Förstärkning av fast lösning

1. Definition

Ett fenomen där legeringselement löses upp i basmetallen för att orsaka en viss grad av gitterförvrängning och därmed öka legeringens hållfasthet.

2. Princip

De lösta atomerna i den fasta lösningen orsakar gitterförvrängning, vilket ökar motståndet mot dislokationsrörelser, försvårar glidning och ökar styrkan och hårdheten hos legeringens fasta lösning. Detta fenomen där metallen förstärks genom att ett visst löst ämne löses upp för att bilda en fast lösning kallas förstärkning i fast lösning. När koncentrationen av lösta atomer är lämplig kan materialets styrka och hårdhet ökas, men dess seghet och plasticitet minskar.

3. Påverkande faktorer

Ju högre atomfraktionen av lösta atomer är, desto större är förstärkningseffekten, särskilt när atomfraktionen är mycket låg, är förstärkningseffekten mer betydande.

Ju större skillnaden är mellan de lösta atomerna och basmetallens atomstorlek, desto större är den förstärkande effekten.

Interstitiella lösta atomer har en större förstärkande effekt i fast lösning än ersättningsatomer, och eftersom gitterförvrängningen hos interstitiella atomer i kroppscentrerade kubiska kristaller är asymmetrisk, är deras förstärkande effekt större än hos ytcentrerade kubiska kristaller; men interstitiella atomer har en mycket begränsad löslighet i fasta ämnen, så den faktiska förstärkande effekten är också begränsad.

Ju större skillnaden är i antalet valenselektroner mellan de lösta atomerna och basmetallen, desto mer uppenbar blir den förstärkande effekten av den fasta lösningen, det vill säga att sträckgränsen för den fasta lösningen ökar med ökningen av valenselektronkoncentrationen.

4. Graden av fast lösningsförstärkning beror huvudsakligen på följande faktorer

Skillnaden i storlek mellan matrisatomer och lösta atomer. Ju större storleksskillnaden är, desto större interferens med den ursprungliga kristallstrukturen, och desto svårare är det för dislokationsglidning.

Mängden legeringsämnen. Ju fler legeringsämnen som tillsätts, desto större blir förstärkningseffekten. Om för många atomer är för stora eller för små kommer lösligheten att överskridas. Detta involverar en annan förstärkningsmekanism, förstärkning av dispergerad fas.

Interstitiella lösta atomer har en större förstärkande effekt i fast lösning än ersättningsatomer.

Ju större skillnaden i antalet valenselektroner mellan de lösta atomerna och basmetallen är, desto mer betydande är den förstärkande effekten av den fasta lösningen.

5. Effekt

Sträckgräns, draghållfasthet och hårdhet är starkare än rena metaller;

I de flesta fall är duktiliteten lägre än för ren metall;

Ledningsförmågan är mycket lägre än ren metalls;

Krypmotstånd, eller hållfasthetsförlust vid höga temperaturer, kan förbättras genom förstärkning i fast lösning.

Deformationshärdning

1. Definition

När graden av kalldeformation ökar ökar metallmaterialens hållfasthet och hårdhet, men plasticiteten och segheten minskar.

2. Introduktion

Ett fenomen där metallmaterials hållfasthet och hårdhet ökar när de deformeras plastiskt under omkristallisationstemperaturen, medan plasticiteten och segheten minskar. Även känt som kallhärdning. Anledningen är att när metallen deformeras plastiskt glider kristallkornen och förskjutningar intrasslar, vilket gör att kristallkornen förlängs, brister och fibreras, och kvarvarande spänningar genereras i metallen. Graden av kallhärdning uttrycks vanligtvis som förhållandet mellan mikrohårdheten hos ytskiktet efter bearbetning och den före bearbetning samt djupet av det härdade skiktet.

3. Tolkning ur dislokationsteorins perspektiv

(1) Skärningspunkten uppstår mellan dislokationer, och de resulterande skärningarna hindrar dislokationernas rörelse;

(2) En reaktion sker mellan dislokationerna, och den bildade fasta dislokationen hindrar dislokationens rörelse;

(3) Spridning av dislokationer sker, och ökningen av dislokationstätheten ökar ytterligare motståndet mot dislokationsrörelse.

4. Skada

Deformationshärdning medför svårigheter vid vidare bearbetning av metalldelar. Till exempel, vid kallvalsning av stålplåt blir den hårdare och hårdare att valsa, så det är nödvändigt att anordna mellanglödgning under bearbetningsprocessen för att eliminera deformationshärdning genom uppvärmning. Ett annat exempel är att göra arbetsstyckets yta spröd och hård under skärprocessen, vilket accelererar verktygsslitage och ökar skärkraften.

5. Fördelar

Det kan förbättra metallernas hållfasthet, hårdhet och slitstyrka, särskilt för de rena metallerna och vissa legeringar som inte kan förbättras genom värmebehandling. Till exempel använder kalldragen höghållfast ståltråd och kallspiralfjädrar etc. kallbearbetning för att förbättra sin hållfasthet och elasticitetsgräns. Ett annat exempel är användningen av deformationshärdning för att förbättra hårdheten och slitstyrkan hos stridsvagnar, traktorspår, krossbackar och järnvägsväxlar.

6. Roll inom maskinteknik

Efter kalldragning, valsning och kulblästring (se ytförstärkning) och andra processer kan ytstyrkan hos metallmaterial, delar och komponenter förbättras avsevärt;

Efter att delarna har utsatts för spänningar överstiger den lokala spänningen i vissa delar ofta materialets sträckgräns, vilket orsakar plastisk deformation. På grund av deformationshärdning begränsas den fortsatta utvecklingen av plastisk deformation, vilket kan förbättra säkerheten för delar och komponenter.

När en metalldel eller komponent stansas, åtföljs dess plastiska deformation av förstärkning, så att deformationen överförs till den obearbetade, härdade delen runtomkring. Efter sådana upprepade alternerande åtgärder kan kallstansade delar med jämn tvärsnittsdeformation erhållas;

Det kan förbättra skärprestandan hos lågkolstål och göra spånorna lätta att separera. Men deformationshärdning medför också svårigheter vid vidare bearbetning av metalldelar. Till exempel förbrukar kalldragen ståltråd mycket energi för vidare dragning på grund av deformationshärdning, och kan till och med gå sönder. Därför måste den glödgas för att eliminera deformationshärdning före dragning. Ett annat exempel är att för att göra arbetsstyckets yta spröd och hård under skärning ökar skärkraften under omskärning, och verktygsslitaget accelereras.

Finkornsförstärkning

1. Definition

Metoden att förbättra de mekaniska egenskaperna hos metallmaterial genom att förfina kristallkornen kallas kristallförfiningshärdning. Inom industrin förbättras materialets hållfasthet genom att förfina kristallkornen.

2. Princip

Metaller är vanligtvis polykristaller som består av många kristallkorn. Kristallkornens storlek kan uttryckas med antalet kristallkorn per volymenhet. Ju fler kristallkorn, desto finare kristallkorn. Experiment visar att finkorniga metaller vid rumstemperatur har högre hållfasthet, hårdhet, plasticitet och seghet än grovkorniga metaller. Detta beror på att de fina kornen genomgår plastisk deformation under yttre kraft och kan dispergeras i fler korn, den plastiska deformationen är mer enhetlig och spänningskoncentrationen är lägre; dessutom, ju finare kornen är, desto större korngränsyta och desto mer slingrande korngränser. Desto mer ogynnsam är spridningen av sprickor. Därför kallas metoden för att förbättra materialets hållfasthet genom att förfina kristallkornen för kornförfiningsförstärkning inom industrin.

3. Effekt

Ju mindre kornstorleken är, desto mindre är antalet dislokationer (n) i dislokationsklustret. Enligt τ=nτ0, ju mindre spänningskoncentrationen är, desto högre är materialets hållfasthet;

Härdningslagen för finkornig förstärkning är att ju fler korngränser, desto finare kornen. Enligt Hall-Peiqi-förhållandet gäller att ju mindre medelvärdet (d) för kornen är, desto högre är materialets sträckgräns.

4. Metoden för kornförfining

Öka graden av underkylning;

Behandling av försämring;

Vibration och omrörning;

För kalldeformerade metaller kan kristallkornen förfinas genom att kontrollera deformationsgraden och glödgningstemperaturen.

Andra fasens förstärkning

1. Definition

Jämfört med enfaslegeringar har flerfaslegeringar en andra fas utöver matrisfasen. När den andra fasen är jämnt fördelad i matrisfasen med finfördelade partiklar, kommer den att ha en betydande förstärkningseffekt. Denna förstärkningseffekt kallas andrafasförstärkning.

2. Klassificering

För förflyttning av dislokationer har den andra fasen som ingår i legeringen följande två situationer:

(1) Förstärkning av icke-deformerbara partiklar (bypassmekanism).

(2) Armering av deformerbara partiklar (genomskärningsmekanism).

Både dispersionsförstärkning och nederbördsförstärkning är specialfall av andrafasförstärkning.

3. Effekt

Den främsta orsaken till förstärkningen av den andra fasen är interaktionen mellan dem och dislokationen, vilket hindrar dislokationens rörelse och förbättrar legeringens deformationsmotstånd.

sammanfattningsvis

De viktigaste faktorerna som påverkar hållfastheten är själva materialets sammansättning, struktur och ytbeskaffenhet; den andra är krafttillståndet, såsom kraftens hastighet, belastningsmetod, enkel sträckning eller upprepad kraft, kommer att uppvisa olika hållfastheter; Dessutom har provets geometri och storlek samt testmediet också en stor inverkan, ibland till och med avgörande. Till exempel kan draghållfastheten hos ultrahöghållfast stål i en vätgasatmosfär minska exponentiellt.

Det finns bara två sätt att förstärka metallmaterial. Det ena är att öka legeringens interatomära bindningskraft, öka dess teoretiska hållfasthet och framställa en komplett kristall utan defekter, såsom whiskers. Det är känt att hållfastheten hos järnwhiskers ligger nära det teoretiska värdet. Man kan anta att detta beror på att det inte finns några dislokationer i whiskersen, eller bara en liten mängd dislokationer som inte kan föröka sig under deformationsprocessen. Tyvärr, när whiskers diameter är större, minskar hållfastheten kraftigt. En annan förstärkningsmetod är att introducera ett stort antal kristalldefekter i kristallen, såsom dislokationer, punktdefekter, heterogena atomer, korngränser, starkt dispergerade partiklar eller inhomogeniteter (såsom segregation), etc. Dessa defekter hindrar dislokationernas rörelse och förbättrar också metallens hållfasthet avsevärt. Fakta har visat att detta är det mest effektiva sättet att öka metallers hållfasthet. För konstruktionsmaterial är det generellt genom omfattande förstärkningseffekter för att uppnå bättre övergripande prestanda.