarna zmniejszają-naprężenia związane z powstawaniem zwichnięć, zwiększając wytrzymałość.
Zgodnie z zależnością Halla – Petcha mniejszy rozmiar ziaren ddd prowadzi do wyższej granicy plastyczności.
Metody rafinacji ziaren
Zwiększyć przechłodzenie.
Leczenie inokulacyjne.
Wibracje i mieszanie podczas krzepnięcia.
W zimnych-odkształconych metalach: kontroluj stopień odkształcenia i temperaturę wyżarzania.
04. Druga faza wzmocnienia
Definicja
W stopach wielofazowych oprócz fazy osnowy występuje druga faza. Kiedy drobno rozproszone cząstki drugiej-fazy są równomiernie rozmieszczone w osnowie, znacznie wzmacniają stop. Nazywa się to wzmacnianiem-drugiej fazy.
Typy
Z punktu widzenia ruchu dyslokacyjnego cząstki-fazy drugiej dzieli się na:
Cząstki-nieodkształcalne: wzmocnienie poprzez mechanizm obejściowy (mechanizm Orowana).
Cząstki odkształcalne: wzmocnienie poprzez mechanizm tnący.
Wzmocnienie dyspersyjne i utwardzanie wydzieleniowe to specyficzne formy wzmacniania-fazy drugiej.
Ruchomości
Cząstki drugiej-fazy oddziałują z dyslokacjami, utrudniając ich ruch i zwiększając odporność stopu na odkształcenia.
Inne czynniki wpływające na siłę
Skład stopu, mikrostruktura i stan powierzchni.
Warunki obciążenia: szybkość, tryb (rozciągający vs. cykliczny).
Geometria próbki i środowisko testowe (np. kruchość wodorowa może drastycznie zmniejszyć wytrzymałość).
Podsumowanie podejść wzmacniających
Dwie główne ścieżki wzmacniania metali:
Zwiększ siłę wiązania atomowego i utwórz-kryształy wolne od defektów (np. wąsy).
Wprowadź defekty (dylokacje, atomy substancji rozpuszczonej, granice ziaren itp.), aby utrudnić ruch dyslokacji, - okazała się najskuteczniejszą metodą.
Materiały konstrukcyjne zazwyczaj opierają się na kombinacji mechanizmów wzmacniających, aby osiągnąć optymalną wydajność.
