01. Укрепване на твърд разтвор
Определение
Укрепването на твърдия разтвор е явлението, при което легиращите елементи се разтварят в основния метал, причинявайки изкривяване на решетката и увеличавайки якостта на сплавта.
Принцип
Разтворените атоми, които се разтварят в твърдия разтвор, създават изкривяване на решетката, което увеличава съпротивлението на движението на дислокациите, което прави приплъзването по-трудно. В резултат на това силата и твърдостта на твърдия разтвор на сплавта се увеличават. Този механизъм за укрепване разчита на разтварянето на атомите на разтвореното вещество, за да се образува твърд разтвор. С подходяща концентрация на разтвореното вещество здравината и твърдостта на материала се подобряват, въпреки че неговата жилавост и пластичност могат да намалеят.
Влияещи фактори
Колкото по-висока е атомната част на атомите на разтвореното вещество, толкова по-силен е укрепващият ефект, особено при ниски концентрации.
Колкото по-голяма е разликата в размера между атомите на разтвореното вещество и основния метал, толкова по-значително е укрепването.
Интерстициалните разтворени атоми имат по-силен укрепващ ефект от заместващите. В кубични-центрирани кристали интерстициалните атоми причиняват асиметрично изкривяване на решетката, което води до по-голямо укрепване, отколкото в лицево-центрирани кубични кристали. Разтворимостта на интерстициалните атоми обаче е ограничена.
Колкото по-голяма е разликата в броя на валентните електрони между разтвореното вещество и основните атоми, толкова по-силен е ефектът на укрепване. Границата на провлачване се увеличава с концентрацията на електрони.
Степента на укрепване зависи от:
Разлика в размера между разтвореното вещество и основните атоми: По-голямото несъответствие на размера увеличава устойчивостта на дислокация.
Количество легиращи елементи: Повече легиране=по-силен ефект, но прекомерните количества може да надвишат границата на разтворимост и да изискват други методи за укрепване, като укрепване от втора фаза.
Интерстициалните атоми укрепват повече от заместващите атоми.
Разликата в валентните електрони между разтвореното вещество и метала на матрицата подобрява укрепването.
Ефекти
Граница на провлачване, якост на опън и твърдост надвишават тези на чистите метали.
Обикновено по-ниска пластичност в сравнение с чистите метали.
По-ниска електропроводимост от чистите метали.
Подобрена устойчивост на пълзене и висока{0}}температурна устойчивост.
02. Работно закаляване (закаляване при деформация)
Определение
С увеличаването на студената деформация силата и твърдостта на метала се повишават, докато пластичността и якостта намаляват.
Преглед
Когато металите се деформират пластично под тяхната температура на рекристализация, те стават по-здрави и твърди, но по-малко пластични и жилави. Известен също като втвърдяване при студена обработка. По време на пластичната деформация дислокациите се заплитат, зърната се удължават, чупят се и стават влакнести. Въвежда се остатъчно напрежение. Степента на втвърдяване обикновено се измерва чрез съотношението на повърхностната микротвърдост преди и след деформация и дълбочината на закаления слой.
Обяснение на теорията на дислокацията
Изкълчванията се пресичат и образуват стъпаловидни препятствия пред движението-.
Дислокациите реагират, за да образуват неподвижни дислокации, които затрудняват движението.
Умножаването на дислокациите увеличава плътността, което допълнително възпрепятства движението.
Недостатъци
Работното втвърдяване усложнява по-нататъшната обработка. Например студено{1}}валцуваната стомана става все по-твърда и неработоспособна, изисквайки междинно отгряване, за да омекне. При обработката повърхностното закаляване увеличава силата на рязане и износването на инструмента.
Ползи
Подобрява здравината на метала, твърдостта и устойчивостта на износване, особено за чисти метали и сплави, които не могат да бъдат укрепени чрез топлинна обработка (напр. студено{2}}изтеглени високо-якостни проводници, студено-валцувани пружини, вериги на резервоари, челюсти на трошачки, железопътни стрелки).
Приложения в машиностроенето
Студеното изтегляне, валцуването и дробестероят значително увеличават якостта на повърхността на материалите и компонентите.
Локализираната пластична деформация при напрежение може да бъде ограничена поради втвърдяване при работа, подобрявайки безопасността на компонентите.
При щамповане закалените зони насочват деформацията към по-меките области, позволявайки еднаква деформация в секциите.
Подобрява обработваемостта на ниско{0}}въглеродни стомани, като улеснява отделянето на стружките. Въпреки това, той увеличава консумацията на енергия при по-нататъшна обработка и износването на инструмента при машинната обработка.
03. Укрепване на рафинирането на зърното
Определение
Укрепването чрез рафиниране на зърното подобрява механичните свойства чрез намаляване на размера на зърното.
Принцип
Металите са поликристални. По-малките зърна (т.е. повече зърна на единица обем) водят до по-висока якост, твърдост, пластичност и издръжливост. По-фините зърна разпределят деформацията по-равномерно, намаляват концентрацията на напрежение и възпрепятстват разпространението на пукнатини. По този начин рафинирането на зърната повишава здравината.
Ефекти
По-фините зърна намаляват стреса от натрупване-от дислокация, увеличавайки здравината.
Съгласно връзката на Хол-Петч, по-малкият размер на зърното ddd води до по-висока граница на провлачване.
Методи за рафиниране на зърна
Увеличете преохлаждането.
Лечение с инокулация.
Вибрация и разбъркване по време на втвърдяване.
При студено{0}}деформирани метали: контролирайте степента на деформация и температурата на отгряване.
04. Втора фаза Укрепване
Определение
В многофазните сплави, освен матричната фаза, съществува и втора фаза. Когато фино диспергирани частици от втора-фаза са равномерно разпределени в матрицата, те значително укрепват сплавта. Това е известно като укрепване на втората-фаза.
Видове
От гледна точка на движението на дислокациите частиците от втора-фаза се класифицират на:
Не{0}}деформируеми частици: укрепване чрез байпасен механизъм (механизъм на Orowan).
Деформируеми частици: укрепване чрез режещ механизъм.
Дисперсоидното укрепване и втвърдяването чрез утаяване са специфични форми на укрепване от втора-фаза.
Ефекти
Частиците от втората{0}}фаза взаимодействат с дислокациите, възпрепятствайки тяхното движение и увеличавайки устойчивостта на сплавта срещу деформация.
Други фактори, влияещи върху силата
Състав, микроструктура и повърхностно състояние на сплавта.
Състояние на натоварване: скорост, режим (на опън срещу цикличен).
Геометрия на пробата и среда за изпитване (напр. водородната крехкост може драстично да намали якостта).
Резюме на подходите за укрепване
Два основни начина за укрепване на металите:
Увеличете силата на атомно свързване и създайте кристали-без дефекти (напр. мустаци).
Въведете дефекти (дислокации, атоми на разтворени вещества, граници на зърната и т.н.), за да възпрепятствате движението на дислокации - доказано, че е най-ефективният метод.
Инженерните материали обикновено разчитат на комбинация от укрепващи механизми за постигане на оптимална производителност.
