Spevnenie tuhého roztoku

1. Definícia

Jav, pri ktorom sa legujúce prvky rozpúšťajú v základnom kove, čo spôsobuje určitý stupeň deformácie mriežky a tým zvyšuje pevnosť zliatiny.

2. Princíp

Atómy rozpustenej látky rozpustené v pevnom roztoku spôsobujú mriežkové skreslenie, čo zvyšuje odpor voči pohybu dislokácií, sťažuje šmýkanie a zvyšuje pevnosť a tvrdosť tuhého roztoku zliatiny. Tento jav spevňovania kovu rozpustením určitého rozpusteného prvku za vzniku tuhého roztoku sa nazýva spevňovanie tuhého roztoku. Keď je koncentrácia atómov rozpustenej látky vhodná, pevnosť a tvrdosť materiálu sa môžu zvýšiť, ale jeho húževnatosť a plasticita sa znížia.

3. Ovplyvňujúce faktory

Čím vyšší je atómový podiel rozpustených atómov, tým väčší je spevňujúci účinok, najmä keď je atómový podiel veľmi nízky, spevňujúci účinok je výraznejší.

Čím väčší je rozdiel medzi atómami rozpustenej látky a atómovou veľkosťou základného kovu, tým väčší je spevňovací účinok.

Intersticiálne atómy rozpustených látok majú väčší spevňujúci účinok na tuhý roztok ako náhradné atómy a pretože mriežkové skreslenie intersticiálnych atómov v kubických kryštáloch s centrovaným priestorom je asymetrické, ich spevňujúci účinok je väčší ako účinok plošne centrovaných kubických kryštálov; rozpustnosť v tuhom roztoku je však veľmi obmedzená, takže skutočný spevňujúci účinok je tiež obmedzený.

Čím väčší je rozdiel v počte valenčných elektrónov medzi atómami rozpustenej látky a základným kovom, tým zreteľnejší je účinok spevňovania tuhého roztoku, to znamená, že medza klzu tuhého roztoku sa zvyšuje so zvyšujúcou sa koncentráciou valenčných elektrónov.

4. Stupeň spevnenia tuhého roztoku závisí hlavne od nasledujúcich faktorov

Rozdiel vo veľkosti medzi atómami matrice a atómami rozpustenej látky. Čím väčší je rozdiel vo veľkosti, tým väčšia je interferencia s pôvodnou kryštálovou štruktúrou a tým ťažšie je pre dislokačný skĺz.

Množstvo legujúcich prvkov. Čím viac legujúcich prvkov sa pridá, tým väčší je spevňovací účinok. Ak je príliš veľa atómov príliš veľkých alebo príliš malých, prekročí sa rozpustnosť. To zahŕňa ďalší spevňovací mechanizmus, spevňovanie disperznou fázou.

Intersticiálne atómy rozpustených látok majú väčší účinok na spevňovanie tuhého roztoku ako náhradné atómy.

Čím väčší je rozdiel v počte valenčných elektrónov medzi atómami rozpustenej látky a základným kovom, tým výraznejší je účinok spevňovania tuhého roztoku.

5. Účinok

Medza klzu, pevnosť v ťahu a tvrdosť sú silnejšie ako u čistých kovov;

Vo väčšine prípadov je ťažnosť nižšia ako u čistého kovu;

Vodivosť je oveľa nižšia ako u čistého kovu;

Odolnosť proti tečeniu alebo strata pevnosti pri vysokých teplotách sa dá zlepšiť spevňovaním tuhým roztokom.

Spevnenie

1. Definícia

So zvyšujúcim sa stupňom deformácie za studena sa zvyšuje pevnosť a tvrdosť kovových materiálov, ale znižuje sa plasticita a húževnatosť.

2. Úvod

Jav, pri ktorom sa pevnosť a tvrdosť kovových materiálov zvyšuje, keď sú plasticky deformované pod teplotou rekryštalizácie, zatiaľ čo plasticita a húževnatosť sa znižujú. Tiež známe ako spevnenie za studena. Dôvodom je, že pri plastickej deformácii kovu dochádza k posúvaniu kryštálových zŕn a zamotávaniu dislokácií, čo spôsobuje ich predlžovanie, lámanie a vláknenie a v kove vznikajú zvyškové napätia. Stupeň spevnenia sa zvyčajne vyjadruje pomerom mikrotvrdosti povrchovej vrstvy po spracovaní k mikrotvrdosti pred spracovaním a hĺbkou spevnenej vrstvy.

3. Interpretácia z pohľadu teórie dislokácií

(1) Medzi dislokáciami dochádza k pretínaniu a výsledné rezy bránia pohybu dislokácií;

(2) Medzi dislokáciami dochádza k reakcii a vytvorená fixovaná dislokácia bráni pohybu dislokácie;

(3) Dochádza k šíreniu dislokácií a zvýšenie hustoty dislokácií ďalej zvyšuje odpor voči pohybu dislokácií.

4. Škoda

Spevnenie kovu spôsobuje ťažkosti pri ďalšom spracovaní kovových dielov. Napríklad pri valcovaní oceľového plechu za studena sa valcovanie stáva stále tvrdším, preto je potrebné počas procesu spracovania vykonať medzižíhanie, aby sa eliminovalo jeho spevnenie teplom. Ďalším príkladom je krehký a tvrdý povrch obrobku počas procesu rezania, čím sa urýchli opotrebovanie nástroja a zvýši sa rezná sila.

5. Výhody

Môže zlepšiť pevnosť, tvrdosť a odolnosť kovov proti opotrebovaniu, najmä v prípade čistých kovov a určitých zliatin, ktoré sa nedajú zlepšiť tepelným spracovaním. Napríklad vysokopevnostný oceľový drôt ťahaný za studena a pružiny vinuté za studena atď. používajú deformáciu za studena na zlepšenie svojej pevnosti a medze pružnosti. Ďalším príkladom je použitie spevnenia na zlepšenie tvrdosti a odolnosti proti opotrebovaniu nádrží, traktorových koľají, čeľustí drvičov a železničných výhybiek.

6. Úloha v strojárstve

Po ťahaní za studena, valcovaní a brokovaní (pozri povrchové spevňovanie) a iných procesoch je možné výrazne zlepšiť povrchovú pevnosť kovových materiálov, súčiastok a komponentov;

Po namáhaní súčiastok lokálne napätie určitých častí často prekročí medzu klzu materiálu, čo spôsobuje plastickú deformáciu. V dôsledku spevnenia materiálu je ďalší vývoj plastickej deformácie obmedzený, čo môže zlepšiť bezpečnosť súčiastok a komponentov.

Keď sa kovový diel alebo súčiastka lisuje, jeho plastická deformácia je sprevádzaná spevnením, takže deformácia sa prenáša na neopracovanú kalenú časť okolo nej. Po takýchto opakovaných striedavých činnostiach je možné získať diely lisované za studena s rovnomernou prierezovou deformáciou;

Môže zlepšiť rezný výkon nízkouhlíkovej ocele a uľahčiť oddeľovanie triesok. Spevnenie však tiež spôsobuje ťažkosti pri ďalšom spracovaní kovových dielov. Napríklad oceľový drôt ťahaný za studena spotrebuje veľa energie na ďalšie ťahanie v dôsledku spevnenia a môže sa dokonca zlomiť. Preto sa musí pred ťahaním žíhať, aby sa eliminovalo spevnenie. Ďalším príkladom je, že aby sa povrch obrobku počas rezania stal krehkým a tvrdým, počas opätovného rezania sa zvyšuje rezná sila a opotrebovanie nástroja sa zrýchľuje.

Jemnozrnné spevňovanie

1. Definícia

Metóda zlepšenia mechanických vlastností kovových materiálov zušľachťovaním kryštálových zŕn sa nazýva spevnenie zušľachťovaním kryštálov. V priemysle sa pevnosť materiálu zlepšuje zušľachťovaním kryštálových zŕn.

2. Princíp

Kovy sú zvyčajne polykryštály zložené z mnohých kryštálových zŕn. Veľkosť kryštálových zŕn možno vyjadriť počtom kryštálových zŕn na jednotku objemu. Čím väčší je počet, tým jemnejšie sú kryštálové zrná. Experimenty ukazujú, že jemnozrnné kovy majú pri izbovej teplote vyššiu pevnosť, tvrdosť, plasticitu a húževnatosť ako hrubozrnné kovy. Je to preto, že jemné zrná podliehajú plastickej deformácii pôsobením vonkajšej sily a môžu byť rozptýlené vo väčšom počte zŕn, plastická deformácia je rovnomernejšia a koncentrácia napätia je menšia; navyše, čím jemnejšie sú zrná, tým väčšia je plocha hraníc zŕn a hranice zŕn sú kľukatejšie. Tým nepriaznivejšie je šírenie trhlín. Preto sa metóda zlepšovania pevnosti materiálu zjemňovaním kryštálových zŕn v priemysle nazýva zjemňovanie zŕn.

3. Účinok

Čím menšia je veľkosť zŕn, tým menší je počet dislokácií (n) v dislokačnom zhluku. Podľa τ=nτ0, čím menšia je koncentrácia napätia, tým vyššia je pevnosť materiálu;

Zákon spevňovania pri jemnozrnnom spevňovaní hovorí, že čím viac hraníc zŕn, tým jemnejšie sú zrná. Podľa Hall-Peiqiho vzťahu platí, že čím menšia je priemerná hodnota (d) zŕn, tým vyššia je medza klzu materiálu.

4. Metóda zjemňovania zrna

Zvýšte stupeň podchladenia;

Liečba zhoršenia;

Vibrovanie a miešanie;

Pri kovoch deformovaných za studena je možné kryštálové zrná zjemniť riadením stupňa deformácie a teploty žíhania.

Posilnenie druhej fázy

1. Definícia

V porovnaní s jednofázovými zliatinami majú viacfázové zliatiny okrem matricovej fázy aj druhú fázu. Keď je druhá fáza rovnomerne rozložená v matrici s jemnými dispergovanými časticami, bude mať významný spevňujúci účinok. Tento spevňujúci účinok sa nazýva spevňovanie druhej fázy.

2. Klasifikácia

Pre pohyb dislokácií má druhá fáza obsiahnutá v zliatine nasledujúce dve situácie:

(1) Vystuženie nedeformovateľných častíc (mechanizmus obtoku).

(2) Vystuženie deformovateľných častíc (mechanizmus prerezania).

Disperzné aj zrážacie spevnenie sú špeciálnymi prípadmi druhofázového spevnenia.

3. Účinok

Hlavným dôvodom spevnenia druhej fázy je interakcia medzi nimi a dislokáciou, ktorá bráni pohybu dislokácie a zlepšuje odolnosť zliatiny voči deformácii.

zhrnúť

Najdôležitejšími faktormi ovplyvňujúcimi pevnosť sú zloženie, štruktúra a stav povrchu samotného materiálu; druhým je stav sily, ako napríklad rýchlosť pôsobenia sily, spôsob zaťaženia, jednoduché naťahovanie alebo opakované pôsobenie sily, ktoré vykazujú rôzne pevnosti; Okrem toho majú veľký vplyv, niekedy až rozhodujúci, geometria a veľkosť vzorky a testovacie médium. Napríklad pevnosť v ťahu ultravysokopevnostnej ocele vo vodíkovej atmosfére môže exponenciálne klesať.

Existujú iba dva spôsoby, ako spevniť kovové materiály. Jedným z nich je zvýšiť medziatómovú väzbovú silu zliatiny, zvýšiť jej teoretickú pevnosť a pripraviť kompletný kryštál bez defektov, ako sú napríklad fúzy. Je známe, že pevnosť železných fúzov sa blíži teoretickej hodnote. Dá sa predpokladať, že je to preto, že v fúzoch nie sú žiadne dislokácie alebo len malé množstvo dislokácií, ktoré sa počas procesu deformácie nemôžu šíriť. Bohužiaľ, keď je priemer fúzu väčší, pevnosť prudko klesá. Ďalším prístupom k spevneniu je zavedenie veľkého počtu kryštálových defektov do kryštálu, ako sú dislokácie, bodové defekty, heterogénne atómy, hranice zŕn, vysoko dispergované častice alebo nehomogenity (ako je segregácia) atď. Tieto defekty bránia pohybu dislokácií a tiež výrazne zlepšujú pevnosť kovu. Fakty preukázali, že toto je najúčinnejší spôsob, ako zvýšiť pevnosť kovov. V prípade technických materiálov sa vo všeobecnosti dosahuje lepší komplexný výkon prostredníctvom komplexných spevňovacích účinkov.