Rafforzamento della soluzione solida

1. Definizione

Fenomeno in cui gli elementi di lega 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 reticolare, che aumenta la resistenza al movimento delle dislocazioni, rende difficile lo scorrimento e aumenta la resistenza e la durezza della soluzione solida della lega. Questo fenomeno di rafforzamento del metallo mediante la dissoluzione di un determinato elemento del soluto per formare una soluzione solida è chiamato rafforzamento della soluzione solida. Quando la concentrazione di atomi di soluto è appropriata, la resistenza e la durezza del materiale possono essere aumentate, ma la sua tenacità e plasticità risultano diminuite.

3. Fattori influenzanti

Quanto più alta è la frazione atomica degli atomi del soluto, tanto maggiore è l'effetto di rafforzamento, soprattutto quando la frazione atomica è molto bassa, tanto più significativo è l'effetto di rafforzamento.

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

Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto di rafforzamento della soluzione solida maggiore rispetto agli atomi di sostituzione e, poiché la distorsione reticolare 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 la solubilità solida degli atomi interstiziali è molto limitata, quindi anche l'effetto di rafforzamento effettivo è limitato.

Quanto maggiore è la differenza nel numero di elettroni di valenza tra gli atomi del soluto e il metallo base, tanto più evidente è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida, ovvero il limite 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

Differenza di dimensioni tra gli atomi della matrice e quelli del soluto. Maggiore è la differenza di dimensioni, maggiore è l'interferenza con la struttura cristallina originale e più difficile è lo scorrimento delle dislocazioni.

La quantità di elementi di lega. Maggiore è il numero di elementi di lega aggiunti, maggiore sarà l'effetto di rafforzamento. Se troppi atomi sono troppo grandi o troppo piccoli, la solubilità verrà superata. Questo implica un altro meccanismo di rafforzamento, il rafforzamento in fase dispersa.

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

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

5. Effetto

La resistenza allo 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 più bassa del metallo puro;

La resistenza allo scorrimento viscoso, ovvero la perdita di resistenza alle alte temperature, può essere migliorata mediante il rinforzo in soluzione solida.

incrudimento del lavoro

1. Definizione

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

2. Introduzione

Un 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 cristallini scivolano e le dislocazioni si aggrovigliano, causando l'allungamento, la rottura e la fibrosi dei grani cristallini, 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 dalla profondità dello strato indurito.

3. Interpretazione dal punto di vista della teoria delle dislocazioni

(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 nella successiva lavorazione dei componenti metallici. Ad esempio, durante la laminazione a freddo, la lamiera d'acciaio diventa sempre più dura da laminare, quindi è necessario predisporre una ricottura intermedia durante il processo di lavorazione per eliminarne 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. Benefici

Può migliorare la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei metalli, in particolare per quei metalli puri e alcune leghe che non possono essere migliorate mediante trattamento termico. Ad esempio, il filo d'acciaio ad alta resistenza trafilato a freddo e le molle a spirale a freddo, ecc., utilizzano la deformazione 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 carri armati, cingoli per trattori, ganasce di frantoi e scambi ferroviari.

6. Ruolo nell'ingegneria meccanica

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

Dopo che i componenti sono stati sottoposti a sollecitazione, 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 viene limitato, il che può migliorare la sicurezza di parti e componenti;

Quando un componente o un componente metallico viene stampato, la sua deformazione plastica è accompagnata da un rinforzo, in modo che la deformazione venga trasferita alla parte indurita non lavorata circostante. Dopo queste 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. Tuttavia, l'incrudimento comporta anche difficoltà nell'ulteriore lavorazione dei componenti metallici. 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 aumenta durante la ripassatura e l'usura dell'utensile viene accelerata.

Rinforzante a grana fine

1. Definizione

Il metodo per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali metallici mediante la raffinazione dei grani cristallini è chiamato "rinforzo per raffinazione cristallina". Nell'industria, la resistenza del materiale viene migliorata mediante la raffinazione dei grani cristallini.

2. Principio

I metalli sono solitamente policristalli composti da molti grani cristallini. 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 cristallini. Gli esperimenti dimostrano che i metalli a grana fine a temperatura ambiente hanno maggiore resistenza, durezza, plasticità e tenacità rispetto ai metalli a grana grossa. Questo perché i grani fini subiscono una deformazione plastica sotto l'azione di forze esterne e possono essere dispersi in più grani, la deformazione plastica è più uniforme e la concentrazione degli sforzi è minore; inoltre, più fini sono i grani, maggiore è l'area del bordo dei grani e più tortuosi sono i bordi dei grani. Più sfavorevole è la propagazione delle cricche. Pertanto, il metodo per migliorare la resistenza del materiale mediante la raffinazione dei grani cristallini è chiamato, nell'industria, "rinforzo per 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 di stress, maggiore è la resistenza del materiale;

La legge del rinforzo a grano fine afferma che più sono numerosi i bordi dei grani, più fini sono i grani. Secondo la relazione di Hall-Peiqi, minore è il valore medio (d) dei grani, maggiore è il limite di snervamento del materiale.

4. Il metodo di raffinazione del grano

Aumentare il grado di sottoraffreddamento;

Trattamento di 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 di seconda fase

1. Definizione

Rispetto alle leghe monofasiche, le leghe multifasiche presentano una seconda fase oltre alla fase matrice. Quando la seconda fase è distribuita uniformemente nella fase matrice con particelle finemente disperse, si ottiene un significativo effetto di rinforzo. Questo effetto di rinforzo è chiamato rinforzo di seconda fase.

2. Classificazione

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

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

(2) Rinforzo di particelle deformabili (meccanismo di taglio passante).

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

3. Effetto

Il motivo principale del rafforzamento della seconda fase è l'interazione tra queste e la dislocazione, che ostacola il movimento della dislocazione 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 di forza, come la velocità della forza, il metodo di carico, lo stiramento semplice o la forza ripetuta, che mostreranno resistenze diverse; inoltre, anche la geometria e le dimensioni del campione e il mezzo di prova hanno una grande influenza, a volte persino decisiva. Ad esempio, la resistenza alla trazione dell'acciaio ultra-altoresistenziale in un'atmosfera di idrogeno può diminuire esponenzialmente.

Esistono solo due modi per rinforzare i materiali metallici. Uno consiste nell'aumentare la forza di legame interatomico della lega, aumentarne la resistenza teorica e preparare un cristallo completo e privo di difetti, come i whisker. È noto che la resistenza dei whisker in ferro è prossima al valore teorico. Si può supporre che ciò sia dovuto all'assenza di dislocazioni nei whisker, o solo a una piccola quantità di dislocazioni che non possono proliferare durante il processo di deformazione. Sfortunatamente, quando il diametro del whisker è maggiore, la resistenza diminuisce drasticamente. Un altro approccio di rinforzo consiste nell'introdurre un gran numero di difetti cristallini nel cristallo, come dislocazioni, difetti puntiformi, atomi eterogenei, bordi di grano, particelle altamente disperse o disomogeneità (come la segregazione), ecc. Questi difetti ostacolano il movimento delle dislocazioni e migliorano 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 ingegneristici, generalmente si ottengono migliori prestazioni complessive attraverso effetti di rinforzo completi.