Fortalecemento de solucións sólidas

1. Definición

Un fenómeno no que os elementos de aliaxe se disolven no metal base para causar un certo grao de distorsión da rede e, polo tanto, aumentar a resistencia da aliaxe.

2. Principio

Os átomos de soluto disoltos na solución sólida provocan distorsión da rede, o que aumenta a resistencia ao movemento de dislocación, dificulta o esvaramento e aumenta a resistencia e a dureza da solución sólida da aliaxe. Este fenómeno de fortalecemento do metal mediante a disolución dun determinado elemento de soluto para formar unha solución sólida chámase fortalecemento en solución sólida. Cando a concentración de átomos de soluto é axeitada, a resistencia e a dureza do material poden aumentarse, pero a súa tenacidade e plasticidade diminúen.

3. Factores influentes

Canto maior sexa a fracción atómica dos átomos de soluto, maior será o efecto de fortalecemento, especialmente cando a fracción atómica é moi baixa, o efecto de fortalecemento é máis significativo.

Canto maior sexa a diferenza entre os átomos de soluto e o tamaño atómico do metal base, maior será o efecto de fortalecemento.

Os átomos de soluto intersticiais teñen un maior efecto de fortalecemento en solución sólida que os átomos de substitución e, debido a que a distorsión da rede dos átomos intersticiais nos cristais cúbicos centrados no corpo é asimétrica, o seu efecto de fortalecemento é maior que o dos cristais cúbicos centrados nas caras; pero os átomos intersticiais teñen unha solubilidade sólida moi limitada, polo que o efecto de fortalecemento real tamén o é.

Canto maior sexa a diferenza no número de electróns de valencia entre os átomos de soluto e o metal base, máis evidente será o efecto de fortalecemento da solución sólida, é dicir, o límite elástico da solución sólida aumenta co aumento da concentración de electróns de valencia.

4. O grao de fortalecemento da solución sólida depende principalmente dos seguintes factores

A diferenza de tamaño entre os átomos da matriz e os átomos do soluto. Canto maior sexa a diferenza de tamaño, maior será a interferencia coa estrutura cristalina orixinal e máis difícil será o deslizamento por dislocación.

A cantidade de elementos de aliaxe. Cantos máis elementos de aliaxe se engadan, maior será o efecto de fortalecemento. Se demasiados átomos son demasiado grandes ou demasiado pequenos, a solubilidade superarase. Isto implica outro mecanismo de fortalecemento, o fortalecemento da fase dispersa.

Os átomos de soluto intersticiais teñen un maior efecto de fortalecemento en solución sólida que os átomos de substitución.

Canto maior sexa a diferenza no número de electróns de valencia entre os átomos de soluto e o metal base, máis significativo será o efecto de fortalecemento da solución sólida.

5. Efecto

A resistencia ao rendemento, a resistencia á tracción e a dureza son máis fortes que as dos metais puros;

Na maioría dos casos, a ductilidade é menor que a do metal puro;

A condutividade é moito menor que a do metal puro;

A resistencia á fluencia, ou a perda de resistencia a altas temperaturas, pode mellorar mediante o fortalecemento en solución sólida.

Endurecemento por traballo

1. Definición

A medida que aumenta o grao de deformación en frío, a resistencia e a dureza dos materiais metálicos aumentan, pero a plasticidade e a tenacidade diminúen.

2. Introdución

Un fenómeno no que a resistencia e a dureza dos materiais metálicos aumentan cando se deforman plasticamente por debaixo da temperatura de recristalización, mentres que a plasticidade e a tenacidade diminúen. Tamén coñecido como endurecemento por deformación en frío. A razón é que cando o metal se deforma plasticamente, os grans de cristal esvaran e as dislocacións enrédanse, o que fai que os grans de cristal se alongen, rompan e se fibren, e se xeren tensións residuais no metal. O grao de endurecemento por deformación adoita expresarse pola relación entre a microdureza da capa superficial despois do procesamento e a anterior ao procesamento e a profundidade da capa endurecida.

3. Interpretación desde a perspectiva da teoría das dislocacións

(1) Prodúcese unha intersección entre as luxacións e os cortes resultantes dificultan o movemento das luxacións;

(2) Prodúcese unha reacción entre as dislocacións e a dislocación fixa formada dificulta o movemento da dislocación;

(3) Prodúcese a proliferación de dislocacións e o aumento da densidade de dislocacións incrementa aínda máis a resistencia ao movemento das dislocacións.

4. Dano

O endurecemento por deformación dificulta o procesamento posterior das pezas metálicas. Por exemplo, no proceso de laminación en frío da chapa de aceiro, farase cada vez máis difícil de laminar, polo que é necesario organizar un recocido intermedio durante o proceso de procesamento para eliminar o seu endurecemento por deformación por quentamento. Outro exemplo é facer que a superficie da peza sexa fráxil e dura no proceso de corte, acelerando así o desgaste da ferramenta e aumentando a forza de corte.

5. Beneficios

Pode mellorar a resistencia, a dureza e a resistencia ao desgaste dos metais, especialmente para aqueles metais puros e certas aliaxes que non se poden mellorar mediante tratamento térmico. Por exemplo, o arame de aceiro de alta resistencia estirado en frío e o resorte enrolado en frío, etc., usan a deformación por traballo en frío para mellorar a súa resistencia e límite elástico. Outro exemplo é o uso do endurecemento por traballo para mellorar a dureza e a resistencia ao desgaste de tanques, vías de tractores, mandíbulas de trituradoras e desvíos de ferrocarril.

6. Papel na enxeñaría mecánica

Despois do estirado en frío, laminado e granallado (ver fortalecemento superficial) e outros procesos, a resistencia superficial dos materiais, pezas e compoñentes metálicos pode mellorar significativamente;

Despois de que as pezas sexan sometidas a tensión, a tensión local dalgunhas pezas adoita superar o límite de elasticidade do material, o que provoca deformación plástica. Debido ao endurecemento por deformación, o desenvolvemento continuo da deformación plástica vese restrinxido, o que pode mellorar a seguridade das pezas e compoñentes;

Cando se estampa unha peza ou compoñente metálico, a súa deformación plástica vai acompañada dun fortalecemento, de xeito que a deformación se transfire á peza endurecida sen traballar que o rodea. Despois destas accións alternadas repetidas, pódense obter pezas de estampación en frío cunha deformación uniforme da sección transversal;

Pode mellorar o rendemento de corte do aceiro baixo en carbono e facilitar a separación das lascas. Pero o endurecemento por deformación tamén dificulta o procesamento posterior das pezas metálicas. Por exemplo, o arame de aceiro estirado en frío consome moita enerxía para un estiramento posterior debido ao endurecemento por deformación e mesmo pode romperse. Polo tanto, debe recocerse para eliminar o endurecemento por deformación antes do estiramento. Outro exemplo é que, para facer que a superficie da peza sexa fráxil e dura durante o corte, a forza de corte aumenta durante o recorte e o desgaste da ferramenta acelérase.

Reforzo de gran fino

1. Definición

O método para mellorar as propiedades mecánicas dos materiais metálicos mediante o refinado dos grans cristalinos chámase fortalecemento do refinado cristalino. Na industria, a resistencia do material mellórase mediante o refinado dos grans cristalinos.

2. Principio

Os metais adoitan ser policristais compostos por moitos grans cristalinos. O tamaño dos grans cristalinos pódese expresar polo número de grans cristalinos por unidade de volume. Canto maior sexa o número, máis finos serán os grans cristalinos. Os experimentos mostran que os metais de gran fino a temperatura ambiente teñen maior resistencia, dureza, plasticidade e tenacidade que os metais de gran groso. Isto débese a que os grans finos sofren deformación plástica baixo unha forza externa e poden dispersarse en máis grans, a deformación plástica é máis uniforme e a concentración de tensión é menor; ademais, canto máis finos sexan os grans, maior será a área do límite de gran e máis tortuosos serán os límites de gran. Máis desfavorable será a propagación das gretas. Polo tanto, o método para mellorar a resistencia do material mediante o refinado dos grans cristalinos chámase fortalecemento do refinamento de grans na industria.

3. Efecto

Canto menor sexa o tamaño de gran, menor será o número de dislocacións (n) no clúster de dislocacións. Segundo τ=nτ0, canto menor sexa a concentración de tensión, maior será a resistencia do material;

A lei de fortalecemento do gran fino é que cantos máis bordos de gran haxa, máis finos serán os grans. Segundo a relación de Hall-Peiqi, canto menor sexa o valor medio (d) dos grans, maior será a resistencia ao desgaste do material.

4. O método de refinamento de grans

Aumentar o grao de subarrefriamento;

Tratamento da deterioración;

Vibración e axitación;

Para os metais deformados en frío, os grans cristalinos pódense refinar controlando o grao de deformación e a temperatura de recocido.

Reforzo da segunda fase

1. Definición

En comparación coas aliaxes monofásicas, as aliaxes multifásicas teñen unha segunda fase ademais da fase matriz. Cando a segunda fase está distribuída uniformemente na fase matriz con partículas finas dispersas, terá un efecto de fortalecemento significativo. Este efecto de fortalecemento chámase fortalecemento da segunda fase.

2. Clasificación

Para o movemento de dislocacións, a segunda fase contida na aliaxe presenta as dúas seguintes situacións:

(1) Reforzo de partículas indeformables (mecanismo de derivación).

(2) Reforzo de partículas deformables (mecanismo de corte).

Tanto o fortalecemento por dispersión como o fortalecemento por precipitación son casos especiais de fortalecemento por segunda fase.

3. Efecto

A principal razón para o reforzo da segunda fase é a interacción entre elas e a dislocación, o que dificulta o movemento da dislocación e mellora a resistencia á deformación da aliaxe.

para resumir

Os factores máis importantes que afectan á resistencia son a composición, a estrutura e o estado superficial do propio material; o segundo é o estado da forza, como a velocidade da forza, o método de carga, o estiramento simple ou a forza repetida, mostrarán diferentes resistencias; Ademais, a xeometría e o tamaño da mostra e o medio de proba tamén teñen unha gran influencia, ás veces incluso decisiva. Por exemplo, a resistencia á tracción do aceiro de ultra alta resistencia nunha atmosfera de hidróxeno pode diminuír exponencialmente.

Só hai dúas maneiras de fortalecer os materiais metálicos. Unha é aumentar a forza de unión interatómica da aliaxe, aumentar a súa resistencia teórica e preparar un cristal completo sen defectos, como os bigotes. Sábese que a resistencia dos bigotes de ferro é próxima ao valor teórico. Pódese considerar que isto se debe a que non hai dislocacións nos bigotes, ou só unha pequena cantidade de dislocacións que non poden proliferar durante o proceso de deformación. Desafortunadamente, cando o diámetro do bigote é maior, a resistencia diminúe drasticamente. Outro enfoque de fortalecemento é introducir un gran número de defectos cristalinos no cristal, como dislocacións, defectos puntuais, átomos heteroxéneos, límites de grans, partículas altamente dispersas ou inhomoxeneidades (como a segregación), etc. Estes defectos dificultan o movemento das dislocacións e tamén melloran significativamente a resistencia do metal. Os feitos demostraron que esta é a forma máis eficaz de aumentar a resistencia dos metais. Para os materiais de enxeñaría, xeralmente é a través de efectos de fortalecemento completos para lograr un mellor rendemento integral.