Rafforzamento della soluzione solida

1.Definizione 

Un fenomeno in cui la soluzione solida di elementi di lega nel metallo matrice provoca una certa distorsione del reticolo in modo da aumentare la resistenza della lega.

2. Principio

Gli atomi di soluto nella soluzione solida causano una distorsione del reticolo, che aumenta la resistenza del movimento di dislocazione e rende difficile lo scorrimento, aumentando così la resistenza e la durezza della soluzione solida della lega. Questo rafforzamento di un metallo mediante dissoluzione in un certo elemento di soluto per formare una soluzione solida è chiamato rafforzamento della soluzione. Quando la concentrazione di atomi di soluto è appropriata, la resistenza e la durezza del materiale possono essere aumentate, ma la sua tenacità e plasticità possono essere diminuite.

3. Fattori che influenzano 

Più alta è la frazione atomica dell'atomo di soluto, maggiore è il rinforzo, specialmente quando la frazione atomica è molto bassa. Maggiore è la differenza di dimensioni tra l'atomo di soluto e l'atomo di metallo base, più forte sarà l'effetto di rafforzamento. Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto di rafforzamento della soluzione solida maggiore rispetto agli atomi di sostituzione e la distorsione reticolare degli atomi interstiziali nei cristalli cubici a centro volumetrico è asimmetrica, quindi l'effetto di rafforzamento è maggiore di quello nei cristalli cubici a centro planare. Ma la solubilità solida degli atomi interstiziali è molto limitata, quindi anche l'effetto di rafforzamento effettivo è limitato. Maggiore è la differenza nel numero di elettroni di valenza tra atomi di soluto e metalli base, più ovvio è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida, ovvero il limite di snervamento della soluzione solida aumenta con l'aumento della concentrazione di elettroni di valenza

4. Grado di rafforzamento della soluzione solida

Dipende principalmente dai seguenti fattori:

（1）La dimensione è diversa tra gli atomi della matrice e gli atomi del soluto. Maggiore è la differenza di dimensione, maggiore sarà la perturbazione della struttura cristallina originale e più difficile sarà lo slittamento della dislocazione.

 (2) La quantità di elementi di lega. Più elementi di lega vengono aggiunti, maggiore sarà l'effetto di rafforzamento. Se si aggiungono troppi atomi troppo grandi o troppo piccoli, si supererà la solubilità. Ciò comporta un altro meccanismo di rinforzo, il rinforzo di fase decentralizzato.

 (3) Gli atomi di soluto interstiziale hanno un effetto di rafforzamento della soluzione solida maggiore rispetto agli atomi di spostamento.

 (4) Maggiore è la differenza del numero di elettroni di valenza tra l'atomo di soluto e il metallo di base, più significativo è l'effetto di rafforzamento della soluzione solida.

5. Effetto

Il limite di snervamento, la resistenza alla trazione e la durezza sono più forti di quelli dei metalli puri.

Nella maggior parte dei casi, la duttilità è inferiore a quella dei metalli puri; Conduce l'elettricità molto meno del metallo puro; La resistenza allo scorrimento, o perdita di resistenza ad alte temperature, può essere migliorata mediante il rafforzamento della soluzione solida.

Tempra

1.Definizione

Con l'aumento del grado di deformazione a freddo, la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano, ma la plasticità e la tenacità diminuiscono.

2.Introduzione

Il fenomeno per cui la resistenza e la durezza di un materiale metallico aumentano mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono durante la deformazione plastica al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, noto come tempra a freddo. Il motivo è che durante la deformazione plastica del metallo, i grani scivolano e la dislocazione si intrecciano, il che fa sì che i grani si allunghino, si rompano e si fibrosi, e vengono generate tensioni residue all'interno del metallo. Il grado di incrudimento è solitamente espresso dal rapporto tra la microdurezza dello strato superficiale dopo e prima della lavorazione e la profondità dello strato indurito.

3. Dal punto di vista della teoria delle dislocazioni

(1) Si verifica un taglio trasversale tra le dislocazioni, con conseguente ordine di taglio che ostacola il movimento delle dislocazioni;

 (2) Le dislocazioni reagiscono tra loro e la dislocazione fissa formata ostacola il movimento delle dislocazioni;

(3) Si verifica una proliferazione delle dislocazioni e la densità delle dislocazioni aumenta per aumentare ulteriormente la resistenza al movimento delle dislocazioni.

4. Danno

L'incrudimento comporta difficoltà nell'ulteriore lavorazione delle parti metalliche. Se nel processo di laminazione a freddo la piastra di acciaio sarà sempre più dura da laminare in modo che la laminazione non si muova, quindi nel processo di lavorazione per organizzare la ricottura intermedia, tramite riscaldamento per eliminare il suo incrudimento. Come nel processo di taglio per rendere la superficie del pezzo fragile e dura, in modo da accelerare l'usura dell'utensile, aumentare la forza di taglio.

5. Vantaggio

Migliora la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura dei metalli, in particolare per i metalli puri e alcune leghe che non possono essere rinforzate dal trattamento termico. Ad esempio, il filo di acciaio ad alta resistenza trafilato a freddo e la molla laminata a freddo vengono utilizzati per migliorare la loro resistenza e il limite elastico. Anche come il binario del carro armato, il trattore, la piastra a mascella del frantoio e lo scambio della ferrovia utilizzano anche il lavoro per indurirsi per migliorare la sua durezza e resistenza all'usura.

6. Ruolo nell'ingegneria meccanica

Dopo la trafilatura a freddo, la laminazione e la pallinatura (vedere rinforzo superficiale), la resistenza superficiale di materiali metallici, parti e componenti può essere notevolmente migliorata. Dopo che le parti sono state sollecitate, alcune parti dello stress locale spesso superano il limite di snervamento del materiale, causando una deformazione plastica, a causa del limite di incrudimento della deformazione plastica che continua a svilupparsi, può migliorare la sicurezza di parti e componenti; quando parti o componenti metallici vengono pressati, la loro deformazione plastica è accompagnata da rinforzo, che trasferisce la deformazione alle parti temprate non lavorate circostanti. Le parti stampate a freddo con deformazione uniforme della sezione trasversale possono essere ottenute tramite tale azione alternata ripetuta. Può migliorare le prestazioni di taglio dell'acciaio a basso tenore di carbonio e rendere il truciolo facile da separare. Ma l'incrudimento comporta anche difficoltà all'ulteriore lavorazione di parti metalliche. Come il filo di acciaio trafilato a freddo, a causa dell'incrudimento, rende l'ulteriore consumo di energia per l'incrudimento o addirittura si rompe, quindi deve essere attraverso la ricottura intermedia, eliminare l'incrudimento e quindi l'incrudimento. Ad esempio, per rendere la superficie del pezzo in lavorazione fragile e dura, e quindi tagliare per aumentare la forza di taglio, accelerare l'usura dell'utensile.

Rinforzo a grana fine

1. Definizione

Il metodo per migliorare le proprietà meccaniche dei materiali metallici mediante la raffinazione dei grani è chiamato rinforzo a grana fine. Nell'industria, il metodo di raffinazione dei grani è utilizzato per migliorare la resistenza dei materiali.

2. Principio 

In genere, un metallo è policristallino con molti grani. La dimensione dei grani può essere espressa come il numero di grani per unità di volume. Maggiore è il numero, più fine è la grana. Gli esperimenti dimostrano che i metalli a grana fine hanno maggiore resistenza, durezza, plasticità e tenacità rispetto ai metalli a grana grossa a temperatura ambiente. Ciò avviene perché la deformazione plastica dei grani fini sotto forza esterna può essere dispersa in più grani, e la deformazione plastica è più uniforme e la concentrazione di stress è minore. Inoltre, più i grani sono fini, più grande è l'area del confine del grano, e più tortuoso è il confine del grano, più sfavorevole è la propagazione delle crepe. Pertanto, il metodo per migliorare la resistenza del materiale mediante la raffinazione del grano è chiamato rinforzo del grano fine.

3. Effetto

Quanto più piccola è la dimensione del grano, tanto più piccolo è il numero di dislocazioni (n) nel cluster di dislocazioni, tanto più piccola è la concentrazione di stress e tanto maggiore è la resistenza del materiale. Secondo la relazione Hall-ligando, tanto più piccola è la media (D) dei grani, tanto maggiore sarà la resistenza allo snervamento del materiale.

4. Metodo di raffinazione del grano

Aumento del grado di sottoraffreddamento; Trattamento metamorfico; Vibrazione e agitazione; I grani possono essere raffinati controllando il grado di deformazione e la temperatura di ricottura per metalli deformati a freddo.

Rinforzo di seconda fase

1. Definizione

Rispetto alle leghe monofase, ci sono seconde fasi oltre alla fase matrice. Quando la seconda fase è distribuita uniformemente nella fase matrice con particelle disperse fini, si verificherà un significativo effetto di rafforzamento. Questo rinforzo è chiamato rinforzo secondario.

2. Classificazione

Per il movimento di dislocazione, la seconda fase della lega contiene le seguenti due condizioni: (1) l'effetto di rafforzamento delle particelle non deformabili (meccanismo di bypass). (2) Effetto di rafforzamento delle particelle deformabili (meccanismo di taglio). Sia il rafforzamento per dispersione che quello per precipitazione appartengono ai casi speciali del rafforzamento della seconda fase.

3. Effetto

La seconda ragione è l'interazione tra loro e la dislocazione, che ostacola il movimento della dislocazione e migliora la resistenza alla deformazione della lega.

Conclusione

I fattori più importanti che influenzano la resistenza sono la composizione, la struttura e lo stato superficiale del materiale stesso. In secondo luogo, lo stato di stress, come la velocità della post-forza, la modalità di carico, lo stiramento semplice o lo stress ripetuto, mostrerà una resistenza diversa; inoltre, anche la geometria e le dimensioni del campione e il mezzo di prova hanno una grande influenza, a volte persino decisiva, come la resistenza alla trazione dell'acciaio ad altissima resistenza in atmosfera di idrogeno può diminuire esponenzialmente. Esistono solo due modi per rafforzare i materiali metallici. Uno è quello di migliorare la forza di legame atomica della lega, aumentare la sua resistenza teorica e creare un cristallo completo senza difetti, come i baffi. Dato che la resistenza dei baffi del ferro è vicina al valore teorico, si può supporre che ciò sia dovuto al fatto che non ci sono dislocazioni nei baffi, o solo un piccolo numero di dislocazioni che non possono proliferare durante la deformazione. Sfortunatamente, quando il diametro dei baffi è grande, la resistenza diminuisce bruscamente. Un altro approccio di rafforzamento è quello di introdurre un gran numero di difetti cristallini, come dislocazioni, difetti puntuali, atomi eterogenei, confini di grano, particelle altamente disperse o disomogeneità (come l'asimmetria), ecc. nel cristallo. Questi difetti ostacolano il movimento delle dislocazioni e miglioreranno significativamente la resistenza del metallo. Questo si è dimostrato il modo più efficace per aumentare la resistenza del metallo. Per i materiali ingegneristici, è generalmente attraverso l'effetto di rafforzamento completo che si ottengono migliori prestazioni complete.