Enfortiment de solucions sòlides

1. Definició

Un fenomen en què els elements d'aliatge es dissolen en el metall base per causar un cert grau de distorsió de la xarxa i així augmentar la resistència de l'aliatge.

2. Principi

Els àtoms de solut dissolts en la solució sòlida provoquen distorsió de la xarxa, cosa que augmenta la resistència al moviment de dislocació, dificulta el lliscament i augmenta la resistència i la duresa de la solució sòlida de l'aliatge. Aquest fenomen d'enfortiment del metall dissolent un determinat element de solut per formar una solució sòlida s'anomena enfortiment de la solució sòlida. Quan la concentració d'àtoms de solut és adequada, es pot augmentar la resistència i la duresa del material, però la seva tenacitat i plasticitat disminueixen.

3. Factors d'influència

Com més alta sigui la fracció atòmica dels àtoms de solut, més gran serà l'efecte d'enfortiment, sobretot quan la fracció atòmica és molt baixa, l'efecte d'enfortiment serà més significatiu.

Com més gran sigui la diferència entre els àtoms de solut i la mida atòmica del metall base, més gran serà l'efecte d'enfortiment.

Els àtoms de solut intersticials tenen un efecte d'enfortiment de la solució sòlida més gran que els àtoms de reemplaçament, i com que la distorsió de la xarxa dels àtoms intersticials en els cristalls cúbics centrats en el cos és asimètrica, el seu efecte d'enfortiment és més gran que el dels cristalls cúbics centrats en les cares; però els àtoms intersticials tenen una solubilitat sòlida molt limitada, de manera que l'efecte d'enfortiment real també és limitat.

Com més gran sigui la diferència en el nombre d'electrons de valència entre els àtoms de solut i el metall base, més evident serà l'efecte d'enfortiment de la solució sòlida, és a dir, el límit elàstic de la solució sòlida augmenta amb l'augment de la concentració d'electrons de valència.

4. El grau d'enfortiment de la solució sòlida depèn principalment dels factors següents

La diferència de mida entre els àtoms de la matriu i els àtoms del solut. Com més gran sigui la diferència de mida, més gran serà la interferència amb l'estructura cristal·lina original i més difícil serà el lliscament de les dislocacions.

La quantitat d'elements d'aliatge. Com més elements d'aliatge s'afegeixin, més gran serà l'efecte d'enfortiment. Si massa àtoms són massa grans o massa petits, la solubilitat es veurà superada. Això implica un altre mecanisme d'enfortiment, l'enfortiment de la fase dispersa.

Els àtoms de solut intersticials tenen un efecte d'enfortiment de la solució sòlida més gran que els àtoms de reemplaçament.

Com més gran sigui la diferència en el nombre d'electrons de valència entre els àtoms de solut i el metall base, més significatiu serà l'efecte d'enfortiment de la solució sòlida.

5. Efecte

La resistència al rendiment, la resistència a la tracció i la duresa són més fortes que les dels metalls purs;

En la majoria dels casos, la ductilitat és inferior a la del metall pur;

La conductivitat és molt inferior a la del metall pur;

La resistència a la fluència, o la pèrdua de resistència a altes temperatures, es pot millorar mitjançant l'enfortiment d'una solució sòlida.

Enduriment del treball

1. Definició

A mesura que augmenta el grau de deformació en fred, augmenten la resistència i la duresa dels materials metàl·lics, però disminueixen la plasticitat i la tenacitat.

2. Introducció

Un fenomen en què la resistència i la duresa dels materials metàl·lics augmenten quan es deformen plàsticament per sota de la temperatura de recristal·lització, mentre que la plasticitat i la tenacitat disminueixen. També conegut com a enduriment per deformació en fred. La raó és que quan el metall es deforma plàsticament, els grans de cristall rellisquen i les dislocacions s'enreden, cosa que fa que els grans de cristall s'allarguin, es trenquin i es fibren, i es generen tensions residuals al metall. El grau d'enduriment per deformació s'expressa normalment mitjançant la relació entre la microduresa de la capa superficial després del processament i la d'abans del processament i la profunditat de la capa endurida.

3. Interpretació des de la perspectiva de la teoria de les dislocacions

(1) Es produeix una intersecció entre luxacions i els talls resultants dificulten el moviment de les luxacions;

(2) Es produeix una reacció entre dislocacions, i la dislocació fixa formada dificulta el moviment de la dislocació;

(3) Es produeix la proliferació de dislocacions i l'augment de la densitat de dislocacions augmenta encara més la resistència al moviment de les dislocacions.

4. Dany

L'enduriment per deformació dificulta el processament posterior de peces metàl·liques. Per exemple, en el procés de laminació en fred de la xapa d'acer, esdevindrà cada cop més difícil de laminar, per la qual cosa cal organitzar un recuit intermedi durant el procés de processament per eliminar el seu enduriment per deformació per escalfament. Un altre exemple és fer que la superfície de la peça sigui fràgil i dura durant el procés de tall, accelerant així el desgast de l'eina i augmentant la força de tall.

5. Beneficis

Pot millorar la resistència, la duresa i la resistència al desgast dels metalls, especialment per a aquells metalls purs i certs aliatges que no es poden millorar amb tractament tèrmic. Per exemple, el filferro d'acer d'alta resistència estirat en fred i la molla enrotllada en fred, etc., utilitzen la deformació per treball en fred per millorar la seva resistència i límit elàstic. Un altre exemple és l'ús de l'enduriment per treball per millorar la duresa i la resistència al desgast de tancs, vies de tractor, mandíbules de trituradora i desviaments de ferrocarril.

6. Paper en l'enginyeria mecànica

Després del trefilatge en fred, la laminació i el granallat (vegeu l'enfortiment de la superfície) i altres processos, la resistència superficial dels materials, peces i components metàl·lics es pot millorar significativament;

Després que les peces siguin tensades, la tensió local de certes peces sovint supera el límit elàstic del material, cosa que provoca deformació plàstica. A causa de l'enduriment per deformació, el desenvolupament continu de la deformació plàstica es veu restringit, cosa que pot millorar la seguretat de les peces i els components;

Quan s'estampen peces o components metàl·lics, la seva deformació plàstica va acompanyada d'un enfortiment, de manera que la deformació es transfereix a la peça endurida no treballada que l'envolta. Després d'aquestes accions alternades repetides, es poden obtenir peces estampades en fred amb una deformació uniforme de la secció transversal;

Pot millorar el rendiment de tall de l'acer baix en carboni i facilitar la separació de les encenalls. Però l'enduriment per deformació també dificulta el processament posterior de peces metàl·liques. Per exemple, el filferro d'acer estirat en fred consumeix molta energia per a un estirat posterior a causa de l'enduriment per deformació, i fins i tot es pot trencar. Per tant, s'ha de recuit per eliminar l'enduriment per deformació abans de l'estirat. Un altre exemple és que per fer que la superfície de la peça sigui fràgil i dura durant el tall, la força de tall augmenta durant el retall i s'accelera el desgast de l'eina.

Enfortiment de gra fi

1. Definició

El mètode per millorar les propietats mecàniques dels materials metàl·lics mitjançant el refinament dels grans de cristall s'anomena enfortiment del refinament de cristalls. A la indústria, la resistència del material es millora mitjançant el refinament dels grans de cristall.

2. Principi

Els metalls solen ser policristalls compostos per molts grans de cristall. La mida dels grans de cristall es pot expressar pel nombre de grans de cristall per unitat de volum. Com més gran sigui el nombre, més fins seran els grans de cristall. Els experiments mostren que els metalls de gra fi a temperatura ambient tenen una resistència, duresa, plasticitat i tenacitat més elevades que els metalls de gra gruixut. Això es deu al fet que els grans fins pateixen deformació plàstica sota força externa i es poden dispersar en més grans, la deformació plàstica és més uniforme i la concentració d'estrès és menor; a més, com més fins siguin els grans, més gran serà l'àrea del límit del gra i més tortuosos seran els límits del gra. Més desfavorable serà la propagació de les esquerdes. Per tant, el mètode per millorar la resistència del material mitjançant el refinament dels grans de cristall s'anomena enfortiment del refinament del gra a la indústria.

3. Efecte

Com més petita sigui la mida del gra, menor serà el nombre de dislocacions (n) al clúster de dislocacions. Segons τ=nτ0, com més petita sigui la concentració d'esforços, més alta serà la resistència del material;

La llei d'enfortiment de gra fi és que com més límits de gra hi hagi, més fins seran els grans. Segons la relació Hall-Peiqi, com més petit sigui el valor mitjà (d) dels grans, més alt serà el límit elàstic del material.

4. El mètode de refinament del gra

Augmentar el grau de subrefredament;

Tractament del deteriorament;

Vibració i agitació;

Per als metalls deformats en fred, els grans de cristall es poden refinar controlant el grau de deformació i la temperatura de recuit.

Reforç de la segona fase

1. Definició

En comparació amb els aliatges monofàsics, els aliatges multifàsics tenen una segona fase a més de la fase matricial. Quan la segona fase està distribuïda uniformement a la fase matricial amb partícules fines disperses, tindrà un efecte d'enfortiment significatiu. Aquest efecte d'enfortiment s'anomena enfortiment de la segona fase.

2. Classificació

Per al moviment de dislocacions, la segona fase continguda a l'aliatge té les dues situacions següents:

(1) Reforç de partícules no deformables (mecanisme de derivació).

(2) Reforç de partícules deformables (mecanisme de tall).

Tant l'enfortiment per dispersió com l'enfortiment per precipitació són casos especials d'enfortiment de segona fase.

3. Efecte

La principal raó de l'enfortiment de la segona fase és la interacció entre elles i la dislocació, que dificulta el moviment de la dislocació i millora la resistència a la deformació de l'aliatge.

per resumir

Els factors més importants que afecten la resistència són la composició, l'estructura i l'estat superficial del material en si; el segon és l'estat de la força, com ara la velocitat de la força, el mètode de càrrega, l'estirament simple o la força repetida, mostraran diferents forces; A més, la geometria i la mida de la mostra i el medi de prova també tenen una gran influència, de vegades fins i tot decisiva. Per exemple, la resistència a la tracció de l'acer d'ultraalta resistència en una atmosfera d'hidrogen pot disminuir exponencialment.

Només hi ha dues maneres d'enfortir els materials metàl·lics. Una és augmentar la força d'enllaç interatòmic de l'aliatge, augmentar la seva resistència teòrica i preparar un cristall complet sense defectes, com ara els bigotis. Se sap que la resistència dels bigotis de ferro és propera al valor teòric. Es pot considerar que això es deu al fet que no hi ha dislocacions als bigotis, o només una petita quantitat de dislocacions que no poden proliferar durant el procés de deformació. Malauradament, quan el diàmetre del bigoti és més gran, la resistència disminueix bruscament. Un altre enfocament d'enfortiment és introduir un gran nombre de defectes cristal·lins al cristall, com ara dislocacions, defectes puntuals, àtoms heterogenis, límits de gra, partícules altament disperses o inhomogeneïtats (com ara la segregació), etc. Aquests defectes dificulten el moviment de les dislocacions i també milloren significativament la resistència del metall. Els fets han demostrat que aquesta és la manera més eficaç d'augmentar la resistència dels metalls. Per als materials d'enginyeria, generalment es tracta d'aconseguir un millor rendiment integral mitjançant efectes d'enfortiment integral.