Fortalecimiento de solución sólida.

1. Definición

Fenómeno en el que los elementos de aleación se disuelven en el metal base para provocar un cierto grado de distorsión de la red y, por tanto, aumentar la resistencia de la aleación.

2. Principio

Los átomos de soluto disueltos en la solución sólida provocan una distorsión de la red, lo que aumenta la resistencia al movimiento de dislocación, dificulta el deslizamiento y aumenta la resistencia y dureza de la solución sólida de aleación. Este fenómeno de fortalecer el metal disolviendo un determinado elemento soluto para formar una solución sólida se llama fortalecimiento de solución sólida. Cuando la concentración de átomos de soluto es apropiada, se puede aumentar la resistencia y dureza del material, pero su tenacidad y plasticidad han disminuido.

3. Factores que influyen

Cuanto mayor es la fracción atómica de los átomos del soluto, mayor es el efecto fortalecedor, especialmente cuando la fracción atómica es muy baja, el efecto fortalecedor es más significativo.

Cuanto mayor sea la diferencia entre los átomos del soluto y el tamaño atómico del metal base, mayor será el efecto fortalecedor.

Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto fortalecedor de la solución sólida que los átomos de reemplazo, y debido a que la distorsión reticular de los átomos intersticiales en los cristales cúbicos centrados en el cuerpo es asimétrica, su efecto fortalecedor es mayor que el de los cristales cúbicos centrados en las caras; pero los átomos intersticiales La solubilidad sólida es muy limitada, por lo que el efecto fortalecedor real también es limitado.

Cuanto mayor es la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos del soluto y el metal base, más obvio es el efecto de fortalecimiento de la solución sólida, es decir, el límite elástico de la solución sólida aumenta con el aumento de la concentración de electrones de valencia.

4. El grado de fortalecimiento de la solución sólida depende principalmente de los siguientes factores

La diferencia de tamaño entre los átomos de la matriz y los átomos del soluto. Cuanto mayor es la diferencia de tamaño, mayor es la interferencia con la estructura cristalina original y más difícil es el deslizamiento de la dislocación.

La cantidad de elementos de aleación. Cuantos más elementos de aleación se agreguen, mayor será el efecto fortalecedor. Si demasiados átomos son demasiado grandes o demasiado pequeños, se excederá la solubilidad. Esto implica otro mecanismo de fortalecimiento, el fortalecimiento de fase dispersa.

Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto fortalecedor de la solución sólida que los átomos de reemplazo.

Cuanto mayor sea la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos del soluto y el metal base, más significativo será el efecto fortalecedor de la solución sólida.

5. Efecto

El límite elástico, la resistencia a la tracción y la dureza son más fuertes que los metales puros;

En la mayoría de los casos, la ductilidad es menor que la del metal puro;

La conductividad es mucho menor que la del metal puro;

La resistencia a la fluencia, o la pérdida de resistencia a altas temperaturas, se puede mejorar mediante el fortalecimiento con solución sólida.

Endurecimiento por trabajo

1. Definición

A medida que aumenta el grado de deformación en frío, la resistencia y dureza de los materiales metálicos aumentan, pero la plasticidad y tenacidad disminuyen.

2. Introducción

Fenómeno en el que la resistencia y dureza de los materiales metálicos aumentan cuando se deforman plásticamente por debajo de la temperatura de recristalización, mientras que la plasticidad y la tenacidad disminuyen. También conocido como endurecimiento por trabajo en frío. La razón es que cuando el metal se deforma plásticamente, los granos de cristal se deslizan y las dislocaciones se entrelazan, lo que hace que los granos de cristal se alarguen, se rompan y se fibricen, y se generan tensiones residuales en el metal. El grado de endurecimiento por trabajo generalmente se expresa mediante la relación entre la microdureza de la capa superficial después del procesamiento y la anterior al procesamiento y la profundidad de la capa endurecida.

3. Interpretación desde la perspectiva de la teoría de las dislocaciones

(1) La intersección ocurre entre dislocaciones y los cortes resultantes dificultan el movimiento de las dislocaciones;

(2) Se produce una reacción entre las dislocaciones y la dislocación fija formada obstaculiza el movimiento de la dislocación;

(3) Se produce la proliferación de dislocaciones y el aumento de la densidad de dislocaciones aumenta aún más la resistencia al movimiento de las dislocaciones.

4. Daño

El endurecimiento por deformación dificulta el procesamiento posterior de piezas metálicas. Por ejemplo, en el proceso de laminación en frío de la placa de acero, será cada vez más difícil de laminar, por lo que es necesario disponer un recocido intermedio durante el proceso de procesamiento para eliminar su endurecimiento por calentamiento. Otro ejemplo es hacer que la superficie de la pieza de trabajo se vuelva quebradiza y dura durante el proceso de corte, acelerando así el desgaste de la herramienta y aumentando la fuerza de corte.

5. Beneficios

Puede mejorar la resistencia, dureza y resistencia al desgaste de los metales, especialmente aquellos metales puros y ciertas aleaciones que no pueden mejorarse mediante tratamiento térmico. Por ejemplo, el alambre de acero de alta resistencia estirado en frío y el resorte helicoidal en frío, etc., utilizan deformación por trabajo en frío para mejorar su resistencia y límite elástico. Otro ejemplo es el uso del endurecimiento por trabajo para mejorar la dureza y la resistencia al desgaste de tanques, orugas de tractores, mandíbulas trituradoras y desvíos de ferrocarril.

6. Papel en la ingeniería mecánica

Después del estirado en frío, el laminado y el granallado (ver fortalecimiento de superficies) y otros procesos, la resistencia de la superficie de los materiales, piezas y componentes metálicos se puede mejorar significativamente;

Después de estresar las piezas, la tensión local de ciertas piezas a menudo excede el límite elástico del material, provocando deformación plástica. Debido al endurecimiento por trabajo, se restringe el desarrollo continuo de la deformación plástica, lo que puede mejorar la seguridad de piezas y componentes;

Cuando se estampa una pieza o componente metálico, su deformación plástica va acompañada de un refuerzo, de modo que la deformación se transfiere a la pieza endurecida sin trabajar que la rodea. Después de dichas acciones alternas repetidas, se pueden obtener piezas estampadas en frío con una deformación transversal uniforme;

Puede mejorar el rendimiento de corte del acero con bajo contenido de carbono y facilitar la separación de las virutas. Pero el endurecimiento mecánico también plantea dificultades en el procesamiento posterior de piezas metálicas. Por ejemplo, el alambre de acero estirado en frío consume mucha energía para su posterior trefilado debido al endurecimiento por trabajo, e incluso puede romperse. Por lo tanto, debe recocerse para eliminar el endurecimiento por trabajo antes del embutición. Otro ejemplo es que para hacer que la superficie de la pieza de trabajo sea quebradiza y dura durante el corte, se aumenta la fuerza de corte durante el nuevo corte y se acelera el desgaste de la herramienta.

Fortalecimiento de grano fino

1. Definición

El método para mejorar las propiedades mecánicas de los materiales metálicos refinando los granos de cristal se llama fortalecimiento por refinación de cristales. En la industria, la resistencia del material se mejora refinando los granos de cristal.

2. Principio

Los metales suelen ser policristales compuestos de muchos granos de cristal. El tamaño de los granos de cristal se puede expresar mediante el número de granos de cristal por unidad de volumen. Cuanto mayor sea el número, más finos serán los granos de cristal. Los experimentos muestran que los metales de grano fino a temperatura ambiente tienen mayor resistencia, dureza, plasticidad y tenacidad que los metales de grano grueso. Esto se debe a que los granos finos sufren deformación plástica bajo una fuerza externa y pueden dispersarse en más granos, la deformación plástica es más uniforme y la concentración de tensión es menor; además, cuanto más finos son los granos, mayor es el área de los límites de los granos y más tortuosos son los límites de los granos. Cuanto más desfavorable sea la propagación de grietas. Por lo tanto, el método para mejorar la resistencia del material refinando los granos de cristal se denomina en la industria fortalecimiento por refinamiento de granos.

3. Efecto

Cuanto menor sea el tamaño del grano, menor será el número de dislocaciones (n) en el grupo de dislocaciones. Según τ=nτ0, cuanto menor sea la concentración de tensiones, mayor será la resistencia del material;

La ley del fortalecimiento de grano fino es que cuantos más límites de grano, más finos serán los granos. Según la relación Hall-Peiqi, cuanto menor sea el valor medio (d) de los granos, mayor será el límite elástico del material.

4. El método de refinamiento del grano.

Aumentar el grado de subenfriamiento;

Tratamiento del deterioro;

Vibración y agitación;

Para metales deformados en frío, los granos de cristal se pueden refinar controlando el grado de deformación y la temperatura de recocido.

Refuerzo segunda fase

1. Definición

En comparación con las aleaciones monofásicas, las aleaciones multifásicas tienen una segunda fase además de la fase matriz. Cuando la segunda fase se distribuye uniformemente en la fase de matriz con partículas finas dispersas, tendrá un efecto de fortalecimiento significativo. Este efecto fortalecedor se denomina fortalecimiento de la segunda fase.

2. Clasificación

Para el movimiento de las dislocaciones, la segunda fase contenida en la aleación presenta las dos situaciones siguientes:

(1) Refuerzo de partículas indeformables (mecanismo de derivación).

(2) Refuerzo de partículas deformables (mecanismo de corte).

Tanto el fortalecimiento por dispersión como el fortalecimiento por precipitación son casos especiales de fortalecimiento de segunda fase.

3. Efecto

La razón principal del fortalecimiento de la segunda fase es la interacción entre ellas y la dislocación, lo que dificulta el movimiento de la dislocación y mejora la resistencia a la deformación de la aleación.

para resumir

Los factores más importantes que afectan la resistencia son la composición, estructura y estado de la superficie del propio material; el segundo es el estado de la fuerza, como la velocidad de la fuerza, el método de carga, el estiramiento simple o la fuerza repetida, mostrarán diferentes fuerzas; Además, la geometría y el tamaño de la muestra y del medio de ensayo también tienen una gran influencia, a veces incluso decisiva. Por ejemplo, la resistencia a la tracción del acero de ultra alta resistencia en una atmósfera de hidrógeno puede disminuir exponencialmente.

Sólo hay dos formas de reforzar los materiales metálicos. Una es aumentar la fuerza de enlace interatómico de la aleación, aumentar su resistencia teórica y preparar un cristal completo sin defectos, como bigotes. Se sabe que la resistencia de los bigotes de hierro se acerca al valor teórico. Se puede considerar que esto se debe a que no existen dislocaciones en los bigotes, o solo una pequeña cantidad de dislocaciones que no pueden proliferar durante el proceso de deformación. Desafortunadamente, cuando el diámetro del bigote es mayor, la fuerza cae bruscamente. Otro enfoque de fortalecimiento es introducir una gran cantidad de defectos cristalinos en el cristal, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas altamente dispersas o faltas de homogeneidad (como la segregación), etc. Estos defectos dificultan el movimiento de las dislocaciones y También mejora significativamente la resistencia del metal. Los hechos han demostrado que esta es la forma más eficaz de aumentar la resistencia de los metales. En el caso de los materiales de ingeniería, generalmente se logra mediante efectos de fortalecimiento integrales un mejor rendimiento integral.