01. Зміцнення твердого розчину
Визначення
Зміцнення твердого розчину — це явище, коли легуючі елементи розчиняються в основному металі, спричиняючи спотворення решітки та підвищення міцності сплаву.
Принцип
Розчинені атоми, які розчиняються у твердому розчині, створюють спотворення решітки, що збільшує опір руху дислокацій, ускладнюючи ковзання. В результаті підвищується міцність і твердість твердого розчину сплаву. Цей механізм зміцнення базується на розчиненні атомів розчиненої речовини з утворенням твердого розчину. При відповідній концентрації розчиненої речовини міцність і твердість матеріалу покращуються, хоча його в’язкість і пластичність можуть зменшуватися.
Фактори впливу
Чим вище атомна частка атомів розчиненої речовини, тим сильніший ефект зміцнення, особливо при низьких концентраціях.
Чим більша різниця розмірів між атомами розчиненої речовини та основного металу, тим значніше зміцнення.
Міжвузлові розчинені атоми мають сильніший зміцнювальний ефект, ніж замісні. У об’ємно{1}}кубічних кристалах міжвузлові атоми спричиняють асиметричне спотворення решітки, що призводить до більшого зміцнення, ніж у гране{2}}кубічних кристалах. Однак розчинність міжвузлових атомів обмежена.
Чим більша різниця в числах валентних електронів між атомами розчиненої речовини та основними атомами, тим сильніший ефект посилення. Межа текучості зростає з концентрацією електронів.
Ступінь посилення залежить від:
Різниця в розмірах між атомами розчиненої речовини та атомами основи: більша невідповідність розмірів збільшує опір дислокаціям.
Кількість легуючих елементів: Більше легування=сильніший ефект, але надмірна кількість може перевищити межу розчинності та вимагати інших методів зміцнення, наприклад другого етапу зміцнення.
Міжвузлові атоми зміцнюються більше, ніж атоми заміщення.
Різниця валентних електронів між розчиненою речовиною та металом матриці посилює зміцнення.
Ефекти
Межа текучості, міцність на розрив і твердість перевищують показники чистих металів.
Як правило, нижча пластичність порівняно з чистими металами.
Нижча електропровідність, ніж у чистих металів.
Покращений опір повзучості та -міцність при високих температурах.
02. Робоче зміцнення (деформаційне зміцнення)
Визначення
Зі збільшенням холодної деформації зростає міцність і твердість металу, а пластичність і в'язкість знижуються.
Огляд
Коли метали піддаються пластичній деформації нижче температури рекристалізації, вони стають міцнішими та твердішими, але менш пластичними та в’язкими. Також відомий як зміцнення холодною обробкою. Під час пластичної деформації дислокації заплутуються, зерна подовжуються, ламаються, стають волокнистими. Вводиться залишкова напруга. Ступінь зміцнення зазвичай вимірюють співвідношенням поверхневої мікротвердості до і після деформації і глибини зміцненого шару.
Пояснення теорії дислокації
Вивихи перетинаються й утворюють ступінчасті{0}}перешкоди для руху.
Вивихи реагують, утворюючи нерухомі вивихи, які утруднюють рух.
Розмноження вивихів збільшує щільність, що ще більше ускладнює рух.
Недоліки
Нагартування ускладнює подальшу обробку. Наприклад, холоднокатана-сталь стає дедалі твердішою та непридатною для обробки, тому для її розм’якшення потрібен проміжний відпал. При механічній обробці поверхневе зміцнення збільшує силу різання та знос інструменту.
Переваги
Покращує міцність, твердість і зносостійкість металу, особливо для чистих металів і сплавів, які не можна зміцнити термічною обробкою (наприклад, холодно{2}}витягнуті високо-дроти, холоднокатані пружини, гусениці цистерн, щелепи дробарок, стрілочні переводи).
Застосування в машинобудуванні
Холодне волочіння, прокатка та дробеструйна обробка значно підвищують поверхневу міцність матеріалів і деталей.
Локалізована пластична деформація під напругою може бути обмежена завдяки робочому зміцненню, покращуючи безпеку компонентів.
Під час штампування загартовані ділянки направляють деформацію на більш м’які ділянки, забезпечуючи рівномірну деформацію по перерізах.
Покращує оброблюваність низько{0}}вуглецевої сталі, полегшуючи відділення стружки. Однак це збільшує споживання енергії при подальшій обробці та знос інструменту при обробці.
03. Посилення зернистості
Визначення
Зміцнення подрібнення зерна покращує механічні властивості за рахунок зменшення розміру зерна.
Принцип
Метали полікристалічні. Менші зерна (тобто більше зерен на одиницю об’єму) призводять до вищої міцності, твердості, пластичності та в’язкості. Більш дрібні зерна розподіляють деформацію більш рівномірно, зменшують концентрацію напруги та перешкоджають поширенню тріщин. Таким чином, рафінування зерна підвищує міцність.
Ефекти
Тонші зерна зменшують напругу-нагромадження дислокації, збільшуючи міцність.
Відповідно до співвідношення Холла–Петча менший розмір зерна ddd призводить до вищої межі текучості.
Методи очищення зерна
Посилення переохолодження.
Лікування щепленням.
Вібрація і перемішування під час затвердіння.
У холодно{0}}деформованих металах: контроль ступеня деформації та температури відпалу.
04. Друга фаза зміцнення
Визначення
У багатофазних сплавах, крім матричної фази, існує друга фаза. Коли дрібнодисперсні частинки другої-фази рівномірно розподіляються в матриці, вони значно зміцнюють сплав. Це відоме як зміцнення другого-фазу.
Типи
З точки зору руху дислокацій, частинки другої-фази класифікуються на:
Частинки, що не-деформуються: зміцнення через механізм обходу (механізм Орована).
Частинки, що деформуються: зміцнення за допомогою ріжучого механізму.
Дисперсоїдне зміцнення та дисперсійне зміцнення є специфічними формами зміцнення другої-фази.
Ефекти
Частинки другої-фази взаємодіють із дислокаціями, перешкоджаючи їхньому руху та підвищуючи стійкість сплаву до деформації.
Інші фактори, що впливають на міцність
Склад, мікроструктура та стан поверхні сплаву.
Умови навантаження: швидкість, режим (розтяг проти циклічного).
Геометрія зразка та середовище випробувань (наприклад, воднева крихкість може різко знизити міцність).
Резюме підходів до посилення
Два основних шляхи зміцнення металів:
Збільште силу зв’язку між атомами та створіть кристали-без дефектів (наприклад, вуса).
Введення дефектів (дислокацій, атомів розчиненої речовини, меж зерен тощо), щоб перешкоджати руху дислокацій - доведено як найефективніший метод.
Інженерні матеріали зазвичай покладаються на комбінацію механізмів зміцнення для досягнення оптимальних характеристик.
