Verfestigung durch feste Lösung

1.Definition 

Ein Phänomen, bei dem die feste Lösung von Legierungselementen im Matrixmetall bis zu einem gewissen Grad eine Gitterverzerrung verursacht, sodass die Festigkeit der Legierung erhöht wird.

2. Prinzip

Gelöste Atome in der festen Lösung verursachen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöht und das Gleiten erschwert, wodurch die Festigkeit und Härte der festen Lösung der Legierung erhöht wird. Diese Verfestigung eines Metalls durch Auflösen eines bestimmten gelösten Elements zur Bildung einer festen Lösung wird als Lösungsverfestigung bezeichnet. Bei geeigneter Konzentration gelöster Atome können Festigkeit und Härte des Materials erhöht, seine Zähigkeit und Plastizität jedoch verringert werden.

3. Einflussfaktoren 

Je höher der Atomanteil der gelösten Atome, desto größer die Verstärkung, insbesondere wenn der Atomanteil sehr niedrig ist. Je größer der Größenunterschied zwischen den gelösten Atomen und den Atomen des unedlen Metalls ist, desto stärker ist der Verstärkungseffekt. Die interstitiellen gelösten Atome haben einen größeren Verstärkungseffekt auf die feste Lösung als die Ersatzatome, und die Gitterverzerrung der interstitiellen Atome in den kubisch zentrierten Kristallen mit Volumenzentrierung ist asymmetrisch, sodass der Verstärkungseffekt größer ist als in kubisch zentrierten Kristallen mit Planzentrierung. Aber die Feststofflöslichkeit der interstitiellen Atome ist sehr begrenzt und daher ist auch der tatsächliche Verstärkungseffekt begrenzt. Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen den gelösten Atomen und den unedlen Metallen ist, desto deutlicher ist der Verstärkungseffekt der festen Lösung, d. h. die Streckgrenze der festen Lösung steigt mit der Zunahme der Valenzelektronenkonzentration.

4. Grad der Festlösungsverfestigung

Hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab:

(1) Die Größe von Matrixatomen und gelösten Atomen ist unterschiedlich. Je größer der Größenunterschied ist, desto stärker wird die ursprüngliche Kristallstruktur gestört und desto schwieriger ist das Versetzungsgleiten.

 (2) Die Menge der Legierungselemente. Je mehr Legierungselemente hinzugefügt werden, desto größer ist der Verstärkungseffekt. Wenn Sie zu viele, zu große oder zu kleine Atome hinzufügen, überschreiten Sie die Löslichkeit. Dabei handelt es sich um einen weiteren Verstärkungsmechanismus, die dezentrale Phasenverstärkung.

 (3) Interstitielle gelöste Atome haben eine größere festlösungsverstärkende Wirkung als Verdrängungsatome.

 (4) Je größer der Unterschied der Valenzelektronenzahl zwischen gelöstem Atom und unedlem Metall ist, desto bedeutender ist die festlösungsverstärkende Wirkung.

5. Wirkung

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

In den meisten Fällen ist die Duktilität geringer als bei reinen Metallen; die elektrische Leitfähigkeit ist wesentlich geringer als bei reinem Metall; Die Kriechfestigkeit oder der Festigkeitsverlust bei hohen Temperaturen kann durch eine Mischkristallverfestigung verbessert werden.

Härtung

1.Definition

Mit zunehmendem Grad der Kaltverformung nehmen Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen zu, aber Plastizität und Zähigkeit nehmen ab.

2.Einführung

Das Phänomen, dass bei plastischer Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur Festigkeit und Härte eines Metallwerkstoffs zunimmt, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen, wird als Kaltverfestigung bezeichnet. Der Grund dafür ist, dass bei der plastischen Verformung des Metalls die Körner verrutschen und sich durch Versetzungen verflechten, wodurch die Körner sich verlängern, brechen und fibrosieren und im Metall Restspannungen entstehen. Der Grad der Kaltverfestigung wird üblicherweise durch das Verhältnis der Mikrohärte der Oberflächenschicht nach und vor der Bearbeitung und der Tiefe der gehärteten Schicht ausgedrückt.

3. Aus Sicht der Versetzungstheorie

(1) Zwischen den Versetzungen treten Querschnitte auf, wodurch die Schnittreihenfolge die Versetzungsbewegung behindert;

 (2) Die Versetzungen reagieren miteinander und die gebildete feste Versetzung behindert die Versetzungsbewegung;

(3) Es kommt zu einer Versetzungsproliferation und die Versetzungsdichte nimmt zu, was den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung weiter erhöht.

4. Schaden

Die Kaltverfestigung erschwert die Weiterverarbeitung von Metallteilen. Wenn beim Kaltwalzen von Stahlplatten die Walzhärte zunimmt, damit sich die Walzen nicht verschieben, wird während des Verarbeitungsprozesses eine Zwischenglühung durchgeführt, um die Kaltverfestigung durch Erhitzen zu beseitigen. So wird beispielsweise beim Schneiden die Oberfläche des Werkstücks spröde und hart, wodurch der Werkzeugverschleiß beschleunigt und die Schnittkraft erhöht wird.

5. Vorteil

Es verbessert die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Metallen, insbesondere bei reinen Metallen und bestimmten Legierungen, die nicht durch Wärmebehandlung gehärtet werden können. Beispielsweise werden kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewalzte Federn verwendet, um ihre Festigkeit und Elastizitätsgrenze zu verbessern. Auch bei Panzerketten, Traktoren, Backenplatten von Brechern und Eisenbahnweichen wird Kaltverfestigung verwendet, um ihre Härte und Verschleißfestigkeit zu verbessern.

6. Rolle im Maschinenbau

Nach dem Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen (siehe Oberflächenverfestigung) kann die Oberflächenfestigkeit von Metallmaterialien, Teilen und Komponenten deutlich verbessert werden. Nach dem Beanspruchen der Teile überschreitet die lokale Spannung an einigen Stellen häufig die Streckgrenze des Materials, was zu plastischer Verformung führt. Aufgrund der sich weiter entwickelnden Kaltverfestigungsgrenze kann die Sicherheit von Teilen und Komponenten verbessert werden. Wenn Metallteile oder -komponenten gepresst werden, geht ihre plastische Verformung mit einer Verstärkung einher, die die Verformung auf die umgebenden, unbearbeiteten, gehärteten Teile überträgt. Durch eine solche wiederholte abwechselnde Aktion können kaltgepresste Teile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung erhalten werden. Dies kann die Schneidleistung von kohlenstoffarmem Stahl verbessern und das Trennen der Späne erleichtern. Die Kaltverfestigung bringt jedoch auch Schwierigkeiten bei der Weiterverarbeitung von Metallteilen mit sich. Beispielsweise erfordert die Kaltverfestigung bei kaltgezogenem Stahldraht einen weiteren Energieverbrauch beim Ziehen oder bricht sogar, sodass er durch Zwischenglühen, Kaltverfestigung und anschließendes Ziehen eliminiert werden muss. Zum Beispiel, um die Oberfläche eines Werkstücks spröde und hart zu machen und dann zu schneiden, um die Schnittkraft zu erhöhen, beschleunigt man den Werkzeugverschleiß.

Feinkornverstärkung

1. Definition

Als Feinkornverstärkung bezeichnet man die Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Metallwerkstoffen durch Verfeinerung der Körner. In der Industrie wird die Methode der Körnerverfeinerung verwendet, um die Festigkeit von Werkstoffen zu verbessern.

2. Prinzip 

Im Allgemeinen ist ein Metall polykristallin mit vielen Körnern. Die Größe der Körner kann als Anzahl der Körner pro Volumeneinheit ausgedrückt werden. Je höher die Zahl, desto feiner das Korn. Experimente haben gezeigt, dass feinkörnige Metalle bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit aufweisen als grobkörnige Metalle. Dies liegt daran, dass die plastische Verformung feiner Körner unter äußerer Kraft auf mehr Körner verteilt werden kann, die plastische Verformung gleichmäßiger und die Spannungskonzentration geringer ist. Darüber hinaus gilt: Je feiner die Körner sind, desto größer ist die Korngrenzenfläche und je gewundener die Korngrenze ist, desto ungünstiger ist die Rissausbreitung. Daher wird die Methode zur Verbesserung der Materialfestigkeit durch Kornverfeinerung als Feinkornverstärkung bezeichnet.

3. Wirkung

Je kleiner die Korngröße, desto kleiner die Anzahl der Versetzungen (n) im Versetzungscluster, desto geringer die Spannungskonzentration und desto höher die Festigkeit des Materials. Gemäß der Hall-Ligand-Beziehung ist die Streckgrenze des Materials umso höher, je kleiner der Durchschnitt (D) der Körner ist.

4. Methode der Kornverfeinerung

Erhöhung des Unterkühlungsgrads; Metamorphe Behandlung; Vibration und Rühren; Körner können durch Kontrolle des Deformationsgrads und der Glühtemperatur bei kaltdeformierten Metallen verfeinert werden.

Verstärkung der zweiten Phase

1. Definition

Im Vergleich zu einphasigen Legierungen gibt es neben der Matrixphase zweite Phasen. Wenn die zweite Phase mit fein verstreuten Partikeln gleichmäßig in der Matrixphase verteilt ist, tritt ein erheblicher Verstärkungseffekt auf. Diese Verstärkung wird als sekundäre Verstärkung bezeichnet.

2. Klassifizierung

Für Versetzungsbewegungen enthält die zweite Phase der Legierung die folgenden zwei Bedingungen: (1) Verstärkungseffekt nicht verformbarer Partikel (Bypass-Mechanismus). (2) Verstärkungseffekt verformbarer Partikel (Schneidmechanismus). Sowohl die Dispersionshärtung als auch die Ausscheidungshärtung gehören zu den Sonderfällen der Zweitphasenverstärkung.

3. Wirkung

Der zweite Grund ist die Wechselwirkung zwischen ihnen und der Versetzung, die die Versetzungsbewegung behindert und die Verformungsbeständigkeit der Legierung verbessert.

Fazit

Die wichtigsten Faktoren, die die Festigkeit beeinflussen, sind die Zusammensetzung, Struktur und der Oberflächenzustand des Materials selbst. Zweitens führt der Spannungszustand, wie z. B. die Geschwindigkeit der Nachkraft, der Belastungsmodus, einfaches Dehnen oder wiederholte Spannung, zu unterschiedlichen Festigkeitseigenschaften; Darüber hinaus haben auch die Geometrie und Größe der Probe und des Testmediums einen großen Einfluss, manchmal sogar entscheidend, wie z. B. die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre, die exponentiell abnehmen kann. Es gibt nur zwei Möglichkeiten, die Metallmaterialien zu verstärken. Eine Möglichkeit besteht darin, die atomare Bindungskraft der Legierung zu verbessern, ihre theoretische Festigkeit zu erhöhen und einen vollständigen Kristall ohne Defekte wie Whisker herzustellen. Da die Whiskerfestigkeit von Eisen nahe am theoretischen Wert liegt, kann davon ausgegangen werden, dass dies daran liegt, dass der Whisker keine Versetzungen aufweist oder nur eine geringe Anzahl von Versetzungen, die sich während der Verformung nicht vermehren können. Leider sinkt die Festigkeit stark, wenn der Whiskerdurchmesser groß ist. Ein anderer Ansatz zur Festigkeitssteigerung besteht darin, eine große Anzahl von Kristalldefekten wie Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, stark dispergierte Partikel oder Inhomogenitäten (wie Schiefe) usw. in den Kristall einzubringen. Diese Defekte behindern die Versetzungsbewegung und verbessern die Festigkeit des Metalls erheblich. Dies hat sich als der effektivste Weg zur Erhöhung der Festigkeit des Metalls erwiesen. Bei technischen Materialien wird im Allgemeinen durch den umfassenden Festigkeitssteigerungseffekt eine bessere Gesamtleistung erzielt.