Rafforzamento della soluzione solida

1. Definizione

Fenomeno in cui gli elementi leganti vengono disciolti nel metallo base per provocare un certo grado di distorsione del reticolo e quindi aumentare la resistenza della lega.

2. Principio

Gli atomi di soluto disciolti nella soluzione solida causano una distorsione del reticolo, che aumenta la resistenza al movimento della dislocazione, rende difficile lo scivolamento e aumenta la resistenza e la durezza della soluzione solida della lega. Questo fenomeno di rafforzamento del metallo sciogliendo un certo elemento di soluto per formare una soluzione solida è chiamato rafforzamento della soluzione solida. Quando la concentrazione degli atomi di soluto è appropriata, la resistenza e la durezza del materiale possono aumentare, ma la sua tenacità e plasticità diminuiscono.

3. Fattori che influenzano

Maggiore è la frazione atomica degli atomi di soluto, maggiore è l'effetto rinforzante, soprattutto quando la frazione atomica è molto bassa, l'effetto rinforzante è più significativo.

Maggiore è la differenza tra gli atomi di soluto e la dimensione atomica del metallo base, maggiore è l'effetto rinforzante.

Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto di rafforzamento della soluzione solida maggiore rispetto agli atomi di sostituzione e poiché la distorsione del reticolo degli atomi interstiziali nei cristalli cubici a corpo centrato è asimmetrica, il loro effetto di rafforzamento è maggiore di quello dei cristalli cubici a facce centrate; ma atomi interstiziali La solubilità solida è molto limitata, quindi anche l'effettivo effetto di rafforzamento è limitato.

Maggiore è la differenza nel numero di elettroni di valenza tra gli atomi del soluto e il metallo base, più evidente è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida, cioè il carico di snervamento della soluzione solida aumenta con l'aumento della concentrazione di elettroni di valenza.

4. Il grado di rafforzamento della soluzione solida dipende principalmente dai seguenti fattori

La differenza di dimensione tra gli atomi della matrice e gli atomi del soluto. Maggiore è la differenza dimensionale, maggiore è l'interferenza con la struttura cristallina originale e più difficile è lo scivolamento della dislocazione.

La quantità di elementi di lega. Più elementi di lega vengono aggiunti, maggiore è l'effetto rinforzante. Se troppi atomi sono troppo grandi o troppo piccoli, la solubilità verrà superata. Ciò comporta un altro meccanismo di rafforzamento, il rafforzamento della fase dispersa.

Gli atomi di soluto interstiziale hanno un effetto di rafforzamento della soluzione solida maggiore rispetto agli atomi di sostituzione.

Maggiore è la differenza nel numero di elettroni di valenza tra gli atomi del soluto e il metallo base, più significativo è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida.

5. Effetto

Il carico di snervamento, la resistenza alla trazione e la durezza sono più forti dei metalli puri;

Nella maggior parte dei casi la duttilità è inferiore a quella del metallo puro;

La conduttività è molto inferiore a quella del metallo puro;

La resistenza al creep, o la perdita di resistenza alle alte temperature, può essere migliorata rafforzando la soluzione solida.

Incrudimento del lavoro

1. Definizione

All'aumentare del grado di deformazione a freddo, aumenta la resistenza e la durezza dei materiali metallici, ma diminuiscono la plasticità e la tenacità.

2. Introduzione

Fenomeno in cui la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano quando vengono deformati plasticamente al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono. Noto anche come incrudimento a freddo. Il motivo è che quando il metallo viene deformato plasticamente, i grani di cristallo scivolano e le dislocazioni rimangono impigliate, il che provoca l'allungamento, la rottura e la fibrosi dei grani di cristallo e si generano tensioni residue nel metallo. Il grado di incrudimento è solitamente espresso dal rapporto tra la microdurezza dello strato superficiale dopo la lavorazione e quella prima della lavorazione e la profondità dello strato indurito.

3. Interpretazione dal punto di vista della teoria delle lussazioni

(1) L'intersezione avviene tra le dislocazioni e i tagli risultanti ostacolano il movimento delle dislocazioni;

(2) Si verifica una reazione tra le dislocazioni e la dislocazione fissa formata ostacola il movimento della dislocazione;

(3) Si verifica la proliferazione delle dislocazioni e l'aumento della densità delle dislocazioni aumenta ulteriormente la resistenza al movimento delle dislocazioni.

4. Danno

L'incrudimento comporta difficoltà nell'ulteriore lavorazione delle parti metalliche. Ad esempio, nel processo di laminazione a freddo della lamiera d'acciaio, diventerà sempre più difficile da laminare, quindi è necessario predisporre una ricottura intermedia durante il processo di lavorazione per eliminare l'incrudimento mediante riscaldamento. Un altro esempio è quello di rendere la superficie del pezzo fragile e dura durante il processo di taglio, accelerando così l'usura dell'utensile e aumentando la forza di taglio.

5. Vantaggi

Può migliorare la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei metalli, soprattutto per quei metalli puri e alcune leghe che non possono essere migliorate mediante trattamento termico. Ad esempio, il filo di acciaio ad alta resistenza trafilato a freddo e la molla avvolta a freddo, ecc., utilizzano la deformazione per lavorazione a freddo per migliorarne la resistenza e il limite elastico. Un altro esempio è l'uso dell'incrudimento per migliorare la durezza e la resistenza all'usura di serbatoi, cingoli di trattori, mascelle di frantoio e scambi ferroviari.

6. Ruolo nell'ingegneria meccanica

Dopo la trafilatura a freddo, la laminazione e la pallinatura (vedi rinforzo superficiale) e altri processi, la resistenza superficiale di materiali, parti e componenti metallici può essere notevolmente migliorata;

Dopo che le parti sono state sollecitate, la sollecitazione locale di alcune parti spesso supera il limite di snervamento del materiale, causando deformazione plastica. A causa dell'incrudimento, il continuo sviluppo della deformazione plastica è limitato, il che può migliorare la sicurezza di parti e componenti;

Quando una parte o un componente metallico viene stampato, la sua deformazione plastica è accompagnata da un rinforzo, per cui la deformazione viene trasferita alla parte indurita non lavorata che la circonda. Dopo tali ripetute azioni alternate si possono ottenere pezzi stampati a freddo con deformazione trasversale uniforme;

Può migliorare le prestazioni di taglio dell'acciaio a basso tenore di carbonio e facilitare la separazione dei trucioli. Ma l’incrudimento comporta anche difficoltà nell’ulteriore lavorazione delle parti metalliche. Ad esempio, il filo d'acciaio trafilato a freddo consuma molta energia per l'ulteriore trafilatura a causa dell'incrudimento e può persino rompersi. Pertanto, deve essere ricotto per eliminare l'incrudimento prima della trafilatura. Un altro esempio è che per rendere la superficie del pezzo fragile e dura durante il taglio, la forza di taglio viene aumentata durante la ri-taglio e l'usura dell'utensile viene accelerata.

Rafforzamento della grana fine

1. Definizione

Il metodo per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali metallici raffinando i grani di cristallo è chiamato rafforzamento della raffinazione dei cristalli. Nell'industria, la resistenza del materiale viene migliorata raffinando i grani di cristallo.

2. Principio

I metalli sono solitamente policristalli composti da molti grani di cristallo. La dimensione dei grani cristallini può essere espressa dal numero di grani cristallini per unità di volume. Maggiore è il numero, più fini sono i grani di cristallo. Gli esperimenti dimostrano che i metalli a grana fine a temperatura ambiente hanno resistenza, durezza, plasticità e tenacità maggiori rispetto ai metalli a grana grossa. Questo perché i grani fini subiscono una deformazione plastica sotto la forza esterna e possono essere dispersi in più grani, la deformazione plastica è più uniforme e la concentrazione dello stress è minore; inoltre, più fini sono i grani, maggiore è l'area del bordo del grano e più tortuosi i bordi del grano. Più sfavorevole è la propagazione delle crepe. Pertanto, il metodo per migliorare la resistenza del materiale raffinando i grani di cristallo è chiamato nel settore rafforzamento della raffinazione dei grani.

3. Effetto

Minore è la dimensione del grano, minore è il numero di dislocazioni (n) nel cluster di dislocazioni. Secondo τ=nτ0, minore è la concentrazione delle tensioni, maggiore è la resistenza del materiale;

La legge di rafforzamento del rinforzo a grana fine è che maggiori sono i bordi dei grani, più fini sono i grani. Secondo la relazione Hall-Peiqi, minore è il valore medio (d) dei grani, maggiore è la resistenza allo snervamento del materiale.

4. Il metodo di raffinazione del grano

Aumentare il grado di sottoraffreddamento;

Trattamento del deterioramento;

Vibrazione e agitazione;

Per i metalli deformati a freddo, i grani cristallini possono essere raffinati controllando il grado di deformazione e la temperatura di ricottura.

Rinforzo della seconda fase

1. Definizione

Rispetto alle leghe monofase, le leghe multifase hanno una seconda fase oltre alla fase della matrice. Quando la seconda fase è distribuita uniformemente nella fase matrice con particelle fini disperse, avrà un effetto rinforzante significativo. Questo effetto di rafforzamento è chiamato rafforzamento della seconda fase.

2. Classificazione

Per il movimento delle dislocazioni, la seconda fase contenuta nella lega presenta le seguenti due situazioni:

(1) Rinforzo di particelle indeformabili (meccanismo di bypass).

(2) Rinforzo delle particelle deformabili (meccanismo cut-through).

Sia il rafforzamento per dispersione che quello per precipitazione sono casi speciali di rinforzo della seconda fase.

3. Effetto

Il motivo principale del rafforzamento della seconda fase è l'interazione tra loro e la lussazione, che ostacola il movimento della lussazione e migliora la resistenza alla deformazione della lega.

per riassumere

I fattori più importanti che influenzano la resistenza sono la composizione, la struttura e lo stato superficiale del materiale stesso; il secondo è lo stato della forza, come la velocità della forza, il metodo di carico, il semplice allungamento o la forza ripetuta, mostreranno punti di forza diversi; Inoltre, anche la geometria e le dimensioni del campione e del mezzo di prova hanno una grande influenza, a volte addirittura decisiva. Ad esempio, la resistenza alla trazione dell’acciaio ultraresistente in un’atmosfera di idrogeno può diminuire in modo esponenziale.

Esistono solo due modi per rafforzare i materiali metallici. Uno è quello di aumentare la forza di legame interatomico della lega, aumentare la sua resistenza teorica e preparare un cristallo completo senza difetti, come i baffi. È noto che la forza dei baffi di ferro è vicina al valore teorico. Si può ritenere che ciò sia dovuto al fatto che non ci sono dislocazioni nei baffi, o solo una piccola quantità di dislocazioni che non possono proliferare durante il processo di deformazione. Sfortunatamente, quando il diametro dei baffi è maggiore, la forza diminuisce drasticamente. Un altro approccio di rafforzamento consiste nell'introdurre un gran numero di difetti cristallini nel cristallo, come dislocazioni, difetti puntiformi, atomi eterogenei, bordi dei grani, particelle altamente disperse o disomogeneità (come la segregazione), ecc. Questi difetti ostacolano il movimento delle dislocazioni e anche migliorare significativamente la resistenza del metallo. I fatti hanno dimostrato che questo è il modo più efficace per aumentare la resistenza dei metalli. Per i materiali tecnici, generalmente è attraverso effetti di rafforzamento globali per ottenere prestazioni globali migliori.