Versterking van vaste oplossingen

1. Definitie

Een fenomeen waarbij legeringselementen in het basismetaal oplossen, wat een zekere mate van roostervervorming veroorzaakt en daardoor de sterkte van de legering verhoogt.

2. Principe

De opgeloste atomen in de vaste oplossing veroorzaken roostervervorming, waardoor de weerstand tegen dislocatiebeweging toeneemt, slip moeilijker wordt en de sterkte en hardheid van de legeringsoplossing toenemen. Dit verschijnsel, waarbij metaal wordt versterkt door het oplossen van een bepaald opgelost element om een ​​vaste oplossing te vormen, wordt vaste-oplossingsversterking genoemd. Wanneer de concentratie van opgeloste atomen geschikt is, kunnen de sterkte en hardheid van het materiaal toenemen, maar de taaiheid en plasticiteit nemen af.

3. Beïnvloedende factoren

Hoe hoger het atoomaandeel van de opgeloste atomen, hoe groter het versterkende effect, vooral wanneer het atoomaandeel erg laag is, is het versterkende effect significant.

Hoe groter het verschil tussen de atomen van de opgeloste stof en de atoomgrootte van het basismetaal, hoe groter het versterkende effect.

Interstitiële opgeloste atomen hebben een groter versterkend effect op de vaste oplossing dan vervangende atomen. Omdat de roostervervorming van interstitiële atomen in lichaamsgecentreerde kubische kristallen asymmetrisch is, is hun versterkend effect groter dan dat van vlakgecentreerde kubische kristallen. De vaste oplosbaarheid van interstitiële atomen is echter zeer beperkt, waardoor het werkelijke versterkende effect ook beperkt is.

Hoe groter het verschil in het aantal valentie-elektronen tussen de opgeloste atomen en het basismetaal, hoe duidelijker het versterkende effect van de vaste oplossing, dat wil zeggen dat de vloeigrens van de vaste oplossing toeneemt met de toename van de valentie-elektronenconcentratie.

4. De mate van versterking door vaste-oplossingvorming hangt hoofdzakelijk af van de volgende factoren.

Het verschil in grootte tussen matrixatomen en opgeloste atomen. Hoe groter het grootteverschil, hoe groter de verstoring van de oorspronkelijke kristalstructuur en hoe moeilijker het is voor dislocaties om te verschuiven.

De hoeveelheid legeringselementen. Hoe meer legeringselementen er worden toegevoegd, hoe groter het versterkende effect. Als er te veel atomen te groot of te klein zijn, wordt de oplosbaarheid overschreden. Dit brengt een ander versterkingsmechanisme met zich mee, namelijk de versterking door de gedispergeerde fase.

Interstitiële opgeloste atomen hebben een groter versterkend effect op de vaste oplossing dan vervangende atomen.

Hoe groter het verschil in het aantal valentie-elektronen tussen de opgeloste atomen en het basismetaal, hoe sterker het versterkende effect van de vaste oplossing.

5. Effect

De vloeigrens, treksterkte en hardheid zijn hoger dan die van zuivere metalen;

In de meeste gevallen is de ductiliteit lager dan die van zuiver metaal;

De geleidbaarheid is veel lager dan die van zuiver metaal;

Kruipweerstand, oftewel sterkteverlies bij hoge temperaturen, kan worden verbeterd door middel van vaste-oplossingsversterking.

Werkverharding

1. Definitie

Naarmate de mate van koudvervorming toeneemt, nemen de sterkte en hardheid van metalen materialen toe, maar de plasticiteit en taaiheid nemen af.

2. Inleiding

Een fenomeen waarbij de sterkte en hardheid van metalen materialen toenemen wanneer ze plastisch worden vervormd onder de herkristallisatietemperatuur, terwijl de plasticiteit en taaiheid afnemen. Ook bekend als koudvervorming. De reden hiervoor is dat bij plastische vervorming van het metaal de kristalkorrels verschuiven en dislocaties in elkaar verstrengelen, waardoor de kristalkorrels langer worden, breken en vezels vormen, en restspanningen in het metaal ontstaan. De mate van koudvervorming wordt meestal uitgedrukt als de verhouding tussen de microhardheid van de oppervlaktelaag na de bewerking en die vóór de bewerking, en de dikte van de geharde laag.

3. Interpretatie vanuit het perspectief van de dislocatietheorie

(1) Er vindt een kruising plaats tussen dislocaties, en de resulterende sneden belemmeren de beweging van de dislocaties;

(2) Er vindt een reactie plaats tussen dislocaties, en de gevormde vaste dislocatie belemmert de beweging van de dislocatie;

(3) Er vindt een proliferatie van dislocaties plaats, en de toename van de dislocatiedichtheid verhoogt de weerstand tegen dislocatiebeweging verder.

4. Schade

Werkverharding brengt problemen met zich mee bij de verdere bewerking van metalen onderdelen. Bijvoorbeeld, tijdens het koudwalsen van staalplaat wordt deze steeds moeilijker te walsen. Daarom is het noodzakelijk om tijdens het bewerkingsproces een tussentijdse gloeibehandeling uit te voeren om de werkverharding door verhitting te neutraliseren. Een ander voorbeeld is het bros en hard maken van het oppervlak van het werkstuk tijdens het snijproces, waardoor gereedschapslijtage versnelt en de snijkracht toeneemt.

5. Voordelen

Het kan de sterkte, hardheid en slijtvastheid van metalen verbeteren, met name van zuivere metalen en bepaalde legeringen die niet door warmtebehandeling kunnen worden verbeterd. Koudgetrokken, zeer sterk staaldraad en koudgewalste veren worden bijvoorbeeld door koudvervorming gebruikt om hun sterkte en elasticiteit te verbeteren. Een ander voorbeeld is het gebruik van koudvervorming om de hardheid en slijtvastheid van tanks, tractorrupsbanden, breekhamers en spoorwegwissels te verbeteren.

6. Rol in de werktuigbouwkunde

Na koudtrekken, walsen en straalpolijsten (zie oppervlakteversterking) en andere processen kan de oppervlaktesterkte van metalen materialen, onderdelen en componenten aanzienlijk worden verbeterd;

Nadat de onderdelen onder spanning zijn gezet, overschrijdt de plaatselijke spanning in bepaalde delen vaak de vloeigrens van het materiaal, wat plastische vervorming veroorzaakt. Door koudvervorming wordt de verdere ontwikkeling van plastische vervorming beperkt, wat de veiligheid van onderdelen en componenten kan verbeteren.

Bij het stempelen van een metalen onderdeel of component gaat de plastische vervorming gepaard met versteviging, waardoor de vervorming wordt overgedragen op het onbewerkte, geharde deel eromheen. Na dergelijke herhaalde, afwisselende handelingen kunnen koudgestempelde onderdelen met een uniforme dwarsdoorsnedevervorming worden verkregen.

Het kan de snijprestaties van koolstofarm staal verbeteren en de spaanafvoer vergemakkelijken. Maar koudvervorming brengt ook problemen met zich mee bij de verdere bewerking van metalen onderdelen. Koudgetrokken staaldraad verbruikt bijvoorbeeld veel energie bij het verder trekken vanwege de koudvervorming en kan zelfs breken. Daarom moet het worden gegloeid om de koudvervorming te verwijderen voordat het wordt getrokken. Een ander voorbeeld is dat om het oppervlak van het werkstuk tijdens het snijden broos en hard te maken, de snijkracht tijdens het nasnijden wordt verhoogd, waardoor de gereedschapslijtage wordt versneld.

Fijnkorrelversterking

1. Definitie

De methode om de mechanische eigenschappen van metalen materialen te verbeteren door de kristalkorrels te verfijnen, wordt kristalverfijning genoemd. In de industrie wordt de sterkte van het materiaal verbeterd door de kristalkorrels te verfijnen.

2. Principe

Metalen zijn doorgaans polykristallen, opgebouwd uit vele kristalkorrels. De grootte van de kristalkorrels kan worden uitgedrukt in het aantal kristalkorrels per volume-eenheid. Hoe groter het aantal, hoe fijner de kristalkorrels. Experimenten tonen aan dat fijnkorrelige metalen bij kamertemperatuur een hogere sterkte, hardheid, plasticiteit en taaiheid hebben dan grofkorrelige metalen. Dit komt doordat de fijne korrels plastische vervorming ondergaan onder invloed van externe krachten en over meer korrels verspreid kunnen worden, waardoor de plastische vervorming gelijkmatiger verloopt en de spanningsconcentratie lager is. Bovendien geldt dat hoe fijner de korrels, hoe groter het korrelgrensoppervlak en hoe kronkeliger de korrelgrenzen. Dit maakt de voortplanting van scheuren ongunstiger. Daarom wordt de methode om de sterkte van een materiaal te verbeteren door de kristalkorrels te verfijnen in de industrie korrelverfijningsversterking genoemd.

3. Effect

Hoe kleiner de korrelgrootte, hoe kleiner het aantal dislocaties (n) in de dislocatiecluster. Volgens τ=nτ0 geldt: hoe kleiner de spanningsconcentratie, hoe hoger de sterkte van het materiaal.

De wet van versterking door fijnkorreligheid stelt dat hoe meer korrelgrenzen er zijn, hoe fijner de korrels. Volgens de Hall-Peiqi-relatie geldt dat hoe kleiner de gemiddelde waarde (d) van de korrels, hoe hoger de vloeigrens van het materiaal.

4. De methode van korrelverfijning

Verhoog de mate van onderkoeling;

Behandeling van verslechtering;

Trilling en roering;

Bij koudvervormde metalen kunnen de kristalkorrels verfijnd worden door de mate van vervorming en de gloeitemperatuur te controleren.

Tweede fase versterking

1. Definitie

In vergelijking met eenfasige legeringen hebben meerfasige legeringen naast de matrixfase ook een tweede fase. Wanneer deze tweede fase gelijkmatig verdeeld is in de matrixfase met fijn verdeelde deeltjes, heeft dit een aanzienlijk versterkend effect. Dit versterkende effect wordt versterking door de tweede fase genoemd.

2. Classificatie

Voor de beweging van dislocaties kent de tweede fase in de legering de volgende twee situaties:

(1) Versterking van niet-vervormbare deeltjes (bypassmechanisme).

(2) Versterking van vervormbare deeltjes (doorsnijdingsmechanisme).

Zowel versterking door verspreiding als versterking door neerslag zijn bijzondere gevallen van versterking in de tweede fase.

3. Effect

De voornaamste reden voor de versterking van de tweede fase is de interactie tussen deze fasen en de dislocaties, waardoor de beweging van de dislocaties wordt belemmerd en de vervormingsweerstand van de legering wordt verbeterd.

Samenvattend

De belangrijkste factoren die de sterkte beïnvloeden, zijn de samenstelling, structuur en oppervlaktestaat van het materiaal zelf; ten tweede speelt de aard van de kracht een rol, zoals de snelheid waarmee de kracht wordt uitgeoefend, de wijze van belasting, enkelvoudige rek of herhaalde belasting, die verschillende sterktes tot gevolg hebben; daarnaast hebben ook de geometrie en grootte van het monster en het testmedium een ​​grote, soms zelfs doorslaggevende invloed. Zo kan de treksterkte van ultrahoogsterk staal in een waterstofatmosfeer exponentieel afnemen.

Er zijn slechts twee manieren om metalen materialen te versterken. De eerste is het vergroten van de interatomaire bindingskracht van de legering, waardoor de theoretische sterkte toeneemt, en het creëren van een compleet kristal zonder defecten, zoals whiskers. Het is bekend dat de sterkte van ijzerwhiskers dicht bij de theoretische waarde ligt. Dit kan worden verklaard doordat er geen of slechts een klein aantal dislocaties in de whiskers aanwezig is die zich niet kunnen vermenigvuldigen tijdens het vervormingsproces. Helaas neemt de sterkte sterk af naarmate de diameter van de whisker groter wordt. Een andere versterkingsmethode is het introduceren van een groot aantal kristaldefecten in het kristal, zoals dislocaties, puntdefecten, heterogene atomen, korrelgrenzen, sterk verspreide deeltjes of inhomogeniteiten (zoals segregatie), enzovoort. Deze defecten belemmeren de beweging van dislocaties en verbeteren de sterkte van het metaal aanzienlijk. Uit onderzoek is gebleken dat dit de meest effectieve manier is om de sterkte van metalen te verhogen. Voor technische materialen wordt over het algemeen een algehele versterking door middel van een alomvattend versterkingsproces nagestreefd om betere algehele prestaties te bereiken.