Utrjevanje trdnih raztopin

1. Definicija

Pojav, pri katerem se legirni elementi raztopijo v osnovni kovini, kar povzroči določeno stopnjo popačenja kristalne mreže in s tem poveča trdnost zlitine.

2. Načelo

Atomi topljenca, raztopljeni v trdni raztopini, povzročajo popačenje mreže, kar poveča upor pri gibanju dislokacij, oteži drsenje ter poveča trdnost in trdoto trdne raztopine zlitine. Ta pojav krepitve kovine z raztapljanjem določenega topljenega elementa v trdno raztopino se imenuje krepitev trdne raztopine. Ko je koncentracija atomov topljenca ustrezna, se lahko trdnost in trdota materiala povečata, vendar se njegova žilavost in plastičnost zmanjšata.

3. Vplivni dejavniki

Višji kot je atomski delež topljencev, večji je učinek ojačitve, še posebej, če je atomski delež zelo nizek, je učinek ojačitve pomembnejši.

Večja kot je razlika med atomi topljenca in velikostjo atomov osnovne kovine, večji je učinek ojačitve.

Vmesni atomi topljene snovi imajo večji učinek ojačitve trdne raztopine kot nadomestni atomi, in ker je popačenje mreže vmesnih atomov v prostorsko centriranih kubičnih kristalih asimetrično, je njihov učinek ojačitve večji kot pri ploskovno centriranih kubičnih kristalih; vendar je topnost v trdni raztopini zelo omejena, zato je tudi dejanski učinek ojačitve omejen.

Večja kot je razlika v številu valentnih elektronov med atomi topljenca in osnovno kovino, bolj očiten je učinek krepitve trdne raztopine, to pomeni, da se meja tečenja trdne raztopine povečuje z naraščanjem koncentracije valentnih elektronov.

4. Stopnja utrjevanja trdne raztopine je odvisna predvsem od naslednjih dejavnikov

Razlika v velikosti med atomi matriksa in atomi topljenca. Večja kot je razlika v velikosti, večja je motnja v prvotni kristalni strukturi in težje je dislokacijsko drsenje.

Količina legirnih elementov. Več kot je dodanih legirnih elementov, večji je učinek ojačitve. Če je preveč atomov prevelikih ali premajhnih, bo topnost presežena. To vključuje še en mehanizem ojačitve, ojačitev z disperzno fazo.

Vmesni atomi topljenca imajo večji učinek krepitve trdne raztopine kot nadomestni atomi.

Večja kot je razlika v številu valentnih elektronov med atomi topljenca in osnovno kovino, večji je učinek utrjevanja trdne raztopine.

5. Učinek

Meja tečenja, natezna trdnost in trdota so močnejše od čistih kovin;

V večini primerov je duktilnost nižja kot pri čisti kovini;

Prevodnost je veliko nižja kot pri čisti kovini;

Odpornost proti lezenju oziroma izguba trdnosti pri visokih temperaturah se lahko izboljša z utrjevanjem s trdno raztopino.

Kaljenje

1. Definicija

Z naraščanjem stopnje hladne deformacije se trdnost in trdota kovinskih materialov povečata, vendar se plastičnost in žilavost zmanjšata.

2. Uvod

Pojav, pri katerem se trdnost in trdota kovinskih materialov povečata, ko so plastično deformirani pod temperaturo rekristalizacije, medtem ko se plastičnost in žilavost zmanjšata. Znan tudi kot hladno utrjevanje. Razlog za to je, da pri plastični deformaciji kovine kristalna zrna zdrsnejo in se dislokacije prepletejo, kar povzroči, da se kristalna zrna podaljšajo, zlomijo in vlaknijo, v kovini pa nastanejo preostale napetosti. Stopnja utrjevanja se običajno izrazi z razmerjem med mikrotrdoto površinske plasti po obdelavi in ​​​​pred obdelavo ter globino utrjene plasti.

3. Interpretacija z vidika teorije dislokacij

(1) Med dislokacijami pride do presečišča, nastali rezi pa ovirajo gibanje dislokacij;

(2) Med dislokacijami pride do reakcije, nastala fiksna dislokacija pa ovira njeno gibanje;

(3) Pride do širjenja dislokacij, povečanje gostote dislokacij pa dodatno poveča odpornost proti gibanju dislokacij.

4. Škoda

Utrjevanje kovinskih delov povzroča težave pri nadaljnji obdelavi. Na primer, pri hladnem valjanju jeklene plošče postaja vse težje valjati, zato je treba med obdelavo izvesti vmesno žarjenje, da se prepreči utrjevanje zaradi segrevanja. Drug primer je, da površina obdelovanca med rezanjem postane krhka in trda, s čimer se pospeši obraba orodja in poveča rezalna sila.

5. Prednosti

Lahko izboljša trdnost, trdoto in odpornost proti obrabi kovin, zlasti pri tistih čistih kovinah in nekaterih zlitinah, ki jih ni mogoče izboljšati s toplotno obdelavo. Na primer, hladno vlečena visokotrdna jeklena žica in hladno vijačene vzmeti itd. uporabljajo hladno deformacijo za izboljšanje trdnosti in meje elastičnosti. Drug primer je uporaba utrjevanja za izboljšanje trdote in odpornosti proti obrabi rezervoarjev, traktorskih tirov, čeljusti drobilnikov in železniških kretnic.

6. Vloga v strojništvu

Po hladnem vlečenju, valjanju in mikrokovanju (glej površinsko utrjevanje) ter drugih postopkih se lahko površinska trdnost kovinskih materialov, delov in komponent znatno izboljša;

Po obremenitvi delov lokalna napetost določenih delov pogosto preseže mejo tečenja materiala, kar povzroči plastično deformacijo. Zaradi utrjevanja je nadaljnji razvoj plastične deformacije omejen, kar lahko izboljša varnost delov in komponent;

Ko se kovinski del ali komponenta brizga, njegovo plastično deformacijo spremlja ojačitev, tako da se deformacija prenese na neobdelan kaljen del okoli njega. Po takšnih ponavljajočih se izmeničnih dejanjih je mogoče dobiti hladno brizgane dele z enakomerno prečno deformacijo;

Lahko izboljša rezalno zmogljivost nizkoogljičnega jekla in olajša ločevanje odrezkov. Vendar pa utrjevanje povzroča tudi težave pri nadaljnji obdelavi kovinskih delov. Na primer, hladno vlečena jeklena žica zaradi utrjevanja porabi veliko energije za nadaljnje vlečenje in se lahko celo zlomi. Zato jo je treba pred vlečenjem žariti, da se odpravi utrjevanje. Drug primer je, da se za krhkost in trdoto površine obdelovanca med rezanjem poveča rezalna sila, kar pospeši obrabo orodja.

Drobnozrnato utrjevanje

1. Definicija

Metoda za izboljšanje mehanskih lastnosti kovinskih materialov z rafiniranjem kristalnih zrn se imenuje utrjevanje s kristalnim rafiniranjem. V industriji se trdnost materiala izboljša z rafiniranjem kristalnih zrn.

2. Načelo

Kovine so običajno polikristali, sestavljeni iz številnih kristalnih zrn. Velikost kristalnih zrn lahko izrazimo s številom kristalnih zrn na enoto prostornine. Večje kot je število, drobnejša so kristalna zrna. Poskusi kažejo, da imajo drobnozrnate kovine pri sobni temperaturi večjo trdnost, trdoto, plastičnost in žilavost kot grobozrnate kovine. To je zato, ker se drobna zrna pod vplivom zunanje sile plastično deformirajo in se lahko razpršijo v več zrn, plastična deformacija je bolj enakomerna in koncentracija napetosti je manjša; poleg tega, drobnejša kot so zrna, večja je površina meje zrn in bolj vijugaste so meje zrn. Bolj neugodno je širjenje razpok. Zato se metoda za izboljšanje trdnosti materiala z rafiniranjem kristalnih zrn v industriji imenuje utrjevanje z rafiniranjem zrn.

3. Učinek

Manjša kot je velikost zrn, manjše je število dislokacij (n) v dislokacijskem skupku. Glede na τ=nτ0, manjša kot je koncentracija napetosti, večja je trdnost materiala;

Zakon ojačitve pri drobnozrnatem ojačovanju pravi, da več kot je meja zrn, drobnejša so zrna. V skladu s Hall-Peiqijevo relacijo velja, da manjša kot je povprečna vrednost (d) zrn, višja je meja tečenja materiala.

4. Metoda rafiniranja zrn

Povečajte stopnjo podhlajanja;

Zdravljenje poslabšanja;

Vibracije in mešanje;

Pri hladno deformiranih kovinah je mogoče kristalna zrna prečistiti z nadzorom stopnje deformacije in temperature žarjenja.

Okrepitev druge faze

1. Definicija

V primerjavi z enofaznimi zlitinami imajo večfazne zlitine poleg matrične faze še drugo fazo. Ko je druga faza enakomerno porazdeljena v matrični fazi z drobno razpršenimi delci, bo imela znaten učinek utrjevanja. Ta učinek utrjevanja se imenuje utrjevanje druge faze.

2. Razvrstitev

Za gibanje dislokacij ima druga faza, ki jo vsebuje zlitina, naslednji dve situaciji:

(1) Ojačitev nedeformabilnih delcev (obvozni mehanizem).

(2) Ojačitev deformabilnih delcev (mehanizem prereza).

Tako disperzijska krepitev kot tudi padavinska krepitev sta posebna primera krepitve druge faze.

3. Učinek

Glavni razlog za krepitev druge faze je interakcija med njimi in dislokacijo, ki ovira gibanje dislokacije in izboljša odpornost zlitine na deformacije.

povzetek

Najpomembnejši dejavniki, ki vplivajo na trdnost, so sestava, struktura in stanje površine samega materiala; drugi je stanje sile, kot so hitrost sile, način obremenitve, preprosto raztezanje ali ponavljajoča se sila, ki bodo pokazali različne trdnosti; Poleg tega imajo velik vpliv, včasih celo odločilen, tudi geometrija in velikost vzorca ter preskusni medij. Na primer, natezna trdnost ultra visokotrdnostnega jekla v vodikovi atmosferi se lahko eksponentno zmanjša.

Kovinske materiale lahko utrdimo na dva načina. Prvi je povečanje medatomske vezne sile zlitine, povečanje njene teoretične trdnosti in priprava popolnega kristala brez napak, kot so na primer viski. Znano je, da je trdnost železovih visk blizu teoretični vrednosti. Lahko sklepamo, da je to zato, ker v viskih ni dislokacij ali pa je le majhno število dislokacij, ki se med procesom deformacije ne morejo širiti. Žal pa se trdnost močno zmanjša, ko je premer viska večji. Drug pristop k utrjevanju je vnos velikega števila kristalnih napak v kristal, kot so dislokacije, točkovne napake, heterogeni atomi, meje zrn, visoko dispergirani delci ali nehomogenosti (kot je segregacija) itd. Te napake ovirajo gibanje dislokacij in tudi znatno izboljšajo trdnost kovine. Dejstva so dokazala, da je to najučinkovitejši način za povečanje trdnosti kovin. Pri inženirskih materialih se na splošno s celovitimi učinki utrjevanja doseže boljša celovita učinkovitost.