Tăng cường giải pháp rắn

1. Định nghĩa

Hiện tượng trong đó các nguyên tố hợp kim bị hòa tan trong kim loại cơ bản gây ra một mức độ biến dạng mạng nhất định và do đó làm tăng độ bền của hợp kim.

2. Nguyên tắc

Các nguyên tử chất tan hòa tan trong dung dịch rắn gây ra biến dạng mạng, làm tăng khả năng cản chuyển động của trật khớp, gây khó trượt và tăng độ bền và độ cứng của dung dịch rắn hợp kim. Hiện tượng tăng cường kim loại bằng cách hòa tan một nguyên tố chất tan nhất định để tạo thành dung dịch rắn được gọi là tăng cường dung dịch rắn. Khi nồng độ nguyên tử chất tan thích hợp, độ bền và độ cứng của vật liệu có thể tăng lên nhưng độ dẻo dai và dẻo của nó lại giảm.

3. Yếu tố ảnh hưởng

Tỷ lệ nguyên tử của các nguyên tử chất tan càng cao thì tác dụng tăng cường càng lớn, đặc biệt khi tỷ lệ nguyên tử rất thấp thì hiệu quả tăng cường càng đáng kể.

Sự khác biệt giữa các nguyên tử chất tan và kích thước nguyên tử của kim loại cơ bản càng lớn thì tác dụng tăng cường càng lớn.

Các nguyên tử chất tan xen kẽ có tác dụng tăng cường dung dịch rắn lớn hơn các nguyên tử thay thế và do sự biến dạng mạng của các nguyên tử xen kẽ trong tinh thể lập phương tập trung vào cơ thể là không đối xứng, nên tác dụng tăng cường của chúng lớn hơn so với các tinh thể lập phương tập trung vào mặt; nhưng các nguyên tử xen kẽ Độ hòa tan rắn rất hạn chế nên tác dụng tăng cường thực tế cũng bị hạn chế.

Sự chênh lệch về số lượng electron hóa trị giữa các nguyên tử chất tan và kim loại cơ bản càng lớn thì hiệu ứng tăng cường dung dịch rắn càng rõ ràng, nghĩa là cường độ năng suất của dung dịch rắn tăng lên khi tăng nồng độ electron hóa trị.

4. Mức độ tăng cường dung dịch rắn chủ yếu phụ thuộc vào các yếu tố sau

Sự khác biệt về kích thước giữa nguyên tử ma trận và nguyên tử chất tan. Chênh lệch kích thước càng lớn thì sự can thiệp vào cấu trúc tinh thể ban đầu càng lớn và khả năng trượt trật khớp càng khó khăn.

Số lượng các nguyên tố hợp kim. Càng thêm nhiều nguyên tố hợp kim thì hiệu quả tăng cường càng lớn. Nếu có quá nhiều nguyên tử quá lớn hoặc quá nhỏ thì độ hòa tan sẽ bị vượt quá. Điều này liên quan đến một cơ chế tăng cường khác, tăng cường pha phân tán.

Các nguyên tử chất tan xen kẽ có tác dụng tăng cường dung dịch rắn lớn hơn các nguyên tử thay thế.

Sự khác biệt về số lượng electron hóa trị giữa các nguyên tử chất tan và kim loại cơ bản càng lớn thì tác dụng tăng cường dung dịch rắn càng đáng kể.

5. Hiệu ứng

Độ bền năng suất, độ bền kéo và độ cứng mạnh hơn kim loại nguyên chất;

Trong hầu hết các trường hợp, độ dẻo thấp hơn kim loại nguyên chất;

Độ dẫn điện thấp hơn nhiều so với kim loại nguyên chất;

Khả năng chống rão hoặc mất độ bền ở nhiệt độ cao có thể được cải thiện bằng cách tăng cường dung dịch rắn.

Làm việc chăm chỉ

1. Định nghĩa

Khi mức độ biến dạng nguội tăng lên, độ bền và độ cứng của vật liệu kim loại tăng lên, nhưng độ dẻo và độ bền giảm.

2. Giới thiệu

Hiện tượng độ bền và độ cứng của vật liệu kim loại tăng lên khi chúng bị biến dạng dẻo dưới nhiệt độ kết tinh lại, trong khi độ dẻo và độ bền giảm. Còn được gọi là làm cứng nguội. Nguyên nhân là do khi kim loại bị biến dạng dẻo, các hạt tinh thể bị trượt và lệch vị trí, khiến các hạt tinh thể kéo dài, gãy và xơ hóa, tạo ra ứng suất dư trong kim loại. Mức độ cứng của công việc thường được biểu thị bằng tỷ lệ giữa độ cứng vi mô của lớp bề mặt sau khi xử lý với lớp trước khi xử lý và độ sâu của lớp cứng.

3. Giải thích từ góc độ lý thuyết trật khớp

(1) Sự giao nhau xảy ra giữa các khớp trật khớp và các vết cắt tạo ra cản trở sự chuyển động của các khớp trật khớp;

(2) Một phản ứng xảy ra giữa các lần trật khớp và sự trật khớp cố định được hình thành sẽ cản trở chuyển động của trật khớp;

(3) Sự gia tăng của trật khớp xảy ra và sự gia tăng mật độ trật khớp càng làm tăng thêm khả năng chống lại chuyển động trật khớp.

4. Tác hại

Việc làm cứng mang lại khó khăn cho việc xử lý thêm các bộ phận kim loại. Ví dụ, trong quá trình cán nguội, tấm thép sẽ ngày càng cứng hơn, do đó cần bố trí ủ trung gian trong quá trình xử lý để loại bỏ quá trình làm cứng của nó do gia nhiệt. Một ví dụ khác là làm cho bề mặt phôi trở nên giòn và cứng trong quá trình cắt, từ đó làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ và tăng lực cắt.

5. Lợi ích

Nó có thể cải thiện độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn của kim loại, đặc biệt đối với những kim loại nguyên chất và một số hợp kim không thể cải thiện bằng cách xử lý nhiệt. Ví dụ, dây thép cường độ cao kéo nguội và lò xo cuộn nguội, v.v., sử dụng biến dạng gia công nguội để cải thiện độ bền và giới hạn đàn hồi của nó. Một ví dụ khác là việc sử dụng quá trình làm cứng để cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn của xe tăng, đường ray máy kéo, hàm máy nghiền và đường ray xe lửa.

6. Vai trò trong ngành cơ khí

Sau khi kéo nguội, cán và phun mài (xem tăng cường bề mặt) và các quy trình khác, độ bền bề mặt của vật liệu kim loại, các bộ phận và bộ phận có thể được cải thiện đáng kể;

Sau khi các bộ phận bị căng thẳng, ứng suất cục bộ của một số bộ phận thường vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, gây ra biến dạng dẻo. Do quá trình làm cứng, sự phát triển liên tục của biến dạng dẻo bị hạn chế, điều này có thể cải thiện độ an toàn của các bộ phận và bộ phận;

Khi một bộ phận hoặc bộ phận kim loại được dập, biến dạng dẻo của nó đi kèm với việc tăng cường, do đó biến dạng được truyền sang phần cứng chưa được gia công xung quanh nó. Sau các hành động xen kẽ lặp đi lặp lại như vậy, có thể thu được các bộ phận dập nguội có biến dạng mặt cắt ngang đồng đều;

Nó có thể cải thiện hiệu suất cắt của thép cacbon thấp và làm cho các phoi dễ dàng tách ra. Nhưng quá trình làm cứng cũng mang lại khó khăn cho việc gia công thêm các bộ phận kim loại. Ví dụ, dây thép kéo nguội tiêu tốn rất nhiều năng lượng cho việc kéo tiếp do vật liệu bị cứng lại, thậm chí có thể bị đứt. Vì vậy, nó phải được ủ để loại bỏ sự cứng lại trước khi vẽ. Một ví dụ khác là để làm cho bề mặt phôi trở nên giòn và cứng trong quá trình cắt, lực cắt sẽ tăng lên trong quá trình cắt lại và độ mòn của dụng cụ được tăng tốc.

Tăng cường hạt mịn

1. Định nghĩa

Phương pháp cải thiện tính chất cơ học của vật liệu kim loại bằng cách tinh chế các hạt tinh thể được gọi là tăng cường tinh chế tinh thể. Trong công nghiệp, độ bền của vật liệu được cải thiện bằng cách tinh chế các hạt tinh thể.

2. Nguyên tắc

Kim loại thường là đa tinh thể gồm nhiều hạt tinh thể. Kích thước của các hạt tinh thể có thể được biểu thị bằng số hạt tinh thể trên một đơn vị thể tích. Số lượng càng nhiều thì hạt tinh thể càng mịn. Các thí nghiệm cho thấy kim loại hạt mịn ở nhiệt độ phòng có độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ bền cao hơn kim loại hạt thô. Điều này là do các hạt mịn bị biến dạng dẻo dưới tác dụng của ngoại lực và có thể phân tán thành nhiều hạt hơn, biến dạng dẻo đồng đều hơn và nồng độ ứng suất ít hơn; Ngoài ra, hạt càng mịn thì diện tích ranh giới hạt càng lớn và ranh giới hạt càng quanh co. Sự lan truyền của vết nứt càng bất lợi. Vì vậy, phương pháp cải thiện độ bền của vật liệu bằng cách tinh chế các hạt tinh thể được gọi là tăng cường tinh chế hạt trong công nghiệp.

3. Hiệu ứng

Kích thước hạt càng nhỏ thì số lượng sai lệch (n) trong cụm sai lệch càng nhỏ. Theo τ=nτ0, nồng độ ứng suất càng nhỏ thì độ bền của vật liệu càng cao;

Quy luật tăng cường của việc tăng cường hạt mịn là càng có nhiều ranh giới hạt thì hạt càng mịn. Theo mối quan hệ Hall-Peiqi, giá trị trung bình (d) của hạt càng nhỏ thì cường độ năng suất của vật liệu càng cao.

4. Phương pháp sàng hạt

Tăng mức độ làm mát phụ;

Điều trị suy thoái;

Rung và khuấy;

Đối với kim loại bị biến dạng nguội, các hạt tinh thể có thể được tinh chế bằng cách kiểm soát mức độ biến dạng và nhiệt độ ủ.

Gia cố giai đoạn hai

1. Định nghĩa

So với hợp kim một pha, hợp kim nhiều pha có pha thứ hai ngoài pha ma trận. Khi pha thứ hai được phân bố đồng đều trong pha nền với các hạt phân tán mịn sẽ có tác dụng tăng cường đáng kể. Hiệu ứng tăng cường này được gọi là tăng cường giai đoạn thứ hai.

2. Phân loại

Đối với chuyển động của các sai lệch, pha thứ hai chứa trong hợp kim có hai trường hợp sau:

(1) Gia cố các hạt không biến dạng (cơ chế bỏ qua).

(2) Gia cố các hạt biến dạng (cơ chế cắt xuyên qua).

Cả tăng cường phân tán và tăng cường kết tủa đều là những trường hợp đặc biệt của tăng cường pha thứ hai.

3. Hiệu ứng

Lý do chính cho việc tăng cường pha thứ hai là sự tương tác giữa chúng và trật khớp, cản trở chuyển động của trật khớp và cải thiện khả năng chống biến dạng của hợp kim.

tóm lại

Các yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ bền là thành phần, cấu trúc và trạng thái bề mặt của vật liệu; thứ hai là trạng thái lực, chẳng hạn như tốc độ của lực, phương pháp tác dụng lực, lực kéo giãn đơn giản hoặc lực lặp lại sẽ thể hiện cường độ khác nhau; Ngoài ra, hình dạng và kích thước của mẫu và môi trường thử nghiệm cũng có ảnh hưởng lớn, đôi khi còn mang tính quyết định. Ví dụ, độ bền kéo của thép cường độ cực cao trong môi trường hydro có thể giảm theo cấp số nhân.

Chỉ có hai cách để tăng cường vật liệu kim loại. Một là tăng lực liên kết tương tác của hợp kim, tăng cường độ lý thuyết của nó và chuẩn bị một tinh thể hoàn chỉnh không có khuyết tật, chẳng hạn như râu. Được biết, độ bền của râu sắt gần bằng giá trị lý thuyết. Có thể coi điều này là do không có sự trật khớp nào ở râu, hoặc chỉ là một lượng nhỏ trật khớp không thể sinh sôi nảy nở trong quá trình biến dạng. Thật không may, khi đường kính của râu lớn hơn, độ bền giảm mạnh. Một cách tiếp cận tăng cường khác là đưa một số lượng lớn các khuyết tật tinh thể vào tinh thể, chẳng hạn như sai lệch, khuyết điểm, nguyên tử không đồng nhất, ranh giới hạt, các hạt phân tán cao hoặc tính không đồng nhất (chẳng hạn như sự phân tách), v.v. Những khuyết tật này cản trở sự chuyển động của sai lệch và cũng cải thiện đáng kể sức mạnh của kim loại. Sự thật đã chứng minh rằng đây là cách hiệu quả nhất để tăng độ bền của kim loại. Đối với vật liệu kỹ thuật, nhìn chung thông qua các hiệu ứng tăng cường toàn diện để đạt được hiệu suất toàn diện tốt hơn.