01. Förstärkning av fast lösning
Definition
Fast lösningsförstärkning är fenomenet där legeringselement löses upp i basmetallen, vilket orsakar gitterförvrängning och ökar legeringens hållfasthet.
Princip
Lösta atomer som löses upp i den fasta lösningen skapar gitterförvrängning, vilket ökar motståndet mot dislokationsrörelser, vilket gör glidning svårare. Som ett resultat ökar styrkan och hårdheten hos den fasta legeringslösningen. Denna förstärkningsmekanism är beroende av att lösa lösta atomer för att bilda en fast lösning. Med lämplig koncentration av lösta ämnen förbättras materialets styrka och hårdhet, även om dess seghet och duktilitet kan minska.
Påverkande faktorer
Ju högre atomandel av lösta atomer är, desto starkare blir den förstärkande effekten, särskilt vid låga koncentrationer.
Ju större storleksskillnaden mellan lösta och oädla metallatomer är, desto mer signifikant blir förstärkningen.
Interstitiella lösta atomer har en starkare förstärkande effekt än substitutionella. I kroppscentrerade kubiska kristaller orsakar interstitiella atomer asymmetrisk gitterdistorsion, vilket resulterar i större förstärkning än i ansiktscentrerade kubiska kristaller. Emellertid är lösligheten av interstitiella atomer begränsad.
Ju större skillnaden är i valenselektronantal mellan lösta atomer och basatomer, desto starkare blir den förstärkande effekten. Sträckgränsen ökar med elektronkoncentrationen.
Graden av förstärkning beror på:
Storleksskillnad mellan lösta atomer och basatomer: Större storleksfelanpassning ökar dislokationsmotståndet.
Mängd legeringselement: Mer legerande=starkare effekt, men alltför stora mängder kan överskrida löslighetsgränsen och kräva andra förstärkningsmetoder som andra fasförstärkning.
Interstitiella atomer stärker mer än substitutionsatomer.
Valenselektronskillnad mellan löst ämne och matrismetall ökar förstärkningen.
Effekter
Sträckgräns, draghållfasthet och hårdhet överstiger de för rena metaller.
Generellt lägre duktilitet jämfört med rena metaller.
Lägre elektrisk ledningsförmåga än rena metaller.
Förbättrat krypmotstånd och hög-temperaturstyrka.
02. Arbetshärdning (töjningshärdning)
Definition
När kall deformation ökar ökar styrkan och hårdheten hos en metall, medan plasticiteten och segheten minskar.
Översikt
När metaller deformeras plastiskt under sin omkristallisationstemperatur blir de starkare och hårdare men mindre formbara och sega. Även känd som kallbearbetningshärdning. Under plastisk deformation trasslar dislokationer ihop sig, korn förlängs, bryts och blir fibrösa. Reststress introduceras. Härdningsgraden mäts vanligtvis genom förhållandet mellan ytmikrohårdhet före och efter deformation och djupet på det härdade lagret.
Dislokationsteori Förklaring
Dislokationer korsar varandra och bildar steg-som hinder för rörelse.
Dislokationer reagerar för att bilda orörliga dislokationer som hindrar rörelse.
Dislokationsmultiplikation ökar densiteten, vilket ytterligare hindrar rörelsen.
Nackdelar
Arbetshärdning komplicerar vidare bearbetning. Till exempel blir kall-valsat stål allt hårdare och svårare att arbeta, vilket kräver mellanglödgning för att mjukna. Vid bearbetning ökar ythärdningen skärkraft och verktygsslitage.
Fördelar
Förbättrar metallstyrka, hårdhet och slitstyrka, särskilt för rena metaller och legeringar som inte kan förstärkas med värmebehandling (t.ex. kall-dragna trådar med hög-hållfasthet, kall-valsade fjädrar, tankspår, krossbackar, järnvägsväxlar).
Tillämpningar inom maskinteknik
Kalldragning, valsning och kulblästring ökar ytstyrkan avsevärt hos material och komponenter.
Lokal plastisk deformation under stress kan begränsas på grund av arbetshärdning, vilket förbättrar komponentsäkerheten.
Vid stansning riktar härdade områden deformation till mjukare områden, vilket möjliggör enhetlig deformation över sektioner.
Förbättrar bearbetbarheten av låg-kolstål genom att göra spån lättare att separera. Det ökar dock energiförbrukningen vid vidarebearbetning och verktygsslitage vid bearbetning.
03. Förstärkning av kornförfining
Definition
Förstärkning av kornförfining förbättrar de mekaniska egenskaperna genom att minska kornstorleken.
Princip
Metaller är polykristallina. Mindre korn (dvs fler korn per volymenhet) resulterar i högre hållfasthet, hårdhet, plasticitet och seghet. Finare korn fördelar deformationen jämnare, minskar spänningskoncentrationen och hindrar sprickutbredning. Således förbättrar raffinering av korn styrkan.
Effekter
Finare korn minskar luxationsbelastningen-och ökar styrkan.
Enligt Hall-Petch-relationen leder mindre kornstorlek ddd till högre sträckgräns.
Metoder för att förfina spannmål
Öka underkylningen.
Inokulationsbehandling.
Vibration och omrörning under stelning.
I kalla-deformerade metaller: kontrollera deformationsgraden och glödgningstemperaturen.
04. Andra fasens förstärkning
Definition
I flerfaslegeringar, förutom matrisfasen, existerar en andra fas. När finfördelade andra-faspartiklar är jämnt fördelade i matrisen, stärker de legeringen avsevärt. Detta kallas andra-fasförstärkning.
Typer
Ur dislokationsrörelsens perspektiv klassificeras andra-faspartiklar i:
Icke-deformerbara partiklar: förstärkning via bypass-mekanism (Orowan-mekanism).
Deformerbara partiklar: förstärkning via skärmekanism.
Dispersoidförstärkning och utfällningshärdning är specifika former av andra-fasförstärkning.
Effekter
Andra-faspartiklar interagerar med dislokationer, vilket hindrar deras rörelse och ökar legeringens motståndskraft mot deformation.
Andra faktorer som påverkar styrka
Legeringens sammansättning, mikrostruktur och yttillstånd.
Belastningsvillkor: hastighet, läge (dragstyrka vs. cyklisk).
Provgeometri och testmiljö (t.ex. väteförsprödning kan drastiskt minska styrkan).
Sammanfattning av stärkande tillvägagångssätt
Två huvudvägar för att stärka metaller:
Öka den atomära bindningskraften och skapa defekta-fria kristaller (t.ex. morrhår).
Inför defekter (dislokationer, lösta atomer, korngränser, etc.) för att hindra dislokationsrörelser - som visat sig vara den mest effektiva metoden.
Tekniska material förlitar sig vanligtvis på en kombination av förstärkningsmekanismer för att uppnå optimal prestanda.
