Zpevnění tuhého roztoku

1. Definice

Jev, při kterém se legující prvky rozpouštějí v základním kovu, což způsobuje určitý stupeň deformace mřížky a tím zvyšuje pevnost slitiny.

2. Princip

Rozpuštěné atomy rozpuštěné látky v pevném roztoku způsobují deformaci mřížky, což zvyšuje odpor dislokačního pohybu, ztěžuje klouzání a zvyšuje pevnost a tvrdost slitiny v pevném roztoku. Tento jev zpevnění kovu rozpuštěním určitého rozpuštěného prvku za vzniku pevného roztoku se nazývá zpevnění v pevném roztoku. Pokud je koncentrace rozpuštěných atomů vhodná, lze zvýšit pevnost a tvrdost materiálu, ale jeho houževnatost a plasticita se sníží.

3. Ovlivňující faktory

Čím vyšší je atomový podíl rozpuštěných atomů, tím větší je zpevňující účinek, zejména pokud je atomový podíl velmi nízký, zpevňující účinek je výraznější.

Čím větší je rozdíl mezi atomy rozpuštěné látky a velikostí atomů základního kovu, tím větší je zpevňovací účinek.

Intersticiální atomy rozpuštěné látky mají větší zpevňující účinek v pevném roztoku než náhradní atomy, a protože mřížkové zkreslení intersticiálních atomů v objemově centrovaných kubických krystalech je asymetrické, je jejich zpevňující účinek větší než u plošně centrovaných kubických krystalů; rozpustnost v pevném roztoku je však velmi omezená, takže skutečný zpevňující účinek je také omezený.

Čím větší je rozdíl v počtu valenčních elektronů mezi atomy rozpuštěné látky a základním kovem, tím zřetelnější je efekt zpevnění pevného roztoku, tj. mez kluzu pevného roztoku se zvyšuje se zvyšující se koncentrací valenčních elektronů.

4. Stupeň zpevnění tuhého roztoku závisí především na následujících faktorech

Rozdíl ve velikosti mezi atomy matrice a atomy rozpuštěné látky. Čím větší je rozdíl ve velikosti, tím větší je narušení původní krystalové struktury a tím obtížnější je dislokační posuv.

Množství legujících prvků. Čím více legujících prvků je přidáno, tím větší je zpevňovací účinek. Pokud je příliš mnoho atomů příliš velkých nebo příliš malých, bude překročena rozpustnost. To zahrnuje další mechanismus zpevňování, zpevňování disperzní fází.

Intersticiální atomy rozpuštěných látek mají větší účinek na zpevnění pevného roztoku než náhradní atomy.

Čím větší je rozdíl v počtu valenčních elektronů mezi atomy rozpuštěné látky a základním kovem, tím výraznější je účinek zpevnění pevného roztoku.

5. Efekt

Mez kluzu, pevnost v tahu a tvrdost jsou silnější než u čistých kovů;

Ve většině případů je tažnost nižší než u čistého kovu;

Vodivost je mnohem nižší než u čistého kovu;

Odolnost proti tečení neboli ztráta pevnosti při vysokých teplotách lze zlepšit zpevněním pevným roztokem.

Zpevnění

1. Definice

S rostoucím stupněm deformace za studena se zvyšuje pevnost a tvrdost kovových materiálů, ale snižuje se plasticita a houževnatost.

2. Úvod

Jev, při kterém se pevnost a tvrdost kovových materiálů zvyšují, když jsou plasticky deformovány pod teplotou rekrystalizace, zatímco plasticita a houževnatost klesají. Také známý jako zpevnění za studena. Důvodem je, že při plastické deformaci kovu dochází k prokluzování krystalových zrn a proplétání dislokací, což způsobuje prodlužování, lámání a vláknění krystalových zrn a vznikají v kovu zbytková napětí. Stupeň zpevnění se obvykle vyjadřuje poměrem mikrotvrdosti povrchové vrstvy po zpracování k mikrotvrdosti před zpracováním a hloubkou zpevněné vrstvy.

3. Interpretace z pohledu dislokační teorie

(1) Mezi dislokacemi dochází k průniku a výsledné řezy brání pohybu dislokací;

(2) Mezi dislokacemi dochází k reakci a vzniklá fixní dislokace brání jejímu pohybu;

(3) Dochází k proliferaci dislokací a zvýšení hustoty dislokací dále zvyšuje odpor vůči jejich pohybu.

4. Újma

Zpevnění za studena s sebou nese obtíže při dalším zpracování kovových dílů. Například při válcování ocelového plechu za studena se jeho válcování stává stále tvrdším, proto je nutné během procesu zpracování provést mezižíhání, aby se eliminovalo zpevnění zahříváním. Dalším příkladem je zkřehnutí a ztvrdnutí povrchu obrobku během řezání, čímž se urychlí opotřebení nástroje a zvýší se řezná síla.

5. Výhody

Může zlepšit pevnost, tvrdost a odolnost kovů proti opotřebení, zejména u čistých kovů a některých slitin, které nelze zlepšit tepelným zpracováním. Například u vysokopevnostního ocelového drátu taženého za studena a za studena vinutých pružin atd. se používá deformace za studena ke zlepšení pevnosti a meze pružnosti. Dalším příkladem je použití zpevnění ke zlepšení tvrdosti a odolnosti proti opotřebení nádrží, traktorových kolejí, drtičů a železničních výhybek.

6. Role ve strojírenství

Po tažení za studena, válcování a kuličkování (viz zpevňování povrchu) a dalších procesech lze výrazně zlepšit povrchovou pevnost kovových materiálů, součástí a součástí;

Po namáhání součástí lokální napětí určitých částí často překročí mez kluzu materiálu, což způsobuje plastickou deformaci. Díky zpevnění je další rozvoj plastické deformace omezen, což může zlepšit bezpečnost součástí a součástí.

Když je kovový díl nebo součást ražena, jeho plastická deformace je doprovázena zpevněním, takže deformace se přenáší na okolní neopracovanou kalený díl. Po takových opakovaných střídavých akcích lze získat díly ražené za studena s rovnoměrnou deformací průřezu;

Může zlepšit řezný výkon nízkouhlíkové oceli a usnadnit oddělování třísek. Zpevnění však také přináší obtíže při dalším zpracování kovových dílů. Například ocelový drát tažený za studena spotřebovává v důsledku zpevnění mnoho energie na další tažení a může se dokonce zlomit. Proto musí být před tažením žíhán, aby se eliminovalo zpevnění. Dalším příkladem je, že aby se povrch obrobku během řezání stal křehkým a tvrdým, zvyšuje se řezná síla při přeřezávání a urychluje se opotřebení nástroje.

Jemnozrnné zpevnění

1. Definice

Metoda zlepšení mechanických vlastností kovových materiálů zušlechťováním krystalových zrn se nazývá zpevnění zušlechťováním krystalů. V průmyslu se pevnost materiálu zlepšuje zušlechťováním krystalových zrn.

2. Princip

Kovy jsou obvykle polykrystaly složené z mnoha krystalových zrn. Velikost krystalových zrn lze vyjádřit počtem krystalových zrn na jednotku objemu. Čím větší je počet, tím jemnější jsou krystalová zrna. Experimenty ukazují, že jemnozrnné kovy mají při pokojové teplotě vyšší pevnost, tvrdost, plasticitu a houževnatost než hrubozrnné kovy. Je to proto, že jemná zrna podléhají plastické deformaci vlivem vnější síly a mohou být rozptýlena ve větším počtu zrn, plastická deformace je rovnoměrnější a koncentrace napětí je menší; navíc čím jemnější jsou zrna, tím větší je plocha hranic zrn a hranice zrn jsou klikatější. Tím je nepříznivější je šíření trhlin. Proto se metoda zlepšení pevnosti materiálu zjemňováním krystalových zrn v průmyslu nazývá zpevnění zjemňováním zrn.

3. Účinek

Čím menší je velikost zrna, tím menší je počet dislokací (n) v dislokačním shluku. Podle τ=nτ0 platí, že čím menší je koncentrace napětí, tím vyšší je pevnost materiálu;

Zákon zpevňování při jemnozrnném zpevňování říká, že čím více hranic zrn, tím jemnější jsou zrna. Podle Hallova-Peiqiho vztahu platí, že čím menší je průměrná hodnota (d) zrn, tím vyšší je mez kluzu materiálu.

4. Metoda zjemňování zrna

Zvyšte stupeň podchlazení;

Léčba zhoršení;

Vibrace a míchání;

U kovů deformovaných za studena lze krystalová zrna zjemnit řízením stupně deformace a teploty žíhání.

Výztuž druhé fáze

1. Definice

Ve srovnání s jednofázovými slitinami mají vícefázové slitiny kromě matricové fáze i druhou fázi. Pokud je druhá fáze rovnoměrně rozložena v matricové fázi s jemnými dispergovanými částicemi, bude mít významný zpevňovací účinek. Tento zpevňovací účinek se nazývá zpevnění druhé fáze.

2. Klasifikace

Pro pohyb dislokací má druhá fáze obsažená ve slitině následující dvě situace:

(1) Zesílení nedeformovatelných částic (mechanismus obtoku).

(2) Zesílení deformovatelných částic (mechanismus prořezávání).

Jak disperzní zesílení, tak i precipitační zesílení jsou speciálními případy zesílení druhé fáze.

3. Účinek

Hlavním důvodem zpevnění druhé fáze je interakce mezi nimi a dislokací, která brání pohybu dislokace a zlepšuje deformační odolnost slitiny.

shrnout

Nejdůležitějšími faktory ovlivňujícími pevnost jsou složení, struktura a stav povrchu samotného materiálu; druhým je stav síly, jako je rychlost působení síly, způsob zatížení, prosté roztahování nebo opakované působení síly, které vykazují různé pevnosti; Kromě toho má velký vliv, někdy až rozhodující, geometrie a velikost vzorku a zkušební médium. Například pevnost v tahu ultravysokopevnostní oceli ve vodíkové atmosféře může exponenciálně klesat.

Existují pouze dva způsoby, jak zpevnit kovové materiály. Jedním z nich je zvýšit meziatomovou vazebnou sílu slitiny, zvýšit její teoretickou pevnost a připravit kompletní krystal bez defektů, jako jsou whiskery. Je známo, že pevnost železných whiskerů se blíží teoretické hodnotě. Lze předpokládat, že je to proto, že v whiskerech nejsou žádné dislokace, nebo je zde jen malé množství dislokací, které se nemohou během procesu deformace množit. Bohužel, když je průměr whiskeru větší, pevnost prudce klesá. Dalším přístupem ke zpevnění je zavedení velkého počtu krystalových defektů do krystalu, jako jsou dislokace, bodové defekty, heterogenní atomy, hranice zrn, vysoce dispergované částice nebo nehomogenity (jako je segregace) atd. Tyto defekty brání pohybu dislokací a také výrazně zlepšují pevnost kovu. Fakta prokázala, že toto je nejúčinnější způsob, jak zvýšit pevnost kovů. U technických materiálů je obecně dosaženo lepších komplexních vlastností komplexními zpevňovacími účinky.