Укрепване на твърд разтвор

1. Определение

Феномен, при който легиращите елементи се разтварят в основния метал, за да причинят определена степен на изкривяване на решетката и по този начин да увеличат здравината на сплавта.

2. Принцип

Атомите на разтвореното вещество, разтворени в твърдия разтвор, причиняват изкривяване на решетката, което увеличава съпротивлението на движението на дислокацията, затруднява приплъзването 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 атомите на разтвореното вещество е подходяща, силата и твърдостта на материала могат да бъдат увеличени, но неговата жилавост и пластичност са намалели.

3. Влияещи фактори

Колкото по-висока е атомната фракция на атомите на разтвореното вещество, 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.

Атомите на интерстициалното разтворено вещество имат по-голям ефект на укрепване на твърдия разтвор от заместващите атоми и тъй като изкривяването на решетката на интерстициалните атоми в центрираните по тялото кубични кристали е асиметрично, техният укрепващ ефект е по-голям от този на кубичните кристали с лицев център; но интерстициални атоми Твърдата разтворимост 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 атомите на матрицата и атомите на разтвореното вещество. Колкото по-голяма е разликата в размера, толкова по-голяма е намесата в оригиналната кристална структура и толкова по-трудно е приплъзването на дислокацията.

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

Интерстициалните разтворени атоми имат по-голям ефект на укрепване на твърдия разтвор от 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

Граница на провлачване, якост на опън и твърдост са по-силни от чистите метали;

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

Проводимостта е много по-ниска от чистия метал;

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

Работно закаляване

1. Определение

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

2. Въведение

Феномен, при който якостта и твърдостта на металните материали се увеличават, когато те са пластично деформирани под температурата на рекристализация, докато пластичността и якостта намаляват. Също известен като закаляване при студена работа. Причината е, че когато металът е пластично деформиран, кристалните зърна се приплъзват и дислокациите се заплитат, което кара кристалните зърна да се удължават, счупват и фибризират и в метала се генерират остатъчни напрежения. Степента на работно втвърдяване обикновено се изразява чрез отношението на микротвърдостта на повърхностния слой след обработка към тази преди обработката и дълбочината на втвърдения слой.

3. Интерпретация от гледна точка на дислокационната теория

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

(2) Възниква реакция между дислокациите и образуваната фиксирана дислокация възпрепятства движението на дислокацията;

(3) Възниква пролиферация на дислокации и увеличаването на плътността на дислокациите допълнително увеличава устойчивостта на движение на дислокациите.

4. Вреди

Втвърдяването при работа затруднява по-нататъшната обработка на метални части. Например, в процеса на студено валцуване на стоманената плоча, тя ще става все по-трудна за търкаляне, така че е необходимо да се организира междинно отгряване по време на процеса на обработка, за да се елиминира нейното втвърдяване чрез нагряване. Друг пример е да направите повърхността на детайла крехка и твърда в процеса на рязане, като по този начин ускорявате износването на инструмента и увеличавате силата на рязане.

5. Ползи

Може да подобри здравината, твърдостта и устойчивостта на износване на металите, особено за тези чисти метали и някои сплави, които не могат да бъдат подобрени чрез термична обработка. Например, студено изтеглена стоманена тел с висока якост и студено навита пружина и т.н. използват деформация при студена обработка, за да подобрят своята якост и граница на еластичност. Друг пример е използването на работно закаляване за подобряване на твърдостта и устойчивостта на износване на резервоари, тракторни вериги, челюсти на трошачки и железопътни стрелки.

6. Роля в машиностроенето

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

След като частите са подложени на напрежение, локалното напрежение на определени части често надвишава границата на провлачване на материала, причинявайки пластична деформация. Поради закаляването при работа, продължаващото развитие на пластична деформация е ограничено, което може да подобри безопасността на частите и компонентите;

При щамповане на метална част или компонент нейната пластична деформация е придружена от укрепване, така че деформацията се пренася върху необработената закалена част около нея. След такива повтарящи се редуващи се действия могат да се получат части за студено щамповане с равномерна деформация на напречното сечение;

Може да подобри производителността на рязане на нисковъглеродна стомана и да направи стружките лесни за отделяне. Но закаляването също създава трудности при по-нататъшната обработка на метални части. Например студено изтеглената стоманена тел изразходва много енергия за по-нататъшно изтегляне поради втвърдяване при работа и дори може да бъде счупена. Следователно, той трябва да бъде закален, за да се елиминира работното втвърдяване 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 фини зърна

1. Определение

Методът за подобряване на механичните свойства на металните материали чрез рафиниране на кристалните зърна се нарича укрепване с кристално рафиниране. В индустрията здравината 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 бъде изразен чрез броя на кристалните зърна на единица обем. Колкото повече е числото, 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 диспергирани в повече зърна, пластичната деформация е по-равномерна и концентрацията на напрежение е по-малка; в допълнение, колкото по-фини са зърната, толкова по-голяма е граничната площ на зърното и по-кривите граници на зърното. Колкото по-неблагоприятно е разпространението на пукнатини. Следователно методът за подобряване на здравината на материала чрез рафиниране на кристалните зърна се нарича укрепване с 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 на финозърнестото укрепване е, че колкото повече са границите на зърната, толкова по-фини са зърната. Съгласно зависимостта на Хол-Пейчи, колкото по-малка е средната стойност (d) на зърната, толкова по-висока е границата на провлачване на материала.

4. Методът на рафиниране на зърното

Увеличете степента на преохлаждане;

Лечение на влошаване;

Вибрация и разбъркване;

За студено деформирани метали кристалните зърна могат да бъдат рафинирани чрез контролиране на степента на деформация и температурата на отгряване.

Втора фаза на укрепване

1. Определение

В сравнение с еднофазните сплави, многофазните сплави имат втора фаза в допълнение към фазата на матрицата. 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 на втората фаза.

2. Класификация

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

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

(2) Укрепване на деформируеми частици (прорязващ механизъм).

Както дисперсионното укрепване, така и утаяващото укрепване са специални случаи на укрепване от втора фаза.

3. Ефект

Основната причина за укрепването на втората фаза е взаимодействието между тях и дислокацията, което затруднява движението на дислокацията и подобрява устойчивостта на деформация на сплавта.

да обобщим

Най-важните фактори, влияещи върху якостта, са съставът, структурата и повърхностното състояние на самия материал; второто е състоянието на силата, като скоростта на силата, методът на натоварване, просто разтягане или повтаряща се сила, ще покаже различни силни страни; В допълнение, геометрията и размерът на пробата и тестовата среда също имат голямо влияние, понякога дори решаващо. Например якостта на опън на стомана със свръхвисока якост във водородна атмосфера може да спадне експоненциално.

Има само два начина за укрепване на метални материали. Единият е да се увеличи междуатомната сила на свързване на сплавта, да се увеличи нейната теоретична якост и да се подготви пълен кристал без дефекти, като мустаци. Известно е, че силата на железните мустаци е близка до теоретичната стойност. Може да се счита, че това е така, защото няма дислокации в мустаците или има само малко количество дислокации, които не могат да пролиферират по време на процеса на деформация. За съжаление, когато диаметърът на мустака е по-голям, силата рязко пада. 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 нехомогенности (като сегрегация) и т.н. Тези дефекти възпрепятстват движението на дислокациите и също значително подобряване на здравината на метала. Фактите доказват, че това е най-ефективният начин за увеличаване на здравината на металите. За инженерните материали обикновено се постига по-добро цялостно представяне чрез цялостни укрепващи ефекти.