01. Ojačanje čvrste otopine
Definicija
Ojačavanje krute otopine je pojava gdje se elementi legure otapaju u osnovnom metalu, uzrokujući iskrivljenje rešetke i povećavajući čvrstoću legure.
Načelo
Atomi otopljene tvari koji se otope u čvrstoj otopini stvaraju izobličenje rešetke, što povećava otpor gibanju dislokacija, što otežava klizanje. Kao rezultat toga, povećava se čvrstoća i tvrdoća čvrste otopine legure. Ovaj mehanizam jačanja oslanja se na otapanje atoma otopljene tvari u čvrstu otopinu. Uz odgovarajuću koncentraciju otopljene tvari, čvrstoća i tvrdoća materijala se poboljšavaju, iako se njegova žilavost i rastegljivost mogu smanjiti.
Čimbenici utjecaja
Što je veći atomski udio atoma otopljene tvari, to je jači učinak jačanja, osobito pri niskim koncentracijama.
Što je veća razlika u veličini između otopljene tvari i atoma osnovnog metala, to je jačanje značajnije.
Intersticijski otopljeni atomi imaju jači učinak jačanja od supstitucijskih. U kubičnim-centriranim kristalima, intersticijski atomi uzrokuju asimetričnu distorziju rešetke, što rezultira većim ojačanjem nego u kubičnim-kristalima s tjelesnim središtem. Međutim, topljivost intersticijskih atoma je ograničena.
Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između otopljene tvari i baznih atoma, to je jači učinak jačanja. Granica razvlačenja raste s koncentracijom elektrona.
Stupanj ojačanja ovisi o:
Razlika u veličini između atoma otopljene tvari i baznih atoma: veća nepodudarnost veličina povećava otpor dislokacije.
Količina legirajućih elemenata: Više legiranja=jači učinak, ali prekomjerne količine mogu premašiti granicu topljivosti i zahtijevati druge metode ojačavanja kao što je druga faza ojačanja.
Intersticijski atomi jačaju više od supstitucijskih atoma.
Razlika valentnih elektrona između otopljene tvari i metala matrice povećava ojačanje.
Efekti
Granica razvlačenja, vlačna čvrstoća i tvrdoća premašuju one čistih metala.
Općenito niža duktilnost u usporedbi s čistim metalima.
Niža električna vodljivost od čistih metala.
Poboljšana otpornost na puzanje i otpornost na-visoku temperaturu.
02. Radno otvrdnjavanje (otvrdnjavanje deformacijom)
Definicija
Kako se hladna deformacija povećava, čvrstoća i tvrdoća metala raste, a plastičnost i žilavost se smanjuju.
Pregled
Kada se metali plastično deformiraju ispod temperature rekristalizacije, postaju jači i tvrđi, ali manje rastezljivi i žilavi. Također poznato kao otvrdnjavanje hladnom obradom. Tijekom plastične deformacije dislokacije se zapliću, zrna se izdužuju, lome i postaju vlaknasta. Uvodi se zaostalo naprezanje. Stupanj otvrdnuća obično se mjeri omjerom površinske mikrotvrdoće prije i poslije deformacije i dubine očvrsnutog sloja.
Objašnjenje teorije dislokacije
Dislokacije se sijeku i tvore stepenaste-prepreke kretanju.
Iščašenja reagiraju stvarajući nepokretna iščašenja koja ometaju kretanje.
Umnožavanje dislokacija povećava gustoću, dodatno ometajući kretanje.
Nedostaci
Otvrdnjavanje otežava daljnju obradu. Na primjer, hladno{1}}valjani čelik postaje sve tvrđi i neobradiviji, pa je potrebno međužarenje da bi omekšao. U strojnoj obradi, površinsko kaljenje povećava silu rezanja i trošenje alata.
Prednosti
Poboljšava čvrstoću metala, tvrdoću i otpornost na trošenje, posebno za čiste metale i legure koje se ne mogu ojačati toplinskom obradom (npr. hladno{2}}vučene žice visoke-čvrstoće, hladno-valjane opruge, gusjenice cisterni, čeljusti drobilica, željezničke skretnice).
Primjene u strojarstvu
Hladno izvlačenje, valjanje i sačmarenje uvelike povećavaju čvrstoću površine materijala i komponenti.
Lokalizirana plastična deformacija pod naprezanjem može se ograničiti zbog radnog otvrdnjavanja, poboljšavajući sigurnost komponente.
Kod štancanja, otvrdnuta područja usmjeravaju deformaciju na mekša područja, omogućujući jednoliku deformaciju po dijelovima.
Poboljšava obradivost ni-ugljičnog čelika olakšavajući odvajanje strugotine. Međutim, povećava potrošnju energije u daljnjoj obradi i trošenje alata u strojnoj obradi.
03. Ojačanje usitnjavanja zrna
Definicija
Ojačavanje usitnjavanjem zrna poboljšava mehanička svojstva smanjenjem veličine zrna.
Načelo
Metali su polikristalni. Manja zrna (tj. više zrna po jedinici volumena) rezultiraju većom čvrstoćom, tvrdoćom, plastičnošću i žilavošću. Finija zrna ravnomjernije raspoređuju deformacije, smanjuju koncentraciju naprezanja i sprječavaju širenje pukotina. Stoga rafiniranje zrna povećava snagu.
Efekti
Finija zrna smanjuju stres-nagomilavanja dislokacije, povećavajući snagu.
Prema Hall-Petch relaciji, manja veličina zrna ddd dovodi do veće granice razvlačenja.
Metode za pročišćavanje zrna
Povećajte pothlađenje.
Tretman inokulacijom.
Vibracija i miješanje tijekom skrućivanja.
U hladno{0}}deformiranim metalima: kontrolirajte stupanj deformacije i temperaturu žarenja.
04. Druga faza ojačanja
Definicija
U višefaznim legurama, osim faze matrice, postoji i druga faza. Kada su fino raspršene čestice druge-faze ravnomjerno raspoređene u matrici, one značajno ojačavaju leguru. Ovo je poznato kao jačanje druge-faze.
Vrste
Iz perspektive kretanja dislokacija, čestice druge-faze klasificiraju se na:
Ne{0}}deformabilne čestice: ojačavanje putem premosnog mehanizma (Orowan mehanizam).
Deformabilne čestice: ojačavanje reznim mehanizmom.
Ojačanje disperzoidom i taložno otvrdnjavanje specifični su oblici ojačanja druge-faze.
Efekti
Čestice druge-faze stupaju u interakciju s dislokacijama, ometajući njihovo kretanje i povećavajući otpornost legure na deformaciju.
Ostali čimbenici koji utječu na snagu
Sastav, mikrostruktura i površinsko stanje legure.
Uvjeti opterećenja: brzina, način (vlačno nasuprot cikličkom).
Geometrija uzorka i okolina ispitivanja (npr. vodikova krtost može drastično smanjiti čvrstoću).
Sažetak pristupa jačanju
Dva glavna načina za ojačavanje metala:
Povećajte silu atomskog vezivanja i stvorite-kristale bez nedostataka (npr. brkove).
Uvođenje defekata (dislokacije, atomi otopljene tvari, granice zrna, itd.) kako bi se spriječilo kretanje dislokacija - pokazalo se najučinkovitijom metodom.
Inženjerski materijali obično se oslanjaju na kombinaciju mehanizama za jačanje kako bi se postigla optimalna izvedba.
