Fortalecimiento de solución sólida

1. Definición

Un fenómeno en el que los elementos de aleación se disuelven en el metal base para causar un cierto grado de distorsión de la red y así 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 la dureza de la solución sólida de la aleación.Este fenómeno de endurecimiento del metal mediante la disolución de cierto elemento soluto para formar una solución sólida se denomina endurecimiento por solución sólida.Cuando la concentración de átomos de soluto es la adecuada, la resistencia y la dureza del material pueden aumentar, pero su dureza y plasticidad disminuyen.

3. Factores que influyen

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

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

Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto de fortalecimiento de la solución sólida que los átomos de reemplazo, y debido a que la distorsión de la red de los átomos intersticiales en los cristales cúbicos centrados en el cuerpo es asimétrica, su efecto de fortalecimiento 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 de fortalecimiento real también es limitado.

Cuanto mayor sea la diferencia en el número de electrones de valencia entre los átomos del soluto y el metal base, más evidente será 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 de fortalecimiento.Si demasiados átomos son demasiado grandes o demasiado pequeños, se excederá la solubilidad.Esto implica otro mecanismo de fortalecimiento, el fortalecimiento de la fase dispersa.

Los átomos de soluto intersticiales tienen un mayor efecto de fortalecimiento 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 de fortalecimiento 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 más baja que el metal puro;

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

Endurecimiento de trabajo

1. Definición

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

2. Introducción

Fenómeno en el que la resistencia y la 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 enredan, lo que hace que los granos de cristal se alarguen, se rompan y se fibricen, y se generen tensiones residuales en el metal.El grado de endurecimiento por trabajo generalmente se expresa por la relación entre la microdureza de la capa superficial después del procesamiento y antes del procesamiento y la profundidad de la capa endurecida.

3. Interpretación desde la perspectiva de la teoría de la dislocación

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

(2) Ocurre una reacción entre las dislocaciones, y la dislocación fija formada dificulta 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 dislocaciones.

4. Daño

El endurecimiento por trabajo trae dificultades para el procesamiento posterior de piezas metálicas.Por ejemplo, en el proceso de laminado en frío de la placa de acero, se volverá 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 en el proceso de corte, acelerando así el desgaste de la herramienta y aumentando la fuerza de corte.

5. Beneficios

Puede mejorar la resistencia, la dureza y la resistencia al desgaste de los metales, especialmente para 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 enrollado en frío, etc., utilizan la 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 vías férreas.

6. Papel en la ingeniería mecánica

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

Después de que las piezas se tensan, la tensión local de ciertas piezas a menudo supera el límite de elasticidad del material, lo que provoca una deformación plástica.Debido al endurecimiento por trabajo, se restringe el desarrollo continuo de la deformación plástica, lo que puede mejorar la seguridad de las piezas y los componentes;

Cuando se estampa una pieza o componente metálico, su deformación plástica va acompañada de un reforzamiento, de modo que la deformación se transfiere a la pieza endurecida sin trabajar que la rodea.Después de tales 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 hacer que las virutas sean fáciles de separar.Pero el endurecimiento por trabajo también trae dificultades para el procesamiento posterior de piezas metálicas.Por ejemplo, el alambre de acero estirado en frío consume mucha energía para seguir estirando debido al endurecimiento por trabajo, e incluso puede romperse.Por lo tanto, debe recocerse para eliminar el endurecimiento por trabajo antes del estirado.Otro ejemplo es que para hacer que la superficie de la pieza de trabajo se vuelva quebradiza y dura durante el corte, la fuerza de corte aumenta durante el 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 mediante el refinado de los granos de cristal se denomina refuerzo de refinado de cristal.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 por 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 la 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 del límite de grano y más tortuosos los límites de grano.Cuanto más desfavorable 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 de 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 de fortalecimiento del fortalecimiento de grano fino es que cuantos más límites de grano, más finos son los granos.Según la relación de Hall-Peiqi, cuanto menor sea el valor medio (d) de los granos, mayor será el límite elástico del material.

4. El método de refinamiento de grano.

Aumentar el grado de subenfriamiento;

Tratamiento de deterioro;

Vibración y agitación;

Para los 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 matriz con partículas finas dispersas, tendrá un efecto fortalecedor significativo.Este efecto de fortalecimiento se denomina fortalecimiento de la segunda fase.

2. Clasificación

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

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

(2) Refuerzo de partículas deformables (mecanismo cut-through).

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

3. Efecto

La razón principal del fortalecimiento de la segunda fase es la interacción entre ellos 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 a la resistencia son la composición, la estructura y el estado superficial 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, mostrará diferentes puntos fuertes;Además, la geometría y el tamaño de la muestra y el medio de prueba 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 caer exponencialmente.

Solo hay dos formas de fortalecer los materiales metálicos.Una es aumentar la fuerza de unión interatómica de la aleación, aumentar su resistencia teórica y preparar un cristal completo sin defectos, como bigotes.Se sabe que la fuerza de los bigotes de hierro está cerca del 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 en el cristal, como dislocaciones, defectos puntuales, átomos heterogéneos, límites de grano, partículas altamente dispersas o falta de homogeneidad (como la segregación), etc. Estos defectos dificultan el movimiento de dislocaciones y También mejora significativamente la resistencia del metal.Los hechos han demostrado que esta es la forma más efectiva de aumentar la resistencia de los metales.Para materiales de ingeniería, generalmente es a través de efectos de fortalecimiento integral para lograr un mejor rendimiento integral.