01. Styrking av solid løsning
Definisjon
Fast løsningsforsterkning er fenomenet der legeringselementer løses opp i basismetallet, forårsaker gitterforvrengning og øker legeringens styrke.
Prinsipp
Oppløste atomer som løses opp i den faste løsningen skaper gitterforvrengning, noe som øker motstanden mot dislokasjonsbevegelser, noe som gjør skli vanskeligere. Som et resultat øker styrken og hardheten til den faste legeringsløsningen. Denne forsterkningsmekanismen er avhengig av å løse opp løste atomer for å danne en fast løsning. Med passende konsentrasjon av oppløste stoffer forbedres materialets styrke og hardhet, selv om dets seighet og duktilitet kan reduseres.
Påvirkningsfaktorer
Jo høyere atomfraksjon av oppløste atomer, desto sterkere styrkende effekt, spesielt ved lave konsentrasjoner.
Jo større størrelsesforskjellen mellom oppløste og uedle metallatomer er, desto mer signifikant er styrkingen.
Interstitielle oppløste atomer har en sterkere styrkende effekt enn substitusjonelle. I kropps-sentrerte kubiske krystaller forårsaker interstitielle atomer asymmetrisk gitterforvrengning, noe som resulterer i større forsterkning enn i ansikts-sentrerte kubiske krystaller. Imidlertid er løseligheten til interstitielle atomer begrenset.
Jo større forskjellen er i valenselektronetall mellom oppløste atomer og baseatomer, desto sterkere er styrkende effekt. Flytestyrken øker med elektronkonsentrasjonen.
Grad av styrking avhenger av:
Størrelsesforskjell mellom løst stoff og baseatomer: Større størrelsesmistilpasning øker dislokasjonsmotstanden.
Mengde legeringselementer: Mer legerende=sterkere effekt, men for store mengder kan overskride løselighetsgrensen og kreve andre forsterkningsmetoder som forsterkning i andre fase.
Interstitielle atomer styrker mer enn substitusjonelle atomer.
Valenselektronforskjell mellom oppløst stoff og matrisemetall forbedrer styrkingen.
Effekter
Flytestyrke, strekkfasthet og hardhet overgår de for rene metaller.
Generelt lavere duktilitet sammenlignet med rene metaller.
Lavere elektrisk ledningsevne enn rene metaller.
Forbedret krypemotstand og høy-temperaturstyrke.
02. Arbeidsherding (Strain Herding)
Definisjon
Når kalddeformasjonen øker, øker styrken og hardheten til et metall, mens plastisiteten og seigheten avtar.
Oversikt
Når metaller deformeres plastisk under rekrystalliseringstemperaturen, blir de sterkere og hardere, men mindre duktile og seige. Også kjent som kaldbearbeidende herding. Under plastisk deformasjon vikler dislokasjoner seg, korn forlenges, brytes og blir fibrøse. Reststress introduseres. Herdingsgraden måles vanligvis ved forholdet mellom overflatemikrohardhet før og etter deformasjon og dybden på det herdede laget.
Dislokasjonsteori Forklaring
Dislokasjoner krysser hverandre og danner trinn-som hindringer for bevegelse.
Dislokasjoner reagerer for å danne immobile dislokasjoner som hindrer bevegelse.
Dislokasjonsmultiplikasjon øker tettheten, og hindrer bevegelse ytterligere.
Ulemper
Arbeidsherding kompliserer videre bearbeiding. For eksempel blir kald-valset stål stadig hardere og ubrukelig, og krever mellomgløding for å myke opp. Ved maskinering øker overflateherding skjærekraft og verktøyslitasje.
Fordeler
Forbedrer metallstyrke, hardhet og slitestyrke, spesielt for rene metaller og legeringer som ikke kan styrkes ved varmebehandling (f.eks. kalde-trukne ledninger med høy-styrke, kalde-valsede fjærer, tankspor, knusekjever, jernbanebrytere).
Søknader innen maskinteknikk
Kaldtrekking, rulling og kuleblending øker overflatestyrken til materialer og komponenter.
Lokalisert plastisk deformasjon under stress kan begrenses på grunn av arbeidsherding, noe som forbedrer komponentsikkerheten.
Ved stempling dirigerer herdede områder deformasjon til mykere områder, noe som tillater jevn deformasjon på tvers av seksjoner.
Forbedrer bearbeidbarheten til lav-karbonstål ved å gjøre spon lettere å skille. Det øker imidlertid energiforbruket ved videre bearbeiding og verktøyslitasje ved maskinering.
03. Styrking av kornforfining
Definisjon
Forsterkning av kornforfining forbedrer mekaniske egenskaper ved å redusere kornstørrelsen.
Prinsipp
Metaller er polykrystallinske. Mindre korn (dvs. flere korn per volumenhet) resulterer i høyere styrke, hardhet, plastisitet og seighet. Finere korn fordeler deformasjonen mer jevnt, reduserer spenningskonsentrasjonen og hindrer sprekkforplantning. Dermed forbedrer raffinering av korn styrke.
Effekter
Finere korn reduserer forvridning-opphoper stress, øker styrken.
I følge Hall-Petch-forholdet fører mindre kornstørrelse ddd til høyere flytestyrke.
Metoder for å foredle korn
Øk underkjølingen.
Inokulasjonsbehandling.
Vibrasjon og omrøring under størkning.
I kalde-deformerte metaller: kontroller deformasjonsgraden og glødingstemperaturen.
04. Andre fase Styrking
Definisjon
I flerfaselegeringer, foruten matrisefasen, eksisterer en andre fase. Når fint dispergerte andre-fasepartikler er jevnt fordelt i matrisen, styrker de legeringen betydelig. Dette er kjent som andre-faseforsterkning.
Typer
Fra perspektivet til dislokasjonsbevegelse klassifiseres andre-fasepartikler i:
Ikke-deformerbare partikler: forsterkning via bypass-mekanisme (Orowan-mekanisme).
Deformerbare partikler: styrking via kuttemekanisme.
Dispersoidforsterkning og nedbørsherding er spesifikke former for andre-faseforsterkning.
Effekter
Andre-fasepartikler samhandler med dislokasjoner, hindrer deres bevegelse og øker legeringens motstand mot deformasjon.
Andre faktorer som påvirker styrke
Legeringens sammensetning, mikrostruktur og overflatetilstand.
Lastetilstand: hastighet, modus (strekk vs. syklisk).
Prøvegeometri og testmiljø (f.eks. kan hydrogensprøhet redusere styrken drastisk).
Sammendrag av styrkende tilnærminger
To hovedveier for å styrke metaller:
Øk atombindingskraften og lag defekte-frie krystaller (f.eks. værhår).
Introduser defekter (dislokasjoner, oppløste atomer, korngrenser osv.) for å hindre dislokasjonsbevegelser - som har vist seg å være den mest effektive metoden.
Tekniske materialer er vanligvis avhengige av en kombinasjon av forsterkningsmekanismer for å oppnå optimal ytelse.
