Укрепване на твърд разтвор

1. Определение

Явление, при което легиращите елементи се разтварят в основния метал, за да причинят известна степен на изкривяване на решетката и по този начин да увеличат якостта на сплавта.

2. Принцип

Разтворените атоми на разтвореното вещество, разтворени в твърдия разтвор, причиняват изкривяване на решетката, което увеличава съпротивлението на движението на дислокациите, затруднява плъзгането и увеличава якостта и твърдостта на твърдия разтвор на сплавта. Това явление на укрепване на метала чрез разтваряне на определен разтворен елемент за образуване на твърд разтвор се нарича укрепване на твърд разтвор. Когато концентрацията на разтворените атоми е подходяща, якостта и твърдостта на материала могат да се увеличат, но неговата жилавост и пластичност намаляват.

3. Влияещи фактори

Колкото по-висока е атомната фракция на разтворените атоми, толкова по-голям е укрепващият ефект, особено когато атомната фракция е много ниска, укрепващият ефект е по-значителен.

Колкото по-голяма е разликата между атомите на разтвореното вещество и атомния размер на основния метал, толкова по-голям е укрепващият ефект.

Интерстициалните атоми на разтвореното вещество имат по-голям укрепващ ефект върху твърдия разтвор, отколкото заместващите атоми, и тъй като изкривяването на решетката на интерстициалните атоми в обемно-центрираните кубични кристали е асиметрично, техният укрепващ ефект е по-голям от този на гранецентрираните кубични кристали; но разтворимостта в твърдо състояние на интерстициалните атоми е много ограничена, така че действителният укрепващ ефект също е ограничен.

Колкото по-голяма е разликата в броя на валентните електрони между атомите на разтвореното вещество и основния метал, толкова по-очевиден е ефектът на укрепване на твърдия разтвор, т.е. границата на провлачване на твърдия разтвор се увеличава с увеличаване на концентрацията на валентни електрони.

4. Степента на укрепване на твърдия разтвор зависи главно от следните фактори

Разликата в размера между матричните атоми и атомите на разтвореното вещество. Колкото по-голяма е разликата в размера, толкова по-голямо е нарушаването на оригиналната кристална структура и толкова по-трудно е дислокационното приплъзване.

Количеството легиращи елементи. Колкото повече легиращи елементи се добавят, толкова по-голям е ефектът на укрепване. Ако твърде много атоми са твърде големи или твърде малки, разтворимостта ще бъде превишена. Това включва друг механизъм на укрепване, укрепването чрез дисперсна фаза.

Интерстициалните атоми на разтворените вещества имат по-голям ефект на укрепване на твърдия разтвор, отколкото заместващите атоми.

Колкото по-голяма е разликата в броя на валентните електрони между атомите на разтвореното вещество и основния метал, толкова по-значителен е ефектът на укрепване на твърдия разтвор.

5. Ефект

Границата на провлачване, якостта на опън и твърдостта са по-силни от тези на чистите метали;

В повечето случаи пластичността е по-ниска от тази на чистия метал;

Проводимостта е много по-ниска от тази на чистия метал;

Устойчивостта на пълзене или загубата на якост при високи температури може да се подобри чрез укрепване с твърд разтвор.

Втвърдяване на работата

1. Определение

С увеличаване на степента на студена деформация, якостта и твърдостта на металните материали се увеличават, но пластичността и жилавостта намаляват.

2. Въведение

Явление, при което якостта и твърдостта на металните материали се увеличават, когато те са пластично деформирани под температурата на рекристализация, докато пластичността и жилавостта намаляват. Известно още като студено втвърдяване. Причината е, че когато металът е пластично деформиран, кристалните зърна се приплъзват и дислокациите се заплитат, което води до удължаване, счупване и фиброзиране на кристалните зърна, а в метала се генерират остатъчни напрежения. Степента на втвърдяване обикновено се изразява чрез съотношението на микротвърдостта на повърхностния слой след обработка към тази преди обработка и дълбочината на втвърдения слой.

3. Интерпретация от гледна точка на теорията на дислокациите

(1) Между дислокациите се получава пресичане и получените разрези възпрепятстват движението на дислокациите;

(2) Между дислокациите възниква реакция и образуваната фиксирана дислокация възпрепятства движението на дислокацията;

(3) Настъпва разпространение на дислокации, а увеличаването на плътността на дислокациите допълнително увеличава съпротивлението срещу движението им.

4. Вреда

Втвърдяването на металните части създава трудности при по-нататъшната обработка. Например, при студено валцуване на стоманена плоча, тя става все по-трудна за валцоване, така че е необходимо да се осигури междинно отгряване по време на обработката, за да се елиминира втвърдяването чрез нагряване. Друг пример е да се направи повърхността на детайла крехка и твърда по време на процеса на рязане, като по този начин се ускори износването на инструмента и се увеличи силата на рязане.

5. Ползи

Може да подобри якостта, твърдостта и износоустойчивостта на металите, особено за чистите метали и някои сплави, които не могат да бъдат подобрени чрез термична обработка. Например, студено изтеглена високоякостна стоманена тел и студено навити пружини и др. използват студено деформиране, за да подобрят якостта и границата си на еластичност. Друг пример е използването на закаляване за подобряване на твърдостта и износоустойчивостта на резервоари, тракторни релси, челюсти на трошачки и железопътни стрелки.

6. Роля в машиностроенето

След студено изтегляне, валцуване и дробеструйно обработване (вижте повърхностно укрепване) и други процеси, повърхностната якост на металните материали, части и компоненти може да бъде значително подобрена;

След като частите са напрегнати, локалното напрежение на определени части често надвишава границата на провлачване на материала, причинявайки пластична деформация. Поради втвърдяването на материала, по-нататъшното развитие на пластична деформация е ограничено, което може да подобри безопасността на частите и компонентите;

Когато метална част или компонент се щамповат, пластичната им деформация е съпроводена с укрепване, така че деформацията се предава върху необработената закалена част около тях. След такива многократни редуващи се действия могат да се получат студено щамповани части с равномерна деформация на напречното сечение;

Това може да подобри режещите характеристики на нисковъглеродната стомана и да улесни отделянето на стружките. Но втвърдяването на металните части също създава трудности при по-нататъшната обработка на металните части. Например, студено изтеглената стоманена тел консумира много енергия за по-нататъшно изтегляне поради втвърдяването на деформацията и дори може да се скъса. Следователно, тя трябва да се отгрява, за да се елиминира втвърдяването на деформацията преди изтегляне. Друг пример е, че за да се направи повърхността на детайла крехка и твърда по време на рязане, силата на рязане се увеличава по време на повторно рязане и износването на инструмента се ускорява.

Укрепване на финозърнести зърна

1. Определение

Методът за подобряване на механичните свойства на металните материали чрез рафиниране на кристалните зърна се нарича кристално рафиниране и укрепване. В промишлеността якостта на материала се подобрява чрез рафиниране на кристалните зърна.

2. Принцип

Металите обикновено са поликристали, съставени от много кристални зърна. Размерът на кристалните зърна може да се изрази чрез броя на кристалните зърна на единица обем. Колкото по-голям е броят, толкова по-фини са кристалните зърна. Експериментите показват, че финозърнестите метали при стайна температура имат по-висока якост, твърдост, пластичност и жилавост от едрозърнестите метали. Това е така, защото фините зърна претърпяват пластична деформация под въздействието на външна сила и могат да бъдат разпръснати на повече зърна, пластичната деформация е по-равномерна и концентрацията на напрежение е по-малка; освен това, колкото по-фини са зърната, толкова по-голяма е площта на границата на зърната и толкова по-криволичещи са границите на зърната. Разпространението на пукнатини е по-неблагоприятно. Следователно, методът за подобряване на якостта на материала чрез рафиниране на кристалните зърна се нарича укрепване чрез рафиниране на зърната в индустрията.

3. Ефект

Колкото по-малък е размерът на зърното, толкова по-малък е броят на дислокациите (n) в дислокационния клъстер. Според τ=nτ0, колкото по-малка е концентрацията на напрежение, толкова по-висока е якостта на материала;

Законът за укрепване при финозърнесто укрепване е, че колкото повече са границите между зърната, толкова по-фини са зърната. Според зависимостта на Хол-Пейки, колкото по-малка е средната стойност (d) на зърната, толкова по-висока е границата на провлачване на материала.

4. Методът за рафиниране на зърното

Увеличете степента на преохлаждане;

Лечение на влошаване;

Вибрация и разбъркване;

При студено деформираните метали, кристалните зърна могат да бъдат рафинирани чрез контролиране на степента на деформация и температурата на отгряване.

Армировка на втората фаза

1. Определение

В сравнение с еднофазните сплави, многофазните сплави имат втора фаза в допълнение към матричната фаза. Когато втората фаза е равномерно разпределена в матричната фаза с фини диспергирани частици, тя ще има значителен укрепващ ефект. Този укрепващ ефект се нарича укрепване от втора фаза.

2. Класификация

За движението на дислокациите, втората фаза, съдържаща се в сплавта, има следните две ситуации:

(1) Армиране на недеформируеми частици (байпасен механизъм).

(2) Армиране на деформируеми частици (механизъм за прорязване).

Както дисперсионното укрепване, така и укрепването чрез валежи са специални случаи на укрепване чрез втора фаза.

3. Ефект

Основната причина за укрепването на втората фаза е взаимодействието между тях и дислокацията, което възпрепятства движението на дислокацията и подобрява деформационната устойчивост на сплавта.

да обобщя

Най-важните фактори, влияещи върху якостта, са съставът, структурата и състоянието на повърхността на самия материал; второто е състоянието на силата, като например скоростта на прилагане на силата, методът на натоварване, простото разтягане или многократното прилагане на сила, които ще покажат различни якости; Освен това, геометрията и размерът на пробата, както и тестовата среда, също имат голямо влияние, понякога дори решаващо. Например, якостта на опън на свръхвисокоякостна стомана във водородна атмосфера може да спадне експоненциално.

Има само два начина за укрепване на металните материали. Единият е да се увеличи силата на междуатомното свързване на сплавта, да се увеличи теоретичната ѝ якост и да се получи цялостен кристал без дефекти, като например нишки. Известно е, че якостта на железните нишки е близка до теоретичната стойност. Може да се приеме, че това е така, защото в нишките няма дислокации или има само малко количество дислокации, които не могат да се разпространяват по време на процеса на деформация. За съжаление, когато диаметърът на нишките е по-голям, якостта спада рязко. Друг подход за укрепване е въвеждането на голям брой кристални дефекти в кристала, като дислокации, точкови дефекти, хетерогенни атоми, граници на зърната, силно диспергирани частици или нееднородности (като сегрегация) и др. Тези дефекти възпрепятстват движението на дислокациите и също така значително подобряват якостта на метала. Фактите доказват, че това е най-ефективният начин за увеличаване на якостта на металите. При инженерните материали обикновено чрез комплексни укрепващи ефекти се постигат по-добри цялостни характеристики.