Четыре способа упрочнения металлических материалов

Упрочнение металлических материалов — это процесс повышения прочности и твердости металлов посредством ряда процессов и методов. Эти механизмы упрочнения основаны на микроструктуре и свойствах металлов и достигаются путем их регулирования.

Упрочнение металлических материалов имеет следующие основные применения:

1. Улучшение механических свойств: благодаря упрочняющей обработке повышается прочность и твердость металлических материалов, что напрямую повышает долговечность и надежность материалов в применениях.
2. Оптимизация характеристик продукции: различные технологии упрочнения могут оптимизировать характеристики материалов в различных промышленных применениях, таких как аэрокосмическая промышленность, автомобилестроение и производство высокопроизводительного механического оборудования.
3. Повышение безопасности: в деталях, где сосредоточены или перегружены нагрузки, упрочняющие материалы могут предотвратить дальнейшую деформацию, тем самым повышая безопасность использования.
4. Содействие промышленному развитию: разработка и применение упрочняющих технологий не только способствует развитию материаловедения, но и обеспечивает прочную основу для различных промышленных применений.
5. Повышение экономической ценности: улучшение технологий за счет повышения производительности и надежности материалов помогает снизить затраты на техническое обслуживание и повысить эффективность производства, тем самым принося экономические выгоды.

Упрочнение твердого раствора

1. Определение Явление, при котором легирующие элементы растворяются в основном металле, вызывая определенную степень искажения решетки, тем самым повышая прочность сплава.
2. Принцип Растворенные атомы, растворенные в твердом растворе, вызывают искажение решетки, что увеличивает сопротивление движению дислокаций и затрудняет скольжение, тем самым увеличивая прочность и твердость твердого раствора сплава. Это явление упрочнения металла путем растворения определенного растворенного элемента с образованием твердого раствора называется упрочнением твердого раствора. Когда концентрация растворенных атомов является подходящей, прочность и твердость материала могут быть улучшены, в то время как его вязкость и пластичность снижаются.
3. Факторы влияния Чем выше атомная доля растворенных атомов, тем больше эффект укрепления, особенно когда атомная доля очень мала, эффект укрепления более значим. Чем больше разница в размерах атомов растворенных атомов и матричного металла, тем больше эффект укрепления. Внедренные растворенные атомы имеют больший эффект укрепления твердого раствора, чем замещающие атомы, и поскольку искажение решетки внедренных атомов в объемно-центрированных кубических кристаллах асимметрично, их эффект укрепления больше, чем у гранецентрированных кубических кристаллов; но растворимость внедренных атомов в твердом теле очень ограничена, поэтому фактический эффект укрепления также ограничен. Чем больше разница между числом валентных электронов растворенных атомов и матричного металла, тем более очевиден эффект укрепления твердого раствора, то есть предел текучести твердого раствора увеличивается с увеличением концентрации валентных электронов.
4. Степень упрочнения твердого раствора зависит в основном от следующих факторов: Разница в размерах между атомами матрицы и атомами растворенного вещества. Чем больше разница в размерах, тем больше нарушение исходной кристаллической структуры и тем сложнее скольжение дислокаций. Количество легирующих элементов. Чем больше добавлено легирующих элементов, тем больше эффект упрочнения. Если добавлено слишком много атомов, которые слишком велики или слишком малы, растворимость будет превышена. Это включает в себя другой механизм упрочнения, упрочнение дисперсной фазы. Внедренные атомы растворенного вещества оказывают больший эффект упрочнения твердого раствора, чем замещающие атомы. Чем больше разница между числом валентных электронов атомов растворенного вещества и металла матрицы, тем значительнее эффект упрочнения твердого раствора.
5. Эффекты Предел текучести, предел прочности на растяжение и твердость выше, чем у чистых металлов; в большинстве случаев пластичность ниже, чем у чистых металлов; проводимость значительно ниже, чем у чистых металлов; сопротивление ползучести или потеря прочности при высоких температурах могут быть улучшены путем упрочнения твердого раствора.

Деформационное упрочнение

1. Определение С увеличением степени холодной деформации прочность и твердость металлических материалов возрастают, но пластичность и вязкость снижаются.
2. Введение Явление, при котором прочность и твердость металлических материалов увеличиваются, а пластичность и вязкость уменьшаются при их пластической деформации ниже температуры рекристаллизации. Его также называют наклепом. Причина этого в том, что при пластической деформации металлов зерна проскальзывают, дислокации перепутываются, зерна вытягиваются, ломаются и волокнистеют, а внутри металла возникают остаточные напряжения. Степень наклепа обычно выражается отношением микротвердости поверхностного слоя до и после обработки к глубине закаленного слоя.
3. Объяснение с точки зрения теории дислокаций

(1) Между дислокациями происходит пересечение, и образующиеся ступеньки препятствуют движению дислокаций;

(2) Между дислокациями происходят реакции, и образовавшиеся фиксированные дислокации препятствуют движению дислокаций;

(3) Дислокации множатся, а увеличение плотности дислокаций еще больше увеличивает сопротивление движению дислокаций.

4. Опасности Наклеп затрудняет дальнейшую обработку металлических деталей. Например, в процессе холодной прокатки стальных листов стальные листы будут становиться все тверже и тверже, пока их невозможно будет прокатать. Поэтому необходимо устраивать промежуточный отжиг в процессе обработки, чтобы исключить наклеп нагреванием. Другим примером является то, что в процессе резки поверхность заготовки становится хрупкой и твердой, тем самым ускоряя износ инструмента и увеличивая силу резания.
5. Преимущества Он может улучшить прочность, твердость и износостойкость металлов, особенно чистых металлов и некоторых сплавов, которые нельзя улучшить с помощью термической обработки. Например, холоднотянутая высокопрочная стальная проволока и холоднокатаные пружины используют холодную деформацию для улучшения их прочности и предела упругости. Например, гусеницы танков и тракторов, щеки дробилок и железнодорожные стрелки также используют упрочнение для улучшения их твердости и износостойкости.
6. Роль в машиностроении Благодаря таким процессам, как холодное волочение, прокатка и дробеструйная обработка (см. поверхностное упрочнение), поверхностная прочность металлических материалов, деталей и компонентов может быть значительно улучшена; после того, как детали подвергаются воздействию силы, локальное напряжение в некоторых деталях часто превышает предел текучести материала, вызывая пластическую деформацию. Поскольку наклеп ограничивает дальнейшее развитие пластической деформации, безопасность деталей и компонентов может быть улучшена; когда металлические детали или компоненты штампуются, их пластическая деформация сопровождается упрочнением, так что деформация передается окружающим незакаленным деталям. После таких повторяющихся чередующихся действий могут быть получены детали холодной штамповки с равномерной деформацией поперечного сечения; производительность резки низкоуглеродистой стали может быть улучшена, что позволяет легко отделять стружку. Однако наклеп также создает трудности для дальнейшей обработки металлических деталей. Например, холоднотянутая стальная проволока из-за наклепывания при дальнейшем волочении потребляет много энергии и может даже сломаться, поэтому ее необходимо отжигать в середине, чтобы исключить наклеп перед волочением. Другим примером является обработка резанием: чтобы сделать поверхность заготовки хрупкой и твердой, во время резки увеличивают силу резания, а также ускоряют износ инструмента.

Усиление измельчения зерна

1. Определение Метод улучшения механических свойств металлических материалов путем измельчения зерна называется упрочнением измельчением зерна. В промышленности измельчение зерна используется для повышения прочности материалов.
2. Принцип Металлы обычно являются поликристаллическими, состоящими из множества зерен. Размер зерен можно выразить числом зерен в единице объема. Чем больше число, тем мельче зерна. Эксперименты показывают, что мелкозернистые металлы при комнатной температуре имеют более высокую прочность, твердость, пластичность и вязкость, чем крупнозернистые металлы. Это происходит потому, что пластическая деформация мелких зерен под действием внешних сил может быть рассеяна в большем количестве зерен, пластическая деформация более равномерна, а концентрация напряжений меньше; кроме того, чем мельче зерна, тем больше площадь границ зерен, тем более извилиста граница зерен и тем меньше она способствует расширению трещин. Поэтому в промышленности метод повышения прочности материалов путем измельчения зерен называется упрочнением измельчением зерен.
3. Эффект Чем мельче зерна, тем меньше число дислокаций (n) в дислокационном скоплении. Согласно τ=nτ0, концентрация напряжений меньше, поэтому прочность материала выше. Согласно закону упрочнения мелкозернистого упрочнения, чем больше границ зерен, тем мельче зерна. Согласно соотношению Холла-Петча, чем меньше среднее значение зерен (d), тем выше предел текучести материала.
4. Методы измельчения зерна Увеличение степени переохлаждения; Модификация; Вибрация и перемешивание; Для холоднодеформированных металлов зерно можно измельчить, контролируя степень деформации и температуру отжига.

Укрепление второй фазы

1. Определение По сравнению с однофазными сплавами, многофазные сплавы имеют вторую фазу в дополнение к матричной фазе. Когда вторая фаза равномерно распределена в матричной фазе в виде мелкодисперсных частиц, она будет производить значительный эффект укрепления. Этот эффект укрепления называется укреплением второй фазы.
2. Классификация Для движения дислокаций вторая фаза, содержащаяся в сплаве, имеет следующие две ситуации: (1) Упрочняющий эффект недеформируемых частиц (обходной механизм). (2) Упрочняющий эффект деформируемых частиц (сквозной механизм). Дисперсионное упрочнение и преципитационное упрочнение являются частными случаями упрочнения второй фазы.

3. Эффект Основной причиной упрочнения второй фазы является взаимодействие между ними и дислокациями, что затрудняет движение дислокаций и повышает сопротивление деформации сплава. Резюме

Наиболее важными факторами, влияющими на прочность, являются состав, структура и состояние поверхности самого материала; вторым — напряженное состояние, такое как скорость приложения силы, способ нагружения, будь то простое растяжение или многократное усилие, которые покажут различную прочность; кроме того, геометрия и размер образца, а также испытательная среда также оказывают большое влияние, иногда даже решающее, например, предел прочности на растяжение сверхвысокопрочной стали в атмосфере водорода может уменьшаться экспоненциально.

Существует только два способа упрочнения металлических материалов. Один из них — улучшить силу межатомной связи сплава, повысить его теоретическую прочность и получить бездефектные цельные кристаллы, такие как нитевидные кристаллы. Известно, что прочность железных нитевидных кристаллов близка к теоретическому значению. Можно считать, что это происходит потому, что в нитевидных кристаллах нет дислокаций или есть только небольшое количество дислокаций, которые не могут размножаться при деформации. К сожалению, когда диаметр нитевидных кристаллов большой, прочность резко падает.

Другой метод упрочнения заключается во введении в кристалл большого количества дефектов кристалла, таких как дислокации, точечные дефекты, гетерогенные атомы, границы зерен, высокодисперсные частицы или неоднородности (такие как сегрегация). Эти дефекты препятствуют движению дислокаций и также могут значительно повысить прочность металла. Факты доказали, что это наиболее эффективный способ повышения прочности металлов. Для конструкционных материалов, как правило, лучшие комплексные характеристики достигаются за счет комплексных эффектов упрочнения.