Mischkristallverfestigung

1. Definition

Ein Phänomen, bei dem Legierungselemente im Grundmetall gelöst werden, um eine gewisse Gitterverzerrung zu verursachen und dadurch die Festigkeit der Legierung zu erhöhen.

2. Prinzip

Die in der festen Lösung gelösten Atome verursachen Gitterverzerrungen, wodurch der Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöht, das Gleiten erschwert und die Festigkeit und Härte der Legierungsmischung gesteigert wird. Dieses Phänomen der Metallverfestigung durch das Auflösen eines bestimmten Legierungselements zur Bildung einer festen Lösung wird als Mischkristallverfestigung bezeichnet. Bei geeigneter Konzentration der gelösten Atome können Festigkeit und Härte des Materials erhöht werden, jedoch nehmen Zähigkeit und Plastizität ab.

3. Einflussfaktoren

Je höher der Atomanteil der gelösten Atome ist, desto größer ist der verstärkende Effekt; besonders ausgeprägt ist er bei einem sehr niedrigen Atomanteil.

Je größer der Unterschied zwischen den gelösten Atomen und der Atomgröße des Grundmetalls ist, desto größer ist der verstärkende Effekt.

Interstitielle Fremdatome haben einen größeren feststoffverstärkenden Effekt als Ersatzatome, und da die Gitterverzerrung von interstitiellen Atomen in kubisch-raumzentrierten Kristallen asymmetrisch ist, ist ihr feststoffverstärkender Effekt größer als der in kubisch-flächenzentrierten Kristallen; allerdings ist die feste Löslichkeit von interstitiellen Atomen sehr begrenzt, sodass auch der tatsächliche feststoffverstärkende Effekt begrenzt ist.

Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem Grundmetall ist, desto deutlicher ist der Mischkristallverfestigungseffekt, das heißt, die Streckgrenze des Mischkristalls steigt mit zunehmender Valenzelektronenkonzentration.

4. Der Grad der Mischkristallverfestigung hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab:

Der Größenunterschied zwischen Matrixatomen und gelösten Atomen. Je größer der Größenunterschied, desto stärker die Beeinträchtigung der ursprünglichen Kristallstruktur und desto schwieriger die Versetzungsbewegung.

Die Menge der Legierungselemente. Je mehr Legierungselemente hinzugefügt werden, desto größer ist der Verstärkungseffekt. Sind zu viele Atome zu groß oder zu klein, wird die Löslichkeitsgrenze überschritten. Dies führt zu einem anderen Verstärkungsmechanismus, der Dispersionsphasenverfestigung.

Interstitielle gelöste Atome haben eine größere feststoffverstärkende Wirkung als Ersatzatome.

Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem Grundmetall ist, desto bedeutender ist der Mischkristallverfestigungseffekt.

5. Wirkung

Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte sind höher als bei reinen Metallen;

In den meisten Fällen ist die Duktilität geringer als die von reinem Metall;

Die Leitfähigkeit ist viel geringer als bei reinem Metall;

Die Kriechfestigkeit bzw. der Festigkeitsverlust bei hohen Temperaturen kann durch Mischkristallverfestigung verbessert werden.

Arbeitshärtung

1. Definition

Mit zunehmendem Kaltverformungsgrad steigen Festigkeit und Härte der Metallwerkstoffe, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen.

2. Einleitung

Ein Phänomen, bei dem die Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen durch plastische Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur zunehmen, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen. Auch als Kaltverfestigung bekannt. Ursache hierfür ist, dass bei plastischer Verformung des Metalls die Kristallkörner gleiten und Versetzungen sich verhaken. Dies führt zu einer Verlängerung, zum Bruch und zur Faserbildung der Kristallkörner sowie zur Entstehung von Eigenspannungen im Metall. Der Grad der Kaltverfestigung wird üblicherweise durch das Verhältnis der Mikrohärte der Oberflächenschicht nach der Bearbeitung zu der vor der Bearbeitung und die Tiefe der verfestigten Schicht ausgedrückt.

3. Interpretation aus der Perspektive der Versetzungstheorie

(1) Es kommt zu Schnittpunkten zwischen Versetzungen, und die daraus resultierenden Schnitte behindern die Bewegung der Versetzungen;

(2) Es kommt zu einer Reaktion zwischen den Versetzungen, und die entstandene fixierte Versetzung behindert die Bewegung der Versetzung;

(3) Es kommt zu einer Vermehrung von Versetzungen, und die Zunahme der Versetzungsdichte erhöht den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung weiter.

4. Schaden

Kaltverfestigung erschwert die Weiterverarbeitung von Metallteilen. Beispielsweise wird Stahlblech beim Kaltwalzen zunehmend schwerer zu walzen, weshalb ein Zwischenglühen erforderlich ist, um die Kaltverfestigung durch Erhitzen zu beseitigen. Ein weiteres Beispiel ist die Verfestigung der Werkstückoberfläche beim Zerspanen, was zu erhöhtem Werkzeugverschleiß und stärkeren Schnittkräften führt.

5. Vorteile

Durch Kaltverformung lassen sich Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Metallen verbessern, insbesondere bei reinen Metallen und bestimmten Legierungen, deren Eigenschaften sich durch Wärmebehandlung nicht optimieren lassen. Beispiele hierfür sind kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewickelte Federn, deren Festigkeit und Elastizitätsgrenze durch Kaltverformung erhöht werden. Ein weiteres Beispiel ist die Kaltverfestigung zur Verbesserung der Härte und Verschleißfestigkeit von Panzern, Traktorketten, Brecherbacken und Eisenbahnweichen.

6. Rolle im Maschinenbau

Durch Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen (siehe Oberflächenhärtung) und andere Verfahren kann die Oberflächenfestigkeit von Metallwerkstoffen, Teilen und Komponenten deutlich verbessert werden.

Nach der Belastung der Bauteile überschreitet die lokale Spannung in bestimmten Bereichen häufig die Streckgrenze des Materials, was zu plastischer Verformung führt. Durch Kaltverfestigung wird die weitere Ausbreitung der plastischen Verformung eingeschränkt, wodurch die Sicherheit der Bauteile und Komponenten verbessert werden kann;

Beim Stanzen eines Metallteils oder -bauteils geht die plastische Verformung mit einer Verfestigung einher, sodass die Verformung auf den umgebenden, nicht verformten und gehärteten Bereich übertragen wird. Nach solchen wiederholten Wechselwirkungen lassen sich kaltumformende Teile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung erzielen;

Es kann die Zerspanungsleistung von kohlenstoffarmem Stahl verbessern und die Spanabscheidung erleichtern. Die Kaltverfestigung erschwert jedoch auch die Weiterverarbeitung von Metallteilen. Beispielsweise benötigt kaltgezogener Stahldraht aufgrund der Kaltverfestigung viel Energie zum Weiterziehen und kann sogar brechen. Daher muss er vor dem Ziehen geglüht werden, um die Kaltverfestigung zu beseitigen. Ein weiteres Beispiel: Um die Werkstückoberfläche beim Schneiden spröde und hart zu machen, wird beim Nachschneiden die Schnittkraft erhöht, was den Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Feinkornverfestigung

1. Definition

Die Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Metallwerkstoffen durch Verfeinerung der Kristallkörner wird als Kristallverfestigung bezeichnet. In der Industrie wird die Festigkeit des Materials durch Verfeinerung der Kristallkörner erhöht.

2. Prinzip

Metalle sind üblicherweise Polykristalle, die aus vielen Kristallkörnern bestehen. Die Größe der Kristallkörner lässt sich durch die Anzahl der Kristallkörner pro Volumeneinheit ausdrücken. Je höher die Anzahl, desto feiner die Kristallkörner. Experimente zeigen, dass feinkörnige Metalle bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit aufweisen als grobkörnige Metalle. Dies liegt daran, dass die feinen Körner unter äußerer Krafteinwirkung plastisch verformt werden und sich in mehr Körnern verteilen können. Dadurch ist die plastische Verformung gleichmäßiger und die Spannungskonzentration geringer. Zudem ist bei feineren Körnern die Korngrenzenfläche größer und die Korngrenzen sind stärker gekrümmt. Dies hemmt die Rissausbreitung. Daher wird die Methode zur Verbesserung der Materialfestigkeit durch Verfeinerung der Kristallkörner in der Industrie als Kornfeinungshärtung bezeichnet.

3. Wirkung

Je kleiner die Korngröße, desto geringer die Anzahl der Versetzungen (n) im Versetzungscluster. Gemäß τ=nτ0 gilt: Je geringer die Spannungskonzentration, desto höher die Festigkeit des Materials;

Das Festigkeitsgesetz der Feinkornverfestigung besagt, dass mit zunehmender Anzahl an Korngrenzen die Körner feiner werden. Gemäß der Hall-Peiqi-Beziehung ist die Streckgrenze des Materials umso höher, je kleiner der mittlere Korndurchmesser (d) ist.

4. Das Verfahren der Kornfeinung

den Unterkühlungsgrad erhöhen;

Behandlung von Verschlechterungen;

Vibration und Rühren;

Bei kaltverformten Metallen können die Kristallkörner durch Kontrolle des Verformungsgrades und der Glühtemperatur verfeinert werden.

Verstärkung der zweiten Phase

1. Definition

Im Vergleich zu einphasigen Legierungen weisen mehrphasige Legierungen neben der Matrixphase eine zweite Phase auf. Ist diese zweite Phase mit fein dispergierten Partikeln gleichmäßig in der Matrixphase verteilt, führt dies zu einer signifikanten Festigkeitssteigerung. Dieser Effekt wird als Zweitphasenverfestigung bezeichnet.

2. Klassifizierung

Für die Bewegung von Versetzungen gibt es in der zweiten Phase der Legierung folgende zwei Zustände:

(1) Verstärkung durch nicht verformbare Partikel (Bypass-Mechanismus).

(2) Verstärkung durch verformbare Partikel (Durchschneidemechanismus).

Sowohl Dispersionshärtung als auch Ausscheidungshärtung sind Sonderfälle der Zweitphasenhärtung.

3. Wirkung

Der Hauptgrund für die Verstärkung der zweiten Phase liegt in der Wechselwirkung zwischen ihr und der Versetzung, welche die Bewegung der Versetzung behindert und die Verformungsbeständigkeit der Legierung verbessert.

um zusammenzufassen

Die wichtigsten Faktoren, die die Festigkeit beeinflussen, sind die Zusammensetzung, die Struktur und der Oberflächenzustand des Materials selbst. An zweiter Stelle steht die Art der Krafteinwirkung, wie beispielsweise die Geschwindigkeit der Krafteinwirkung, die Belastungsmethode (einfache Dehnung oder wiederholte Krafteinwirkung), die zu unterschiedlichen Festigkeiten führt. Darüber hinaus haben die Geometrie und Größe der Probe sowie das Prüfmedium einen großen, mitunter sogar entscheidenden Einfluss. So kann beispielsweise die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre exponentiell abnehmen.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, Metallwerkstoffe zu verstärken. Die erste besteht darin, die interatomaren Bindungskräfte der Legierung zu erhöhen, ihre theoretische Festigkeit zu steigern und einen fehlerfreien, vollständigen Kristall ohne Whisker herzustellen. Es ist bekannt, dass die Festigkeit von Eisenwhiskern nahe am theoretischen Wert liegt. Dies lässt sich darauf zurückführen, dass die Whisker keine oder nur wenige Versetzungen aufweisen, die sich während des Verformungsprozesses nicht ausbreiten können. Bei größerem Whisker-Durchmesser sinkt die Festigkeit jedoch rapide. Der zweite Ansatz zur Festigkeitssteigerung besteht darin, eine große Anzahl von Kristallfehlern in den Kristall einzubringen, wie beispielsweise Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, hochdisperse Partikel oder Inhomogenitäten (z. B. Segregation). Diese Defekte behindern die Versetzungsbewegung und verbessern die Festigkeit des Metalls signifikant. Studien haben gezeigt, dass dies die effektivste Methode zur Steigerung der Metallfestigkeit ist. Bei technischen Werkstoffen wird in der Regel durch umfassende Verstärkungseffekte eine bessere Gesamtleistung erzielt.