Tăng cường dung dịch rắn

1. Định nghĩa

Một hiện tượng trong đó các nguyên tố hợp kim được hòa tan vào kim loại nền để gây ra một mức độ biến dạng mạng tinh thể nhất định, từ 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 tinh thể, làm tăng sức cản của chuyển động lệch mạng, khiến cho sự trượt trở nên khó khăn hơn, và làm tăng độ bền và độ cứng của dung dịch rắn hợp kim. Hiện tượng tăng cường độ bền của kim loại bằng cách hòa tan một nguyên tố chất tan nhất định để tạo thành dung dịch rắn được gọi là tăng cường độ bền bằng dung dịch rắn. Khi nồng độ các nguyên tử chất tan thích hợp, độ bền và độ cứng của vật liệu có thể tăng lên, nhưng độ dẻo dai và tính đàn hồi của nó lại giảm đi.

3. Các yếu tố ảnh hưởng

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

Sự khác biệt càng lớn giữa kích thước nguyên tử của chất tan và kích thước nguyên tử của kim loại nền thì hiệu quả tăng cường càng cao.

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

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

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

Sự khác biệt về kích thước giữa các nguyên tử ma trận và các nguyên tử chất tan. Sự khác biệt về kích thước càng lớn, sự can thiệp vào cấu trúc tinh thể ban đầu càng lớn, và sự trượt lệch càng khó khăn hơn.

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

Các nguyên tử chất tan xen kẽ có tác dụng tăng cường độ bền dung dịch rắn mạnh hơn so với các nguyên tử thay thế.

Sự chênh lệch càng lớn về số lượng electron hóa trị giữa các nguyên tử chất tan và kim loại nền, thì hiệu ứng tăng cường độ bền của dung dịch rắn càng rõ rệt.

5. Tác dụng

Độ bền kéo, độ bền chảy và độ cứng cao hơn so với kim loại nguyên chất;

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

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

Khả năng chống biến dạng dẻo, hay sự suy giảm độ bền ở nhiệt độ cao, có thể được cải thiện bằng cách tăng cường độ bền bằng dung dịch rắn.

Làm cứng cơ thể do lao động

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 dai lại giảm xuống.

2. Giới thiệu

Hiện tượng này xảy ra khi độ bền và độ cứng của vật liệu kim loại tăng lên khi chúng bị biến dạng dẻo ở nhiệt độ dưới nhiệt độ tái kết tinh, trong khi độ dẻo và độ dai giảm xuống. Hiện tượng này còn được gọi là làm cứng do gia công nguội. Nguyên nhân là do khi kim loại bị biến dạng dẻo, các hạt tinh thể trượt và các lệch mạng bị rối vào nhau, khiến các hạt tinh thể bị kéo dài, đứt gãy và tạo thành sợi, đồng thời sinh ra ứng suất dư trong kim loại. Mức độ làm cứng thường được biểu thị bằng tỷ lệ giữa độ cứng vi mô của lớp bề mặt sau khi gia công so với trước khi gia công và độ sâu của lớp được làm cứng.

3. Giải thích từ góc độ lý thuyết lệch mạng

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

(2) Một phản ứng xảy ra giữa các lệch mạng và lệch mạng cố định được hình thành cản trở sự chuyển động của lệch mạng;

(3) Sự gia tăng các sai lệch xảy ra và mật độ sai lệch tăng lên càng làm tăng thêm sức cản đối với chuyển động của sai lệch.

4. Tác hại

Hiện tượng cứng hóa do gia công gây khó khăn cho các bước gia công tiếp theo của các chi tiết kim loại. Ví dụ, trong quá trình cán nguội thép tấm, thép sẽ trở nên cứng hơn và khó cán hơn, do đó cần phải thực hiện quá trình ủ trung gian trong quá trình gia công để loại bỏ hiện tượng cứng hóa do gia công bằng cách nung nóng. Một ví dụ khác là hiện tượng cứng hóa do gia công làm cho bề mặt phôi trở nên giòn và cứng trong quá trình cắt gọt, từ đó làm tăng tốc độ mài mòn dụng cụ và tăng lực cắt.

5. Lợi ích

Phương pháp này có thể cải thiện độ bền, độ cứng và khả năng chống mài mòn của kim loại, đặc biệt là đối với các kim loại nguyên chất và một số hợp kim không thể cải thiện bằng 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. Một ví dụ khác là việc sử dụng phương pháp làm cứng bằng gia công nguội để cải thiện độ cứng và khả năng chống mài mòn của xe tăng, xích máy kéo, hàm máy nghiền và ghi chuyển hướng đường sắt.

6. Vai trò trong kỹ thuật cơ khí

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

Sau khi các chi tiết chịu ứng suất, ứng suất cục bộ của một số chi tiết thường vượt quá giới hạn chảy của vật liệu, gây ra biến dạng dẻo. Do hiện tượng hóa bền vật liệu, sự phát triển tiếp tục của biến dạng dẻo bị hạn chế, từ đó có thể nâng cao độ an toàn của các chi tiết và linh kiện;

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

Nó có thể cải thiện hiệu suất cắt của thép cacbon thấp và giúp dễ dàng tách phôi. Tuy nhiên, hiện tượng cứng hóa do gia công cũng gây khó khăn cho quá trình gia công tiếp theo của các chi tiết kim loại. Ví dụ, dây thép kéo nguội tiêu tốn rất nhiều năng lượng để kéo tiếp do hiện tượng cứng hóa, thậm chí có thể bị đứt. Do đó, cần phải ủ để loại bỏ hiện tượng cứng hóa trước khi kéo. Một ví dụ khác là để làm cho bề mặt phôi giòn và cứng hơn trong quá trình cắt, lực cắt được tăng lên trong quá trình cắt lại, và độ mài mòn của dụng cụ được đẩy nhanh.

Tăng cường hạt mịn

1. Định nghĩa

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

2. Nguyên tắc

Kim loại thường là vật liệu đa tinh thể được cấu tạo từ nhiều hạt tinh thể. Kích thước của các hạt tinh thể có thể được biểu thị bằng số lượng hạt tinh thể trên một đơn vị thể tích. Số lượng càng nhiều, hạt tinh thể càng mịn. Các thí nghiệm cho thấy kim loại có cấu trúc hạt mịn ở nhiệt độ phòng có độ bền, độ cứng, độ dẻo và độ dai cao hơn so với kim loại có cấu trúc hạt thô. Điều này là do các hạt mịn trải qua biến dạng dẻo dưới tác dụng của lực bên ngoài và có thể phân tán thành nhiều hạt hơn, biến dạng dẻo đồng đều hơn và sự tập trung ứng suất ít hơn; ngoài ra, hạt càng mịn thì diện tích ranh giới hạt càng lớn và ranh giới hạt càng ngoằn ngoèo. Điều này càng bất lợi cho sự lan truyền vết nứt. Do đó, phương pháp cải thiện độ bền của vật liệu bằng cách tinh luyện các hạt tinh thể được gọi là tăng cường độ bền bằng tinh luyện hạt trong công nghiệp.

3. Tác dụng

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

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

4. Phương pháp tinh luyện hạt

Tăng mức độ làm lạnh dưới điểm sôi;

Điều trị tình trạng xấu đi;

Rung động và khuấy trộn;

Đối với kim loại biến dạng nguội, kích thước hạt tinh thể có thể được tinh chỉnh bằng cách kiểm soát mức độ biến dạng và nhiệt độ ủ.

Tăng cường giai đoạn thứ hai

1. Định nghĩa

So với hợp kim đơn pha, hợp kim đa pha có thêm một pha thứ hai bên cạnh pha nền. Khi pha thứ hai được phân bố đồng đều trong pha nền với các hạt phân tán mịn, nó sẽ có tác dụng tăng cường độ bền đáng kể. Tác dụng tăng cường độ bền này được gọi là tăng cường độ bền pha thứ hai.

2. Phân loại

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

(1) Tăng cường các hạt không biến dạng (cơ chế bỏ qua).

(2) Tăng cường các hạt biến dạng (cơ chế cắt xuyên).

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

3. Tác dụng

Lý do chính dẫn đến sự tăng cường độ bền của pha thứ hai là sự tương tác giữa chúng và các lệch mạng, điều này cản trở sự chuyển động của lệch mạng 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 của lực tác dụng, chẳng hạn như tốc độ của lực, phương pháp tải, kéo giãn đơn giản hoặc lực lặp lại, sẽ thể hiện các độ bền khác nhau; ngoài ra, hình dạng và kích thước của mẫu và môi trường thử nghiệm cũng có ảnh hưởng lớn, đôi khi thậm chí mang tính quyết định. Ví dụ, độ bền kéo của thép siêu bền trong môi trường hydro có thể giảm theo cấp số nhân.

Chỉ có hai cách để tăng cường độ bền của vật liệu kim loại. Một là tăng cường lực liên kết giữa các nguyên tử trong hợp kim, tăng cường độ bền lý thuyết của nó, và chế tạo một tinh thể hoàn chỉnh không có khuyết tật, chẳng hạn như sợi tinh thể. Người ta biết rằng độ bền của sợi tinh thể sắt gần với giá trị lý thuyết. Có thể coi đây là do không có sai lệch cấu trúc trong sợi tinh thể, hoặc chỉ có một lượng nhỏ sai lệch cấu trúc không thể lan rộng trong quá trình biến dạng. Tuy nhiên, khi đường kính của sợi tinh thể lớn hơn, độ bền giảm mạnh. Một phương pháp tăng cường độ bền khác là đưa một lượng lớn khuyết tật tinh thể vào tinh thể, chẳng hạn như sai lệch cấu trúc, khuyết tật điểm, nguyên tử không đồng nhất, ranh giới hạt, các hạt phân tán cao hoặc sự không đồng nhất (như sự phân tách), v.v. Những khuyết tật này cản trở sự chuyển động của sai lệch cấu trúc và cũng cải thiện đáng kể độ bền của kim loại. Thực tế đã chứng minh rằng đây là cách hiệu quả nhất để tăng cường độ bền của kim loại. Đối với vật liệu kỹ thuật, nói chung là thông qua các hiệu ứng tăng cường tổng thể để đạt được hiệu suất tổng thể tốt hơn.