Укрепление прочного решения

1. Определение

Явление, при котором легирующие элементы растворяются в основном металле, вызывая определенную степень искажения кристаллической решетки и, таким образом, повышая прочность сплава.

2. Принцип

Растворенные в твердом растворе атомы примеси вызывают искажение кристаллической решетки, что увеличивает сопротивление движению дислокаций, затрудняет скольжение и повышает прочность и твердость твердого раствора сплава. Это явление упрочнения металла путем растворения определенного элемента примеси с образованием твердого раствора называется твердорастворным упрочнением. При соответствующей концентрации атомов примеси прочность и твердость материала могут быть увеличены, но при этом снижается его ударная вязкость и пластичность.

3. Факторы влияния

Чем выше атомная доля атомов растворенного вещества, тем сильнее эффект упрочнения, особенно при очень низкой атомной доле, когда эффект упрочнения более значителен.

Чем больше разница между атомами растворенного вещества и атомным размером основного металла, тем сильнее упрочняющий эффект.

Встроенные атомы примеси обладают более выраженным упрочняющим эффектом твердого раствора, чем замещающие атомы, и поскольку искажение кристаллической решетки в объемно-центрированных кубических кристаллах асимметрично, их упрочняющий эффект больше, чем в гранецентрированных кубических кристаллах; однако растворимость в твердом состоянии устроенных атомов очень ограничена, поэтому и фактический упрочняющий эффект также ограничен.

Чем больше разница в количестве валентных электронов между атомами растворенного вещества и основным металлом, тем более выражен эффект упрочнения твердого раствора, то есть предел текучести твердого раствора увеличивается с увеличением концентрации валентных электронов.

4. Степень упрочнения твердым раствором в основном зависит от следующих факторов.

Разница в размерах между атомами матрицы и атомами растворенного вещества. Чем больше разница в размерах, тем сильнее помехи исходной кристаллической структуре и тем сложнее скольжение дислокаций.

Количество легирующих элементов. Чем больше легирующих элементов добавлено, тем сильнее упрочняющий эффект. Если слишком много атомов слишком больших или слишком маленьких, растворимость будет превышена. Это связано с другим механизмом упрочнения — упрочнением за счет дисперсной фазы.

Внедренные атомы растворенного вещества оказывают большее упрочняющее воздействие на твердый раствор, чем замещающие атомы.

Чем больше разница в количестве валентных электронов между атомами растворенного вещества и основным металлом, тем значительнее эффект упрочнения твердого раствора.

5. Эффект

Предел текучести, предел прочности на растяжение и твердость выше, чем у чистых металлов;

В большинстве случаев пластичность ниже, чем у чистого металла;

Проводимость значительно ниже, чем у чистого металла;

Сопротивление ползучести, или потеря прочности при высоких температурах, может быть улучшена за счет упрочнения твердым раствором.

Упрочнение при работе

1. Определение

С увеличением степени холодной деформации прочность и твердость металлических материалов возрастают, но пластичность и ударная вязкость уменьшаются.

2. Введение

Явление, при котором прочность и твердость металлических материалов увеличиваются при пластической деформации ниже температуры рекристаллизации, в то время как пластичность и ударная вязкость уменьшаются. Также известно как холодное упрочнение. Причина заключается в том, что при пластической деформации металла происходит скольжение кристаллических зерен и запутывание дислокаций, что приводит к удлинению, разрушению и волокнистости кристаллических зерен, а также к возникновению остаточных напряжений в металле. Степень упрочнения обычно выражается отношением микротвердости поверхностного слоя после обработки к микротвердости до обработки и глубиной упрочненного слоя.

3. Интерпретация с точки зрения теории дислокаций.

(1) Между дислокациями происходит пересечение, и возникающие разрезы препятствуют движению дислокаций;

(2) Между дислокациями происходит реакция, и образовавшаяся фиксированная дислокация препятствует движению дислокации;

(3) Происходит распространение дислокаций, и увеличение плотности дислокаций еще больше увеличивает сопротивление движению дислокаций.

4. Вред

Упрочнение при деформации создает трудности при дальнейшей обработке металлических деталей. Например, в процессе холодной прокатки стальной пластины она становится все тверже и тверже, поэтому необходимо проводить промежуточный отжиг в процессе обработки, чтобы устранить упрочнение при деформации путем нагрева. Другой пример — придание поверхности заготовки хрупкости и твердости в процессе резания, что ускоряет износ инструмента и увеличивает усилие резания.

5. Преимущества

Это позволяет улучшить прочность, твердость и износостойкость металлов, особенно чистых металлов и некоторых сплавов, которые не поддаются улучшению термической обработкой. Например, холоднотянутая высокопрочная стальная проволока и холоднокатаные пружины и т. д. используют холодную деформацию для повышения прочности и предела упругости. Другой пример — использование упрочнения для повышения твердости и износостойкости резервуаров, гусениц тракторов, щек дробилок и железнодорожных стрелок.

6. Роль в машиностроении

После холодной вытяжки, прокатки и дробеструйной обработки (см. упрочнение поверхности) и других процессов прочность поверхности металлических материалов, деталей и компонентов может быть значительно улучшена;

После приложения нагрузки локальные напряжения в отдельных частях часто превышают предел текучести материала, вызывая пластическую деформацию. Благодаря упрочнению материала дальнейшее развитие пластической деформации ограничивается, что может повысить безопасность деталей и компонентов.

При штамповке металлической детали или компонента происходит пластическая деформация, сопровождающаяся упрочнением, в результате чего деформация передается на окружающую необработанную упрочненную часть. После таких многократных чередующихся воздействий можно получить детали, полученные методом холодной штамповки, с равномерной деформацией поперечного сечения;

Это может улучшить режущие свойства низкоуглеродистой стали и облегчить отделение стружки. Однако упрочнение материала также создает трудности при дальнейшей обработке металлических деталей. Например, холоднотянутая стальная проволока потребляет много энергии для дальнейшей вытяжки из-за упрочнения материала и может даже порваться. Поэтому перед вытяжкой ее необходимо подвергнуть отжигу для устранения упрочнения. Другой пример: чтобы сделать поверхность заготовки хрупкой и твердой во время резки, при повторной резке увеличивается сила резания, что ускоряет износ инструмента.

Укрепление мелкозернистой структуры

1. Определение

Метод улучшения механических свойств металлических материалов путем измельчения кристаллических зерен называется упрочнением за счет измельчения кристаллов. В промышленности прочность материала повышается за счет измельчения кристаллических зерен.

2. Принцип

Металлы обычно представляют собой поликристаллы, состоящие из множества кристаллических зерен. Размер кристаллических зерен можно выразить числом кристаллических зерен на единицу объема. Чем больше число, тем мельче кристаллические зерна. Эксперименты показывают, что мелкозернистые металлы при комнатной температуре обладают большей прочностью, твердостью, пластичностью и ударной вязкостью, чем крупнозернистые. Это объясняется тем, что мелкие зерна подвергаются пластической деформации под действием внешней силы и могут быть диспергированы в большем количестве зерен, пластическая деформация более равномерна, а концентрация напряжений меньше; кроме того, чем мельче зерна, тем больше площадь границ зерен и тем более извилисты границы зерен, что неблагоприятно для распространения трещин. Поэтому метод повышения прочности материала путем измельчения кристаллических зерен в промышленности называется упрочнением путем измельчения зерен.

3. Эффект

Чем меньше размер зерна, тем меньше число дислокаций (n) в дислокационном кластере. Согласно τ=nτ0, чем меньше концентрация напряжений, тем выше прочность материала;

Закон упрочнения мелкозернистой структуры гласит: чем больше границ зерен, тем мельче зерна. Согласно соотношению Холла-Пейци, чем меньше среднее значение (d) зерен, тем выше предел текучести материала.

4. Метод измельчения зерна

Увеличьте степень переохлаждения;

Лечение, направленное на устранение последствий ухудшения состояния;

Вибрация и перемешивание;

В случае холоднодеформированных металлов размер кристаллических зерен можно уменьшить, контролируя степень деформации и температуру отжига.

Усиление второй фазы

1. Определение

По сравнению с однофазными сплавами, многофазные сплавы, помимо матричной фазы, имеют вторую фазу. Когда вторая фаза равномерно распределена в матричной фазе с мелкодисперсными частицами, она оказывает значительное упрочняющее воздействие. Это упрочняющее воздействие называется упрочнением за счет второй фазы.

2. Классификация

Для перемещения дислокаций вторая фаза, содержащаяся в сплаве, принимает следующие два состояния:

(1) Усиление недеформируемых частиц (механизм обхода).

(2) Усиление деформируемых частиц (механизм прорезания).

Как дисперсионное упрочнение, так и упрочнение за счет осадков являются частными случаями упрочнения второй фазы.

3. Эффект

Основной причиной упрочнения второй фазы является взаимодействие между ними и дислокациями, которое препятствует движению дислокаций и повышает сопротивление деформации сплава.

подводить итоги

Наиболее важными факторами, влияющими на прочность, являются состав, структура и состояние поверхности самого материала; вторым по значимости фактором является характер воздействия силы, например, скорость приложения силы, метод нагружения, простое растяжение или многократное приложение силы, что приводит к различным значениям прочности; кроме того, геометрия и размер образца, а также среда испытания также оказывают большое влияние, иногда даже решающее. Например, прочность на растяжение сверхвысокопрочной стали в водородной атмосфере может экспоненциально снижаться.

Существует всего два способа упрочнения металлических материалов. Первый — это увеличение межатомной силы связи в сплаве, повышение его теоретической прочности и получение целостного кристалла без дефектов, таких как железные нитевидные кристаллы. Известно, что прочность железных нитевидных кристаллов близка к теоретическому значению. Можно предположить, что это связано с отсутствием дислокаций в нитевидных кристаллах или с их небольшим количеством, которые не могут распространяться в процессе деформации. К сожалению, при увеличении диаметра нитевидного кристалла прочность резко падает. Другой подход к упрочнению заключается в введении большого количества кристаллических дефектов в кристалл, таких как дислокации, точечные дефекты, гетерогенные атомы, границы зерен, сильно диспергированные частицы или неоднородности (например, сегрегация) и т. д. Эти дефекты препятствуют движению дислокаций и значительно повышают прочность металла. Факты доказали, что это наиболее эффективный способ повышения прочности металлов. Для конструкционных материалов, как правило, лучшие комплексные характеристики достигаются за счет комплексного упрочнения.