Kietojo tirpalo stiprinimas

1. Apibrėžimas

Reiškinys, kai legiruojantys elementai ištirpsta netauriajame metale, kad sukeltų tam tikrą gardelės iškraipymo laipsnį ir taip padidintų lydinio stiprumą.

2. Principas

Kietajame tirpale ištirpę ištirpę atomai sukelia gardelės iškraipymą, kuris padidina dislokacijos judėjimo pasipriešinimą, apsunkina slydimą ir padidina lydinio kietojo tirpalo stiprumą bei kietumą. Šis metalo stiprinimo reiškinys, kai ištirpinamas tam tikras ištirpęs elementas ir susidaro kietasis tirpalas, vadinamas kietojo tirpalo stiprinimu. Kai ištirpusių atomų koncentracija yra tinkama, medžiagos stiprumas ir kietumas gali padidėti, tačiau sumažėja jos tvirtumas ir plastiškumas.

3. Įtakos veiksniai

Kuo didesnė ištirpusių atomų atominė dalis, tuo didesnis stiprinamasis efektas, ypač kai atominė dalis yra labai maža, stiprinamasis efektas yra reikšmingesnis.

Kuo didesnis skirtumas tarp ištirpusių atomų ir bazinio metalo atominio dydžio, tuo didesnis stiprinimo efektas.

Tarpinių tirpiklių atomai turi didesnį kietojo tirpalo stiprinimo efektą nei pakaitiniai atomai, ir kadangi tarpinių atomų gardelės iškraipymas kūne centruotuose kubiniuose kristaluose yra asimetriškas, jų stiprinimo efektas yra didesnis nei paviršiuje centruotų kubinių kristalų; tačiau tarpinių atomų tirpumas kietajame tirpale yra labai ribotas, todėl tikrasis stiprinimo efektas taip pat yra ribotas.

Kuo didesnis valentinių elektronų skaičiaus skirtumas tarp ištirpusių atomų ir bazinio metalo, tuo akivaizdesnis kietojo tirpalo stiprinimo efektas, t. y. kietojo tirpalo takumo riba didėja didėjant valentinių elektronų koncentracijai.

4. Kietojo tirpalo stiprinimo laipsnis daugiausia priklauso nuo šių veiksnių

Matricos atomų ir ištirpusių medžiagų atomų dydžių skirtumas. Kuo didesnis dydžių skirtumas, tuo didesnė interferencija su pradine kristaline struktūra ir tuo sunkiau dislokacijos slydimui.

Legiruojančių elementų kiekis. Kuo daugiau legiruojančių elementų pridedama, tuo didesnis stiprinimo efektas. Jei per daug atomų yra per dideli arba per maži, tirpumas bus viršytas. Tai apima kitą stiprinimo mechanizmą – dispersinės fazės stiprinimą.

Intersticiniai ištirpusių medžiagų atomai turi didesnį kietojo tirpalo stiprinimo efektą nei pakaitiniai atomai.

Kuo didesnis valentinių elektronų skaičiaus skirtumas tarp ištirpusių atomų ir bazinio metalo, tuo reikšmingesnis kietojo tirpalo stiprinimo efektas.

5. Poveikis

Takumo stipris, tempiamasis stipris ir kietumas yra stipresni nei grynų metalų;

Daugeliu atvejų tąsumas yra mažesnis nei gryno metalo;

Laidumas yra daug mažesnis nei gryno metalo;

Atsparumą šliaužimui, arba stiprumo praradimą aukštoje temperatūroje, galima pagerinti stiprinant kietuoju tirpalu.

Grūdinimasis darbe

1. Apibrėžimas

Didėjant šaltosios deformacijos laipsniui, metalinių medžiagų stiprumas ir kietumas didėja, tačiau plastiškumas ir tvirtumas mažėja.

2. Įvadas

Reiškinys, kai metalinių medžiagų stiprumas ir kietumas padidėja, kai jos plastiškai deformuojamos žemesnėje nei rekristalizacijos temperatūra, o plastiškumas ir tvirtumas sumažėja. Taip pat žinomas kaip šaltasis grūdinimas. Taip yra todėl, kad metalui plastiškai deformuojantis, kristalų grūdeliai slysta, o dislokacijos susipainioja, dėl to kristalų grūdeliai pailgėja, lūžta ir skaidulėja, o metale susidaro liekamieji įtempiai. Deformacinio grūdinimo laipsnis paprastai išreiškiamas paviršiaus sluoksnio mikrokietumo po apdorojimo ir prieš apdorojimą santykiu bei sukietėjusio sluoksnio gyliu.

3. Interpretacija iš dislokacijų teorijos perspektyvos

(1) Tarp išnirimų įvyksta susikirtimas, o susidarę įpjovimai trukdo išnirimų judėjimui;

(2) Tarp dislokacijų vyksta reakcija, o susidariusi fiksuota dislokacija trukdo dislokacijos judėjimui;

(3) Išnirimų dauginimasis vyksta, o padidėjęs dislokacijų tankis dar labiau padidina pasipriešinimą dislokacijų judėjimui.

4. Žala

Deformacinis grūdinimas apsunkina tolesnį metalinių detalių apdirbimą. Pavyzdžiui, šaltojo valcavimo procese plieninė plokštė tampa vis kietesnė ir sunkiau valcuojama, todėl apdorojimo proceso metu būtina atlikti tarpinį atkaitinimą, kad būtų išvengta deformacinio grūdinimo kaitinant. Kitas pavyzdys – pjovimo metu ruošinio paviršius tampa trapus ir kietas, taip pagreitinant įrankio dilimą ir padidinant pjovimo jėgą.

5. Privalumai

Tai gali pagerinti metalų stiprumą, kietumą ir atsparumą dilimui, ypač grynų metalų ir tam tikrų lydinių, kurių negalima pagerinti terminiu apdorojimu. Pavyzdžiui, šaltai tempta didelio stiprumo plieninė viela ir šaltai vyniota spyruoklė ir kt. naudoja šaltojo deformavimo metodą, kad pagerintų jų stiprumą ir elastingumo ribą. Kitas pavyzdys – deformacinio grūdinimo naudojimas cisternų, traktorių bėgių, trupintuvų žandikaulių ir geležinkelio iešmų kietumui ir atsparumui dilimui pagerinti.

6. Vaidmuo mechanikos inžinerijoje

Po šaltojo tempimo, valcavimo ir šratinio presavimo (žr. paviršiaus stiprinimą) bei kitų procesų galima žymiai pagerinti metalinių medžiagų, dalių ir komponentų paviršiaus stiprumą;

Įtempus detales, tam tikrų detalių vietinis įtempis dažnai viršija medžiagos takumo ribą, sukeldamas plastinę deformaciją. Dėl grūdinimo deformacijos metu apribojamas tolesnis plastinės deformacijos vystymasis, o tai gali pagerinti detalių ir komponentų saugą;

Štampuojant metalinę detalę ar komponentą, jo plastinė deformacija vyksta kartu su sutvirtinimu, todėl deformacija persiduoda aplink ją esančiai neapdorotai sukietėjusiai detalei. Po tokių pakartotinių pakaitinių veiksmų galima gauti šaltojo štampavimo detales su vienoda skerspjūvio deformacija;

Tai gali pagerinti mažai anglies turinčio plieno pjovimo našumą ir palengvinti drožlių atskyrimą. Tačiau grūdinimas deformaciniu būdu taip pat apsunkina tolesnį metalinių detalių apdorojimą. Pavyzdžiui, šaltai tempta plieninė viela dėl grūdinimo deformaciniu būdu sunaudoja daug energijos tolesniam tempimui ir netgi gali lūžti. Todėl prieš tempimą ją reikia atkaitinti, kad būtų išvengta grūdinimo deformaciniu būdu. Kitas pavyzdys – norint, kad ruošinio paviršius pjovimo metu taptų trapus ir kietas, pakartotinio pjovimo metu padidinama pjovimo jėga, o tai pagreitina įrankio nusidėvėjimą.

Smulkiagrūdžių stiprinimas

1. Apibrėžimas

Metalinių medžiagų mechaninių savybių gerinimo metodas, rafinuojant kristalinius grūdelius, vadinamas kristalų rafinavimu ir stiprinimu. Pramonėje medžiagos stiprumas gerinamas rafinuojant kristalinius grūdelius.

2. Principas

Metalai paprastai yra polikristalai, sudaryti iš daugelio kristalinių grūdelių. Kristalinių grūdelių dydį galima išreikšti kristalinių grūdelių skaičiumi tūrio vienete. Kuo didesnis skaičius, tuo smulkesni kristaliniai grūdeliai. Eksperimentai rodo, kad smulkiagrūdžiai metalai kambario temperatūroje pasižymi didesniu stiprumu, kietumu, plastiškumu ir tvirtumu nei stambiagrūdžiai metalai. Taip yra todėl, kad smulkūs grūdeliai veikiami išorinės jėgos patiria plastinę deformaciją ir gali būti išsklaidyti į daugiau grūdelių, plastinė deformacija yra tolygesnė, o įtempių koncentracija mažesnė; be to, kuo smulkesni grūdeliai, tuo didesnis grūdelių ribos plotas ir vingiuotesnės grūdelių ribos. Tuo nepalankesnis įtrūkimų plitimas. Todėl medžiagos stiprumo gerinimo metodas, rafinuojant kristalinius grūdelius, pramonėje vadinamas grūdelių rafinavimo stiprinimu.

3. Poveikis

Kuo mažesnis grūdelių dydis, tuo mažesnis dislokacijų skaičius (n) dislokacijų klasteryje. Pagal τ=nτ0, kuo mažesnė įtempių koncentracija, tuo didesnis medžiagos stiprumas;

Smulkiagrūdžio stiprinimo dėsnis teigia, kad kuo daugiau grūdelių ribų, tuo smulkesni grūdai. Pagal Hall-Peiqi sąryšį, kuo mažesnė vidutinė grūdelių vertė (d), tuo didesnė medžiagos takumo riba.

4. Grūdų rafinavimo metodas

Padidinkite peršaldymo laipsnį;

Pablogėjimo gydymas;

Vibracija ir maišymas;

Šaltai deformuotų metalų kristalinius grūdelius galima rafinuoti kontroliuojant deformacijos laipsnį ir atkaitinimo temperatūrą.

Antrojo etapo sutvirtinimas

1. Apibrėžimas

Palyginti su vienfaziais lydiniais, daugiafaziai lydiniai, be matricos fazės, turi antrą fazę. Kai antroji fazė yra tolygiai paskirstyta matricos fazėje su smulkiomis disperguotomis dalelėmis, ji turi reikšmingą stiprinimo efektą. Šis stiprinimo efektas vadinamas antrosios fazės stiprinimu.

2. Klasifikacija

Dislokacijų judėjimui lydinyje esanti antroji fazė turi šias dvi situacijas:

(1) Nesideformuojančių dalelių sutvirtinimas (apėjimo mechanizmas).

(2) Deformuojamų dalelių sutvirtinimas (prapjovimo mechanizmas).

Tiek dispersinis, tiek kritulių stiprinimas yra ypatingi antrosios fazės stiprinimo atvejai.

3. Poveikis

Pagrindinė antrosios fazės stiprėjimo priežastis yra jų ir dislokacijos sąveika, kuri trukdo dislokacijos judėjimui ir pagerina lydinio atsparumą deformacijai.

apibendrinti

Svarbiausi veiksniai, darantys įtaką stiprumui, yra pačios medžiagos sudėtis, struktūra ir paviršiaus būsena; antra – jėgos būsena, pavyzdžiui, jėgos greitis, apkrovos būdas, paprastas tempimas ar pakartotinė jėga, rodys skirtingą stiprumą; Be to, didelę įtaką, kartais net lemiamą, turi ir mėginio geometrija bei dydis ir bandymo terpė. Pavyzdžiui, itin didelio stiprumo plieno tempiamasis stipris vandenilio atmosferoje gali sumažėti eksponentiškai.

Yra tik du būdai sustiprinti metalines medžiagas. Vienas iš jų – padidinti lydinio tarpatominę sukibimo jėgą, padidinti jo teorinį stiprumą ir paruošti pilną kristalą be defektų, tokių kaip „ūsai“. Yra žinoma, kad geležies „ūsų“ stiprumas yra artimas teorinei vertei. Galima manyti, kad taip yra todėl, kad „ūsuose“ nėra dislokacijų arba yra tik nedidelis dislokacijų kiekis, kurios negali daugintis deformacijos proceso metu. Deja, kai „ūso“ skersmuo yra didesnis, stiprumas smarkiai sumažėja. Kitas stiprinimo būdas – į kristalą įterpti daug kristalinių defektų, tokių kaip dislokacijos, taškiniai defektai, nevienalyčiai atomai, grūdelių ribos, labai disperguotos dalelės arba nehomogeniškumas (pvz., segregacija) ir kt. Šie defektai trukdo dislokacijų judėjimui ir taip pat žymiai pagerina metalo stiprumą. Faktai įrodė, kad tai yra efektyviausias būdas padidinti metalų stiprumą. Inžinerinių medžiagų atveju geresnis visapusiškas veikimas paprastai pasiekiamas taikant visapusiškus stiprinimo efektus.