Festigung der festen Lösung

1. Definition

Ein Phänomen, bei dem Legierungselemente im Grundmetall gelöst werden, um ein gewisses Maß an Gitterverzerrung zu verursachen und somit die Festigkeit der Legierung zu erhöhen.

2. Prinzip

Die gelösten Atome, die in der festen Lösung gelöst sind, verursachen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand der Versetzungsbewegung erhöht, ein Gleiten erschwert und die Festigkeit und Härte der festen Lösung der Legierung erhöht.Dieses Phänomen der Festigung des Metalls durch Auflösen eines bestimmten gelösten Elements zur Bildung einer festen Lösung wird Festlösungsfestigung genannt.Wenn die Konzentration an gelösten Atomen angemessen ist, können die Festigkeit und Härte des Materials erhöht werden, aber seine Zähigkeit und Plastizität haben abgenommen.

3. Einflussfaktoren

Je höher der Atomanteil an gelösten Atomen ist, desto größer ist der Festigungseffekt, insbesondere wenn der Atomanteil sehr gering ist, ist der Festigungseffekt signifikanter.

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

Zwischengitteratome gelöster Stoffe haben eine größere Festlösungsverstärkungswirkung als Ersatzatome, und da die Gitterverzerrung von Zwischengitteratomen in kubisch-raumzentrierten Kristallen asymmetrisch ist, ist ihre Verstärkungswirkung größer als die von kubisch-flächenzentrierten Kristallen;sondern interstitielle Atome. Die Feststofflöslichkeit ist sehr begrenzt, daher ist auch die eigentliche Festigungswirkung begrenzt.

Je größer der Unterschied in der Zahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem Grundmetall ist, desto offensichtlicher ist der Festigungseffekt der festen Lösung, d. h. die Streckgrenze der festen Lösung nimmt mit der Erhöhung der Valenzelektronenkonzentration zu.

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

Der Größenunterschied zwischen Matrixatomen und gelösten Atomen.Je größer der Größenunterschied ist, desto größer ist die Störung der ursprünglichen Kristallstruktur und desto schwieriger ist es für Versetzungsgleiten.

Die Menge an Legierungselementen.Je mehr Legierungselemente zugesetzt werden, desto größer ist die Festigungswirkung.Wenn zu viele Atome zu groß oder zu klein sind, wird die Löslichkeit überschritten.Hierbei handelt es sich um einen weiteren Festigungsmechanismus, die Festigung in der dispergierten Phase.

Zwischengitteratome von gelösten Stoffen haben eine größere Festlösungsverfestigungswirkung als Ersatzatome.

Je größer der Unterschied in der Zahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und dem Grundmetall ist, desto signifikanter ist die Festigungswirkung der festen Lösung.

5. Wirkung

Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte sind stärker 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 Kriechbeständigkeit oder der Festigkeitsverlust bei hohen Temperaturen kann durch Mischkristallverfestigung verbessert werden.

Arbeitsverhärtung

1. Definition

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

2. Einführung

Ein Phänomen, bei dem die Festigkeit und Härte metallischer Werkstoffe zunimmt, wenn sie unterhalb der Rekristallisationstemperatur plastisch verformt werden, während die Plastizität und Zähigkeit abnehmen.Auch Kaltverfestigung genannt.Der Grund dafür ist, dass, wenn das Metall plastisch verformt wird, die Kristallkörner gleiten und Versetzungen verwickelt werden, was bewirkt, dass sich die Kristallkörner verlängern, brechen und zerfasern, und dass Restspannungen im Metall erzeugt werden.Der Grad der Kaltverfestigung wird üblicherweise durch das Verhältnis der Mikrohärte der Oberflächenschicht nach der Bearbeitung zu der vor der Bearbeitung und der Tiefe der gehärteten Schicht ausgedrückt.

3. Interpretation aus Sicht der Versetzungstheorie

(1) Schnittpunkte treten zwischen Versetzungen auf, und die resultierenden Schnitte behindern die Bewegung der Versetzungen;

(2) Zwischen Versetzungen findet eine Reaktion statt, und die gebildete fixierte Versetzung behindert die Bewegung der Versetzung;

(3) Die Proliferation von Versetzungen tritt auf, und die Zunahme der Versetzungsdichte erhöht weiter den Widerstand gegen Versetzungsbewegung.

4. Schaden

Kaltverfestigung bringt Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Metallteilen.Zum Beispiel wird die Stahlplatte beim Kaltwalzen immer schwieriger zu walzen, so dass es notwendig ist, während des Verarbeitungsprozesses ein Zwischenglühen anzuordnen, um ihre Kaltverfestigung durch Erhitzen zu beseitigen.Ein weiteres Beispiel ist, die Oberfläche des Werkstücks im Schneidprozess spröde und hart zu machen, wodurch der Werkzeugverschleiß beschleunigt und die Schneidkraft erhöht wird.

5. Vorteile

Es kann die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Metallen verbessern, insbesondere bei solchen reinen Metallen und bestimmten Legierungen, die nicht durch Wärmebehandlung verbessert werden können.Zum Beispiel verwenden kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewickelte Federn usw. eine Kaltumformungsverformung, 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 dem Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen (siehe Oberflächenverfestigung) und anderen Prozessen kann die Oberflächenfestigkeit von metallischen Werkstoffen, Teilen und Komponenten deutlich verbessert werden;

Nachdem die Teile belastet sind, übersteigt die lokale Spannung bestimmter Teile oft die Fließgrenze des Materials, was zu einer plastischen Verformung führt.Aufgrund der Kaltverfestigung wird die weitere Entwicklung der plastischen Verformung eingeschränkt, was die Sicherheit von Teilen und Komponenten verbessern kann;

Beim Stanzen eines Metallteils oder -bauteils wird seine plastische Verformung von einer Verfestigung begleitet, so dass die Verformung auf das unbearbeitete gehärtete Teil um es herum übertragen wird.Nach solchen wiederholten Wechselvorgängen können Kaltprägeteile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung erhalten werden;

Es kann die Schneidleistung von kohlenstoffarmem Stahl verbessern und die Trennung der Späne erleichtern.Die Kaltverfestigung bringt aber auch Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Metallteilen mit sich.Beispielsweise verbraucht kaltgezogener Stahldraht durch Kaltverfestigung viel Energie zum Weiterziehen und kann sogar brechen.Daher muss es vor dem Ziehen geglüht werden, um eine Kaltverfestigung zu beseitigen.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

Das Verfahren zum Verbessern der mechanischen Eigenschaften von Metallmaterialien durch Verfeinern der Kristallkörner wird Kristallverfeinerungsverstärkung genannt.In der Industrie wird die Festigkeit des Materials durch die Veredelung 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 die Kristallkörner.Versuche 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 Körner dispergiert werden können, die plastische Verformung gleichmäßiger ist und die Spannungskonzentration geringer ist;außerdem gilt, je feiner die Körner, desto größer die Korngrenzenfläche und desto gewundener die Korngrenzen.Je ungünstiger die Rissausbreitung.Daher wird das Verfahren zur Verbesserung der Festigkeit des Materials durch Verfeinerung der Kristallkörner in der Industrie als Kornverfeinerungsverstärkung bezeichnet.

3. Wirkung

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

Das Festigkeitsgesetz der Feinkornfestigung lautet: Je mehr Korngrenzen, desto feiner die Körner.Gemäß der Hall-Peiqi-Beziehung ist die Streckgrenze des Materials umso höher, je kleiner der Mittelwert (d) der Körner ist.

4. Die Methode der Kornfeinung

Erhöhen Sie den Grad der Unterkühlung;

Verschlechterungsbehandlung;

Vibration und Rühren;

Bei kaltverformten Metallen können die Kristallkörner durch Steuerung des Verformungsgrades 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 gleichmäßig in der Matrixphase mit fein dispergierten Partikeln verteilt ist, hat sie eine signifikante Verstärkungswirkung.Dieser Kräftigungseffekt wird als Kräftigung der zweiten Phase 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 durch verformbare Partikel (Cut-Through-Mechanismus).

Sowohl die Dispersionsverfestigung als auch die Ausscheidungsverfestigung sind Sonderfälle der Zweitphasenverfestigung.

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 die Verformungsbeständigkeit der Legierung verbessert.

um zusammenzufassen

Die wichtigsten Faktoren, die die Festigkeit beeinflussen, sind die Zusammensetzung, Struktur und Oberflächenbeschaffenheit des Materials selbst;der zweite ist der Kraftzustand, wie z. B. die Geschwindigkeit der Kraft, die Art der Belastung, einfaches Dehnen oder wiederholte Kraft, zeigt unterschiedliche Stärken;Darüber hinaus haben auch Geometrie und Größe der Probe sowie des Prüfmediums einen großen Einfluss, teilweise sogar entscheidend.Beispielsweise kann die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre exponentiell abfallen.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, metallische Werkstoffe zu verstärken.Einer besteht darin, die interatomare Bindungskraft der Legierung zu erhöhen, ihre theoretische Festigkeit zu erhöhen und einen vollständigen Kristall ohne Defekte, wie z. B. Whisker, herzustellen.Es ist bekannt, dass die Festigkeit von Eisenwhiskern nahe am theoretischen Wert liegt.Es kann davon ausgegangen werden, dass dies daran liegt, dass es in den Whiskern keine Versetzungen gibt oder nur eine kleine Menge an Versetzungen, die sich während des Verformungsprozesses nicht vermehren können.Wenn der Durchmesser des Whiskers größer ist, fällt die Festigkeit leider stark ab.Ein weiterer Verstärkungsansatz besteht darin, eine große Anzahl von Kristalldefekten in den Kristall einzuführen, wie etwa Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, hochgradig dispergierte Teilchen oder Inhomogenitäten (wie etwa Segregation) usw. Diese Defekte behindern die Bewegung von Versetzungen und auch die Festigkeit des Metalls deutlich verbessern.Tatsachen haben bewiesen, dass dies der effektivste Weg ist, um die Festigkeit von Metallen zu erhöhen.Bei technischen Materialien wird im Allgemeinen durch umfassende Verstärkungseffekte eine bessere Gesamtleistung erzielt.