Упрочнение твердого раствора

1. Определение

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

2. Принцип

Растворенные в твердом растворе атомы растворенных веществ 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 соответствующей концентрации растворенных атомов прочность и твердость материала могут быть увеличены, но его ударная вязкость и пластичность уменьшаются.

3. Влияющие факторы

Чем выше атомная доля растворенных атомов, тем больше упрочняющий эффект, особенно когда атомная доля очень низкая, упрочняющий эффект более значителен.

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

Внедренные атомы растворенного вещества обладают большим упрочняющим эффектом твердого раствора, чем замещающие атомы, и, поскольку искажение решетки межузельных атомов в объемно-центрированных кубических кристаллах асимметрично, их упрочняющий эффект больше, чем у гранецентрированных кубических кристаллов;но междоузельные атомы. Растворимость в твердом состоянии очень ограничена, поэтому фактический упрочняющий эффект 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 между атомами матрицы и атомами растворенного вещества.Чем больше разница в размерах, тем больше вмешательство в исходную кристаллическую структуру и тем труднее скольжение дислокаций.

Количество легирующих элементов.Чем больше добавлено легирующих элементов, тем больше упрочняющий эффект.Если слишком много атомов слишком велики или слишком малы, растворимость будет превышена.Это связано с другим механизмом упрочнения - упрочнением дисперсной фазы.

Внедренные растворенные атомы оказывают большее упрочняющее действие на твердый раствор, чем замещающие атомы.

Чем больше разница в числе 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;

Электропроводность намного ниже, чем у чистого металла;

Сопротивление ползучести или потерю прочности при высоких температурах можно улучшить за счет упрочнения твердого раствора.

Закалка работы

1. Определение

По мере увеличения степени холодной деформации прочность и твердость металлических материалов увеличиваются, а пластичность и ударная вязкость снижаются.

2. Введение

Явление, при котором прочность и твердость металлических материалов увеличиваются при их пластической деформации ниже температуры рекристаллизации, а пластичность и ударная вязкость снижаются.Также известен как холодная закалка.Это связано с тем, что при пластическом деформировании металла происходит скольжение кристаллических зерен и перепутывание дислокаций, в результате чего кристаллические зерна удлиняются, ломаются, волокнистятся, а в металле возникают остаточные напряжения.Степень наклепа обычно выражают отношением микротвердости поверхностного слоя после обработки к таковой до обработки и глубиной упрочненного слоя.

3. Интерпретация с точки зрения теории дислокаций

1) между дислокациями происходит пересечение, и образовавшиеся разрезы препятствуют движению 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

Деформационное упрочнение затрудняет дальнейшую обработку металлических деталей.Например, в процессе холодной прокатки стальной лист будет все труднее и труднее прокатывать, поэтому необходимо в процессе обработки устраивать промежуточные отжиги, чтобы исключить его деформационное упрочнение нагревом.Другой пример — сделать поверхность заготовки хрупкой и твердой в процессе резания, тем самым ускоряя износ инструмента и увеличивая силу резания.

5. Преимущества

Это может улучшить прочность, твердость и износостойкость металлов, особенно для тех чистых металлов и некоторых сплавов, которые не могут быть улучшены термической обработкой.Например, холоднотянутая высокопрочная стальная проволока, холодновитая пружина и т. д. используют деформацию холодной обработки для повышения прочности и предела упругости.Другим примером является использование деформационного упрочнения для повышения твердости и износостойкости цистерн, гусениц тракторов, щек дробилок и железнодорожных стрелочных переводов.

6. Роль в машиностроении

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

После того, как детали нагружены, местное напряжение некоторых деталей часто превышает предел текучести материала, вызывая пластическую деформацию.Благодаря наклепу 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 часть вокруг нее.После таких многократных попеременных действий можно получить детали холодной штамповки с равномерной деформацией поперечного сечения;

Это может улучшить производительность резки низкоуглеродистой стали и облегчить отделение стружки.Но деформационное упрочнение также вносит трудности в дальнейшую обработку металлических деталей.Например, стальная холоднотянутая проволока из-за наклепа потребляет много энергии для дальнейшего волочения и может даже порваться.Поэтому перед волочением его необходимо отжечь, чтобы исключить наклеп.Другим примером является то, что для того, чтобы сделать поверхность заготовки хрупкой и твердой во время резания, усилие резания увеличивается при повторной резке, и ускоряется износ инструмента.

Мелкозернистое укрепление

1. Определение

Метод улучшения механических свойств металлических материалов путем измельчения кристаллических зерен называется упрочнением кристаллическим измельчением.В промышленности прочность материала повышают за счет измельчения кристаллических зерен.

2. Принцип

Металлы обычно представляют собой поликристаллы, состоящие из множества кристаллических зерен.Размер кристаллических зерен может быть выражен 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 ударной вязкостью, чем крупнозернистые металлы.Это связано с тем, что мелкие зерна подвергаются пластической деформации под действием внешней силы и могут быть рассеяны в большем количестве зерен, пластическая деформация более равномерна, а концентрация напряжений меньше;кроме того, чем мельче зерна, тем больше площадь границ зерен и тем извилистее границы зерен.Тем неблагоприятнее распространение трещин.Поэтому способ повышения прочности материала путем измельчения кристаллических зерен в промышленности называют упрочнением измельчением зерна.

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 упрочнения мелкозернистого упрочнения заключается в том, что чем больше границ зерен, тем мельче зерна.Согласно зависимости 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 металлов, деформированных в холодном состоянии, кристаллические зерна можно измельчать, контролируя степень деформации и температуру отжига.

Армирование второй фазы

1. Определение

По сравнению с однофазными сплавами многофазные сплавы имеют в дополнение к матричной фазе вторую фазу.При равномерном распределении второй фазы в матричной фазе с мелкодисперсными частицами она будет оказывать значительное упрочняющее действие.Этот укрепляющий эффект называется усилением второй фазы.

2. Классификация

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

(1) Армирование недеформируемыми частицами (байпасный механизм).

(2) Армирование деформируемыми частицами (прорезной механизм).

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

3. Эффект

Основной причиной упрочнения второй фазы является взаимодействие их с дислокацией, которое препятствует движению дислокации и повышает 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 повторная сила, покажут разные силы;Кроме того, большое влияние, иногда даже решающее, оказывают геометрия и размер образца и тестируемой среды.Например, предел прочности сверхвысокопрочной стали в атмосфере водорода может падать экспоненциально.

Существует всего два способа упрочнения металлических материалов.Один из них заключается в увеличении силы межатомной связи сплава, повышении его теоретической прочности и получении цельного кристалла без дефектов, таких как вискеры.Известно, что прочность железных вискеров близка к теоретическому значению.Можно считать, что это связано с отсутствием дислокаций в вискерах или с небольшим количеством дислокаций, которые не могут размножаться в процессе деформации.К сожалению, когда диаметр уса больше, прочность резко падает.Другой прием упрочнения 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 повысить прочность металла.Факты доказали, что это наиболее эффективный способ повышения прочности металлов.Для конструкционных материалов, как правило, за счет всестороннего упрочнения достигается лучшая комплексная производительность.