Festlösungsverstärkung

1. Definition

Ein Phänomen, bei dem Legierungselemente im Grundmetall gelöst werden, was zu einer gewissen Gitterverzerrung führt und so die Festigkeit der Legierung erhöht.

2. Prinzip

Die in der festen Lösung gelösten Atome verursachen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöht, ein Verrutschen erschwert und die Festigkeit und Härte der festen Legierungslösung erhöht. Dieses Phänomen der Festigung des Metalls durch Auflösen eines bestimmten gelösten Elements zur Bildung einer festen Lösung wird als Festlösungsfestigung bezeichnet. Wenn die Konzentration der gelösten Atome angemessen ist, können Festigkeit und Härte des Materials erhöht werden, seine Zähigkeit und Plastizität nehmen jedoch ab.

3. Einflussfaktoren

Je höher der Atomanteil der gelösten Atome ist, desto größer ist der Verstärkungseffekt, insbesondere wenn der Atomanteil sehr gering ist, ist der Verstärkungseffekt stärker ausgeprägt.

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

Zwischengitteratome gelöster Stoffe haben eine größere Festlösungsfestigungswirkung als Ersatzatome, und da die Gitterverzerrung der Zwischengitteratome in kubisch-raumzentrierten Kristallen asymmetrisch ist, ist ihre Festigungswirkung größer als die von kubisch-flächenzentrierten Kristallen; aber interstitielle Atome Die feste Löslichkeit ist sehr begrenzt, daher ist auch die tatsächliche Verstärkungswirkung begrenzt.

Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem unedlen Metall ist, desto offensichtlicher ist der Effekt der Festigung der festen Lösung, d. h. die Streckgrenze der festen Lösung nimmt mit zunehmender Valenzelektronenkonzentration zu.

4. Der Grad der Festigung der festen Lösung hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab

Der Größenunterschied zwischen Matrixatomen und gelösten Atomen. Je größer der Größenunterschied, desto größer ist die Beeinträchtigung der ursprünglichen Kristallstruktur und desto schwieriger ist es, Versetzungen zu verschieben.

Die Menge an Legierungselementen. Je mehr Legierungselemente zugesetzt werden, desto größer ist die Verstärkungswirkung. Sind zu viele Atome zu groß oder zu klein, wird die Löslichkeit überschritten. Dabei handelt es sich um einen weiteren Verstärkungsmechanismus, die Dispersionsphasenverstärkung.

Zwischengitteratome gelöster Stoffe haben eine größere Festlösungsfestigungswirkung als Ersatzatome.

Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem Grundmetall ist, desto signifikanter ist der Effekt der Festigung der festen Lösung.

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.

Kaltverfestigung

1. Definition

Mit zunehmendem Grad der Kaltverformung nimmt die Festigkeit und Härte metallischer Werkstoffe zu, die Plastizität und Zähigkeit nehmen jedoch ab.

2. Einführung

Ein Phänomen, bei dem die Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen zunimmt, wenn sie unterhalb der Rekristallisationstemperatur plastisch verformt werden, während die Plastizität und Zähigkeit abnimmt. Auch Kaltverfestigung genannt. Der Grund dafür ist, dass bei plastischer Verformung des Metalls die Kristallkörner verrutschen und sich Versetzungen verfangen, was dazu führt, dass sich die Kristallkörner verlängern, brechen und faserig werden, und es entstehen 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 gehärteten Schicht ausgedrückt.

3. Interpretation aus der Perspektive der Versetzungstheorie

(1) Zwischen Versetzungen kommt es zu Schnittpunkten, und die daraus resultierenden Schnitte behindern die Bewegung der Versetzungen.

(2) Zwischen Versetzungen kommt es zu einer Reaktion, und die gebildete feste Versetzung behindert die Bewegung der Versetzung.

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

4. Schaden

Die Kaltverfestigung bringt Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Metallteilen mit sich. Beispielsweise wird das Stahlblech beim Kaltwalzen immer schwieriger zu walzen, sodass während des Verarbeitungsprozesses ein Zwischenglühen angeordnet werden muss, um die Kaltverfestigung durch Erhitzen zu verhindern. Ein weiteres Beispiel besteht darin, die Oberfläche des Werkstücks beim Schneidvorgang spröde und hart zu machen, wodurch der Werkzeugverschleiß beschleunigt und die Schnittkraft erhöht wird.

5. Vorteile

Es kann die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Metallen verbessern, insbesondere bei reinen Metallen und bestimmten Legierungen, die durch Wärmebehandlung nicht verbessert werden können. Beispielsweise nutzen kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewickelte Federn usw. die Kaltumformung, um ihre Festigkeit und Elastizitätsgrenze zu verbessern. Ein weiteres Beispiel ist der Einsatz von Kaltverfestigung zur Verbesserung der Härte und Verschleißfestigkeit von Tanks, Traktorketten, Brechbacken und Eisenbahnweichen.

6. Rolle im Maschinenbau

Nach Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen (siehe Oberflächenverfestigung) und anderen Verfahren kann die Oberflächenfestigkeit von Metallwerkstoffen, Teilen und Komponenten deutlich verbessert werden;

Nach der Belastung der Teile überschreitet die lokale Spannung bestimmter Teile häufig die Streckgrenze des Materials und führt zu plastischer Verformung. Durch die Kaltverfestigung wird die weitere Entwicklung plastischer Verformung eingeschränkt, was die Sicherheit von Teilen und Komponenten verbessern kann;

Wenn ein Metallteil oder eine Komponente gestanzt wird, geht mit der plastischen Verformung eine Verstärkung einher, sodass die Verformung auf das unbearbeitete, gehärtete Teil um ihn herum übertragen wird. Nach solchen wiederholten Wechselvorgängen können Kaltprägeteile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung erhalten werden;

Es kann die Schneidleistung von kohlenstoffarmem Stahl verbessern und die Späne leichter trennen. Allerdings bringt die Kaltverfestigung auch Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Metallteilen mit sich. Beispielsweise verbraucht kaltgezogener Stahldraht aufgrund der Kaltverfestigung viel Energie für das weitere Ziehen und kann sogar brechen. Daher muss es vor dem Ziehen geglüht werden, um eine Kaltverfestigung zu verhindern. Ein weiteres Beispiel: Um die Oberfläche des Werkstücks beim Schneiden spröde und hart zu machen, wird beim Nachschneiden die Schnittkraft erhöht und der Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Feinkornverstärkung

1. Definition

Die Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Metallmaterialien durch Verfeinerung der Kristallkörner wird als Kristallverfeinerung und Verstärkung bezeichnet. In der Industrie wird die Festigkeit des Materials durch Verfeinerung der Kristallkörner verbessert.

2. Prinzip

Metalle sind normalerweise Polykristalle, die aus vielen Kristallkörnern bestehen. Die Größe der Kristallkörner kann durch die Anzahl der Kristallkörner pro Volumeneinheit ausgedrückt werden. Je höher die Zahl, desto feiner sind 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 Kraft einer plastischen Verformung unterliegen und in mehr Körnern verteilt werden können, die plastische Verformung gleichmäßiger ist und die Spannungskonzentration geringer ist; Darüber hinaus gilt: Je feiner die Körner, desto größer die Korngrenzenfläche und desto gewundener die Korngrenzen. Umso ungünstiger ist die Ausbreitung von Rissen. Daher wird die Methode zur Verbesserung der Festigkeit des Materials durch Verfeinerung der Kristallkörner in der Industrie als Kornverfeinerungsverstärkung bezeichnet.

3. Wirkung

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

Das Verfestigungsgesetz der Feinkornverfestigung besagt, dass die Körner umso feiner sind, je mehr Korngrenzen vorhanden sind. Gemäß der Hall-Peiqi-Beziehung ist die Streckgrenze des Materials umso höher, je kleiner der Durchschnittswert (d) der Körner ist.

4. Die Methode der Kornverfeinerung

Erhöhen Sie den Grad der Unterkühlung;

Verschlechterungsbehandlung;

Vibration und Rühren;

Bei kaltverformten Metallen können die Kristallkörner durch Steuerung des Verformungsgrads und der Glühtemperatur verfeinert werden.

Verstärkung der zweiten Phase

1. Definition

Im Vergleich zu einphasigen Legierungen weisen mehrphasige Legierungen zusätzlich zur Matrixphase eine zweite Phase auf. Wenn die zweite Phase mit fein dispergierten Partikeln gleichmäßig in der Matrixphase verteilt ist, hat sie eine erhebliche Verstärkungswirkung. Dieser stärkende Effekt wird als zweite Phasenstärkung bezeichnet.

2. Klassifizierung

Für die Bewegung von Versetzungen hat die in der Legierung enthaltene zweite Phase die folgenden zwei Situationen:

(1) Verstärkung nicht verformbarer Partikel (Bypass-Mechanismus).

(2) Verstärkung verformbarer Partikel (Durchschneidemechanismus).

Sowohl die Dispersionsverstärkung als auch die Niederschlagsverstärkung sind Spezialfälle der Zweitphasenverstärkung.

3. Wirkung

Der Hauptgrund für die Verstärkung der zweiten Phase ist die Wechselwirkung zwischen ihnen und der Versetzung, die die Bewegung der Versetzung behindert und den Verformungswiderstand der Legierung verbessert.

um zusammenzufassen

Die wichtigsten Faktoren, die die Festigkeit beeinflussen, sind Zusammensetzung, Struktur und Oberflächenzustand des Materials selbst; der zweite ist der Zustand der Kraft, wie z. B. die Geschwindigkeit der Kraft, die Art der Belastung, einfache Dehnung oder wiederholte Kraft, die unterschiedliche Stärken zeigen; Darüber hinaus haben auch die Geometrie und Größe der Probe und des Prüfmediums einen großen, teilweise sogar entscheidenden Einfluss. Beispielsweise kann die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre exponentiell sinken.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, Metallmaterialien zu verstärken. Eine besteht darin, die interatomare Bindungskraft der Legierung zu erhöhen, ihre theoretische Festigkeit zu erhöhen und einen vollständigen Kristall ohne Defekte wie Whisker herzustellen. Es ist bekannt, dass die Festigkeit von Eisenwhiskern nahe am theoretischen Wert liegt. Man kann davon ausgehen, dass dies daran liegt, dass in den Whiskern keine Versetzungen oder nur eine geringe Menge an Versetzungen vorhanden sind, die sich während des Verformungsprozesses nicht vermehren können. Leider nimmt die Festigkeit stark ab, wenn der Durchmesser des Whiskers größer ist. Ein weiterer Verstärkungsansatz besteht darin, eine große Anzahl von Kristalldefekten in den Kristall einzuführen, wie z. B. Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, stark dispergierte Partikel oder Inhomogenitäten (wie Segregation) usw. Diese Defekte behindern die Bewegung von Versetzungen und Verbessern Sie auch die Festigkeit des Metalls erheblich. Fakten haben bewiesen, dass dies der effektivste Weg ist, die Festigkeit von Metallen zu erhöhen. Bei technischen Materialien werden im Allgemeinen umfassende Verstärkungseffekte erzielt, um eine bessere Gesamtleistung zu erzielen.