Укрепление твердым раствором

1. Определение

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

2. Принцип

Атомы растворенного вещества, растворенные в твердом растворе, вызывают искажение решетки, что увеличивает сопротивление движению дислокаций, затрудняет скольжение, повышает прочность и твердость твердого раствора сплава. Это явление упрочнения металла путем растворения определенного растворенного элемента с образованием твердого раствора называется упрочнением твердого раствора. При подходящей концентрации растворенных атомов прочность и твердость материала могут быть увеличены, но его ударная вязкость и пластичность уменьшаются.

3. Факторы влияния

Чем выше атомная доля атомов растворенного вещества, тем больше эффект упрочнения, особенно когда атомная доля очень мала, эффект упрочнения более значителен.

Чем больше разница между атомами растворенного вещества и размером атомов основного металла, тем больше эффект упрочнения.

Межузельные атомы растворенных веществ оказывают больший эффект упрочнения твердого раствора, чем замещающие атомы, а поскольку искажение решетки межузельных атомов в объемноцентрированных кубических кристаллах асимметрично, их эффект упрочнения больше, чем у гранецентрированных кубических кристаллов; но межузельные атомы. Растворимость в твердом состоянии очень ограничена, поэтому фактический эффект упрочнения также ограничен.

Чем больше разница в числе валентных электронов между атомами растворенного вещества и основного металла, тем более очевиден эффект упрочнения твердого раствора, то есть предел текучести твердого раствора увеличивается с увеличением концентрации валентных электронов.

4. Степень упрочнения твердого раствора в основном зависит от следующих факторов:

Разница в размерах атомов матрицы и атомов растворенного вещества. Чем больше разница в размерах, тем сильнее вмешательство в исходную кристаллическую структуру и тем труднее скольжение дислокаций.

Количество легирующих элементов. Чем больше добавлено легирующих элементов, тем больше эффект упрочнения. Если слишком много атомов слишком велики или слишком малы, растворимость будет превышена. Это предполагает другой механизм упрочнения — упрочнение дисперсной фазы.

Атомы межузельного растворенного вещества оказывают больший эффект упрочнения твердого раствора, чем атомы замещения.

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

5. Эффект

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

В большинстве случаев пластичность ниже, чем у чистого металла;

Проводимость намного ниже, чем у чистого металла;

Сопротивление ползучести или потерю прочности при высоких температурах можно улучшить за счет упрочнения твердым раствором.

Упрочнение

1. Определение

По мере увеличения степени холодной деформации прочность и твердость металлических материалов возрастают, но пластичность и вязкость снижаются.

2. Введение

Явление, при котором прочность и твердость металлических материалов увеличиваются при их пластической деформации ниже температуры рекристаллизации, а пластичность и вязкость снижаются. Также известен как холодная закалка. Причина в том, что при пластическом деформировании металла кристаллические зерна скользят и дислокации перепутываются, что приводит к удлинению, разрушению и волокнению кристаллических зерен, в металле возникают остаточные напряжения. Степень наклепа обычно выражают отношением микротвердости поверхностного слоя после обработки к микротвердости до обработки и глубины упрочненного слоя.

3. Интерпретация с точки зрения теории дислокаций

1. Между дислокациями происходит пересечение, образующиеся разрезы затрудняют движение дислокаций;

2. Между дислокациями происходит реакция, и образовавшаяся неподвижная дислокация препятствует движению дислокации;

(3) Происходит разрастание дислокаций, а увеличение плотности дислокаций еще больше увеличивает сопротивление движению дислокаций.

4. Вред

Наклеп затрудняет дальнейшую обработку металлических деталей. Например, в процессе холодной прокатки стальной лист становится все труднее прокатывать, поэтому в процессе обработки необходимо устраивать промежуточный отжиг для исключения его наклепа при нагреве. Другой пример — сделать поверхность заготовки хрупкой и твердой в процессе резания, тем самым ускоряя износ инструмента и увеличивая силу резания.

5. Преимущества

Он может улучшить прочность, твердость и износостойкость металлов, особенно тех чистых металлов и некоторых сплавов, которые не могут быть улучшены термической обработкой. Например, холоднотянутая высокопрочная стальная проволока, холоднонавитая пружина и т. д. используют деформацию холодной обработки для улучшения ее прочности и предела упругости. Другой пример — использование наклепа для повышения твердости и износостойкости цистерн, тракторных путей, щеков дробилок и железнодорожных стрелок.

6. Роль в машиностроении

После холодного волочения, прокатки, дробеструйной обработки (см. упрочнение поверхности) и других процессов поверхностная прочность металлических материалов, деталей и узлов может быть значительно улучшена;

После того, как детали подвергнуты нагрузке, локальное напряжение некоторых деталей часто превышает предел текучести материала, вызывая пластическую деформацию. Из-за наклепа ограничивается дальнейшее развитие пластической деформации, что может повысить безопасность деталей и узлов;

При штамповке металлической детали или детали ее пластическая деформация сопровождается упрочнением, так что деформация передается на необработанную закаленную деталь вокруг нее. После таких многократных поочередных действий можно получить детали холодной штамповки с равномерной деформацией поперечного сечения;

Это может улучшить производительность резки низкоуглеродистой стали и облегчить отделение стружки. Но наклеп также вносит трудности в дальнейшую обработку металлических деталей. Например, холоднотянутая стальная проволока потребляет много энергии для дальнейшей волочения из-за наклепа и может даже сломаться. Поэтому перед волочением его необходимо отжигать для исключения наклепа. Другой пример: чтобы сделать поверхность заготовки при резании хрупкой и твердой, при дорезке увеличивают силу резания и ускоряют износ инструмента.

Мелкозернистое упрочнение

1. Определение

Метод улучшения механических свойств металлических материалов путем измельчения кристаллических зерен называется кристаллорафинирующим упрочнением. 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 количеством кристаллических зерен в единице объема. Чем больше число, тем мельче кристаллические зерна. Эксперименты показывают, что мелкозернистые металлы при комнатной температуре обладают более высокой прочностью, твердостью, пластичностью и вязкостью, чем крупнозернистые металлы. Это связано с тем, что мелкие зерна подвергаются пластической деформации под действием внешней силы и могут быть рассредоточены по большему количеству зерен, пластическая деформация более равномерна, а концентрация напряжений меньше; кроме того, чем мельче зерна, тем больше площадь границ зерен и тем более извилистые границы зерен. Тем неблагоприятнее распространение трещин. Поэтому метод повышения прочности материала за счет измельчения кристаллических зерен в промышленности называется зерношлифовальным упрочнением.

3. Эффект

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

Закон мелкозернистого упрочнения заключается в том, что чем больше границ зерен, тем мельче зерна. Согласно соотношению Холла-Пейци, чем меньше среднее значение (d) зерен, тем выше предел текучести материала.

4. Способ измельчения зерна.

Увеличить степень переохлаждения;

Лечение износа;

Вибрация и перемешивание;

Для холоднодеформированных металлов кристаллические зерна можно измельчить, контролируя степень деформации и температуру отжига.

Армирование 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 значительный упрочняющий эффект. Этот эффект усиления называется усилением второй фазы.

2. Классификация

Для движения дислокаций вторая фаза, содержащаяся в сплаве, имеет две ситуации:

(1) Армирование недеформируемыми частицами (обходной механизм).

(2) Армирование деформируемых частиц (прорезной механизм).

И дисперсионное упрочнение, и дисперсионное упрочнение являются частными случаями упрочнения второй фазы.

3. Эффект

Основной причиной упрочнения второй фазы является взаимодействие между ними и дислокацией, затрудняющее движение дислокации и повышающее деформационную стойкость сплава.

подводить итоги

Важнейшими факторами, влияющими на прочность, являются состав, структура и состояние поверхности самого материала; во-вторых, состояние силы, такое как скорость силы, метод нагрузки, простое растяжение или повторяющаяся сила, будет демонстрировать разную силу; Кроме того, большое влияние, иногда даже решающее, оказывают геометрия и размер образца и исследуемой среды. Например, предел прочности сверхвысокопрочной стали в атмосфере водорода может падать в геометрической прогрессии.

Есть только два способа укрепить металлические материалы. Один из них — увеличить силу межатомной связи сплава, повысить его теоретическую прочность и приготовить полноценный кристалл без дефектов, таких как усы. Известно, что прочность усов железа близка к теоретическому значению. Можно считать, что это связано с тем, что в НК отсутствуют дислокации или имеется лишь небольшое количество дислокаций, которые не могут размножаться в процессе деформации. К сожалению, когда диаметр уса больше, прочность резко падает. Другой подход к упрочнению заключается во введении в кристалл большого количества кристаллических дефектов, таких как дислокации, точечные дефекты, гетерогенные атомы, границы зерен, высокодисперсные частицы или неоднородности (например, сегрегация) и т. д. Эти дефекты препятствуют движению дислокаций и Также значительно улучшить прочность металла. Факты доказали, что это наиболее эффективный способ повышения прочности металлов. Для конструкционных материалов обычно достигается комплексное упрочнение для достижения более высоких комплексных характеристик.