Consolidarea soluției solide

1. Definiție

Un fenomen în care elementele de aliere sunt dizolvate în metalul de bază pentru a provoca un anumit grad de distorsiune a rețelei și astfel pentru a crește rezistența aliajului.

2. Principiu

Atomii de substanță dizolvați în soluția solidă provoacă distorsiuni ale rețelei, ceea ce crește rezistența la mișcarea dislocațiilor, îngreunează alunecarea și crește rezistența și duritatea soluției solide a aliajului. Acest fenomen de întărire a metalului prin dizolvarea unui anumit element de substanță pentru a forma o soluție solidă se numește întărire în soluție solidă. Atunci când concentrația atomilor de substanță dizolvată este adecvată, rezistența și duritatea materialului pot fi crescute, dar tenacitatea și plasticitatea acestuia au scăzut.

3. Factori de influență

Cu cât fracția atomică a atomilor de substanță dizolvată este mai mare, cu atât efectul de întărire este mai mare, mai ales când fracția atomică este foarte mică, efectul de întărire este mai semnificativ.

Cu cât este mai mare diferența dintre atomii de substanță dizolvată și dimensiunea atomică a metalului de bază, cu atât este mai mare efectul de întărire.

Atomii de substanță dizolvată interstițială au un efect de întărire în soluție solidă mai mare decât atomii de înlocuire și, deoarece distorsiunea rețelei atomilor interstițiali în cristalele cubice centrate pe corp este asimetrică, efectul lor de întărire este mai mare decât cel al cristalelor cubice cu fețe centrate; însă solubilitatea solidă a atomilor interstițiali este foarte limitată, deci efectul real de întărire este, de asemenea, limitat.

Cu cât diferența dintre numărul de electroni de valență dintre atomii de substanță dizolvată și metalul de bază este mai mare, cu atât efectul de întărire al soluției solide este mai evident, adică rezistența la curgere a soluției solide crește odată cu creșterea concentrației de electroni de valență.

4. Gradul de întărire a soluției solide depinde în principal de următorii factori

Diferența de dimensiune dintre atomii matricei și atomii solutului. Cu cât diferența de dimensiune este mai mare, cu atât interferența cu structura cristalină originală este mai mare și cu atât alunecarea dislocațiilor este mai dificilă.

Cantitatea de elemente de aliere. Cu cât se adaugă mai multe elemente de aliere, cu atât efectul de întărire este mai mare. Dacă prea mulți atomi sunt prea mari sau prea mici, solubilitatea va fi depășită. Aceasta implică un alt mecanism de întărire, întărirea în fază dispersată.

Atomii de solut interstițiali au un efect de întărire a soluției solide mai mare decât atomii de înlocuire.

Cu cât diferența dintre numărul de electroni de valență dintre atomii de substanță dizolvată și metalul de bază este mai mare, cu atât efectul de întărire al soluției solide este mai semnificativ.

5. Efect

Rezistența la curgere, rezistența la tracțiune și duritatea sunt mai puternice decât cele ale metalelor pure;

În majoritatea cazurilor, ductilitatea este mai mică decât cea a metalului pur;

Conductivitatea este mult mai mică decât cea a metalului pur;

Rezistența la fluaj, sau pierderea rezistenței la temperaturi ridicate, poate fi îmbunătățită prin întărirea în soluție solidă.

Încălzirea prin muncă

1. Definiție

Pe măsură ce gradul de deformare la rece crește, rezistența și duritatea materialelor metalice cresc, dar plasticitatea și tenacitatea scad.

2. Introducere

Un fenomen în care rezistența și duritatea materialelor metalice cresc atunci când acestea sunt deformate plastic sub temperatura de recristalizare, în timp ce plasticitatea și tenacitatea scad. Cunoscut și sub denumirea de ecruisare la rece. Motivul este că, atunci când metalul este deformat plastic, granulele de cristal alunecă și dislocațiile se încurcă, ceea ce face ca granulele de cristal să se alungească, să se rupă și să se fibreze, generând astfel tensiuni reziduale în metal. Gradul de ecruisare este de obicei exprimat prin raportul dintre microduritatea stratului de suprafață după prelucrare și cea de dinainte de prelucrare și adâncimea stratului întărit.

3. Interpretare din perspectiva teoriei dislocațiilor

(1) Între luxații are loc o intersecție, iar tăieturile rezultate împiedică mișcarea luxațiilor;

(2) Între dislocații are loc o reacție, iar dislocația fixă ​​formată împiedică mișcarea dislocației;

(3) Are loc proliferarea dislocațiilor, iar creșterea densității dislocațiilor sporește și mai mult rezistența la mișcarea dislocațiilor.

4. Rănire

Ecruisarea aduce dificultăți în prelucrarea ulterioară a pieselor metalice. De exemplu, în procesul de laminare la rece a plăcii de oțel, aceasta va deveni din ce în ce mai greu de laminat, așa că este necesar să se prevadă o recoacere intermediară în timpul procesului de prelucrare pentru a elimina ecruisarea prin încălzire. Un alt exemplu este întărirea și fragilizarea suprafeței piesei de prelucrat în procesul de așchiere, accelerând astfel uzura sculei și crescând forța de așchiere.

5. Beneficii

Poate îmbunătăți rezistența, duritatea și rezistența la uzură a metalelor, în special a acelor metale pure și a anumitor aliaje care nu pot fi îmbunătățite prin tratament termic. De exemplu, sârma de oțel de înaltă rezistență trasă la rece și arcul înfășurat la rece etc. utilizează deformarea prin prelucrare la rece pentru a-și îmbunătăți rezistența și limita de elasticitate. Un alt exemplu este utilizarea ecruisării pentru a îmbunătăți duritatea și rezistența la uzură a rezervoarelor, șinelor de tractor, fălcilor concasoarelor și macazurilor de cale ferată.

6. Rolul în ingineria mecanică

După tragerea la rece, laminare și cioplire cu alice (vezi întărirea suprafeței) și alte procese, rezistența suprafeței materialelor, pieselor și componentelor metalice poate fi îmbunătățită semnificativ;

După ce piesele sunt solicitate, tensiunea locală a anumitor piese depășește adesea limita de curgere a materialului, provocând deformare plastică. Datorită ecruisării, dezvoltarea continuă a deformării plastice este restricționată, ceea ce poate îmbunătăți siguranța pieselor și componentelor;

Când o piesă sau o componentă metalică este ștanțată, deformarea plastică a acesteia este însoțită de întărire, astfel încât deformarea este transferată către piesa călită neprelucrată din jurul ei. După astfel de acțiuni alternante repetate, se pot obține piese ștanțate la rece cu deformare uniformă a secțiunii transversale;

Poate îmbunătăți performanța de tăiere a oțelului cu conținut scăzut de carbon și poate facilita separarea așchiilor. Însă ecruisarea aduce, de asemenea, dificultăți în prelucrarea ulterioară a pieselor metalice. De exemplu, sârma de oțel trasă la rece consumă multă energie pentru tragerea ulterioară din cauza ecruisării și se poate chiar rupe. Prin urmare, trebuie recoaptă pentru a elimina ecruisarea înainte de tragere. Un alt exemplu este că, pentru a face suprafața piesei de prelucrat fragilă și dură în timpul tăierii, forța de tăiere este crescută în timpul retracției, iar uzura sculei este accelerată.

Consolidarea granulelor fine

1. Definiție

Metoda de îmbunătățire a proprietăților mecanice ale materialelor metalice prin rafinarea granulelor cristaline se numește întărire prin rafinarea cristalină. În industrie, rezistența materialului este îmbunătățită prin rafinarea granulelor cristaline.

2. Principiu

Metalele sunt de obicei policristale compuse din mai multe granule cristaline. Dimensiunea granulelor cristaline poate fi exprimată prin numărul de granule cristaline pe unitatea de volum. Cu cât numărul este mai mare, cu atât granulele cristaline sunt mai fine. Experimentele arată că metalele cu granulație fină la temperatura camerei au o rezistență, o duritate, o plasticitate și o tenacitate mai mari decât metalele cu granulație grosieră. Acest lucru se datorează faptului că granulele fine se deformează plastic sub forța externă și pot fi dispersate în mai multe granule, deformarea plastică este mai uniformă, iar concentrația de stres este mai mică; în plus, cu cât granulele sunt mai fine, cu atât aria limitei granulelor este mai mare și limitele granulelor sunt mai întortocheate. Cu atât propagarea fisurilor este mai nefavorabilă. Prin urmare, metoda de îmbunătățire a rezistenței materialului prin rafinarea granulelor cristaline se numește în industrie consolidarea rafinării granulelor.

3. Efect

Cu cât dimensiunea granulelor este mai mică, cu atât numărul de dislocații (n) din grupul de dislocații este mai mic. Conform lui τ=nτ0, cu cât concentrația de stres este mai mică, cu atât rezistența materialului este mai mare;

Legea de întărire a granulelor fine este că, cu cât limitele granulelor sunt mai mari, cu atât granulele sunt mai fine. Conform relației Hall-Peiqi, cu cât valoarea medie (d) a granulelor este mai mică, cu atât rezistența la curgere a materialului este mai mare.

4. Metoda de rafinare a boabelor

Creșteți gradul de subrăcire;

Tratamentul deteriorării;

Vibrații și agitare;

Pentru metalele deformate la rece, granulele cristaline pot fi rafinate prin controlul gradului de deformare și al temperaturii de recoacere.

A doua fază de consolidare

1. Definiție

Comparativ cu aliajele monofazice, aliajele multifazice au o a doua fază pe lângă faza matricei. Atunci când a doua fază este distribuită uniform în faza matricei cu particule fine dispersate, aceasta va avea un efect de întărire semnificativ. Acest efect de întărire se numește întărire în a doua fază.

2. Clasificare

Pentru mișcarea dislocațiilor, a doua fază conținută în aliaj are următoarele două situații:

(1) Ranforsarea particulelor nedeformabile (mecanism de bypass).

(2) Armarea particulelor deformabile (mecanism de tăiere).

Atât întărirea prin dispersie, cât și întărirea prin precipitații sunt cazuri speciale de întărire în a doua fază.

3. Efect

Principalul motiv pentru întărirea celei de-a doua faze este interacțiunea dintre acestea și dislocație, care împiedică mișcarea dislocației și îmbunătățește rezistența la deformare a aliajului.

în concluzie

Cei mai importanți factori care afectează rezistența sunt compoziția, structura și starea suprafeței materialului în sine; al doilea este starea forței, cum ar fi viteza forței, metoda de încărcare, simpla întindere sau forța repetată, vor prezenta rezistențe diferite; În plus, geometria și dimensiunea probei și a mediului de testare au, de asemenea, o influență mare, uneori chiar decisivă. De exemplu, rezistența la tracțiune a oțelului ultra-rezistent într-o atmosferă de hidrogen poate scădea exponențial.

Există doar două modalități de a întări materialele metalice. Una este creșterea forței de legătură interatomică a aliajului, creșterea rezistenței sale teoretice și pregătirea unui cristal complet fără defecte, cum ar fi barbișoaicele (whiskers). Se știe că rezistența barbișoaicelor de fier este apropiată de valoarea teoretică. Se poate considera că acest lucru se datorează faptului că nu există dislocații în barbișoaice sau există doar o cantitate mică de dislocații care nu pot prolifera în timpul procesului de deformare. Din păcate, atunci când diametrul barbișoaicei este mai mare, rezistența scade brusc. O altă abordare de întărire este introducerea unui număr mare de defecte cristaline în cristal, cum ar fi dislocații, defecte punctuale, atomi eterogeni, limite de granule, particule foarte dispersate sau neomogenități (cum ar fi segregarea) etc. Aceste defecte împiedică mișcarea dislocațiilor și, de asemenea, îmbunătățesc semnificativ rezistența metalului. Faptele au dovedit că aceasta este cea mai eficientă modalitate de a crește rezistența metalelor. Pentru materialele inginerești, în general, se obțin performanțe mai bune prin efecte de întărire cuprinzătoare.