01. Ενίσχυση Στερεού Διαλύματος
Ορισμός
Η ενίσχυση στερεού διαλύματος είναι το φαινόμενο όπου τα στοιχεία κράματος διαλύονται στο βασικό μέταλλο, προκαλώντας παραμόρφωση του πλέγματος και αυξάνοντας την αντοχή του κράματος.
Αρχή
Τα άτομα διαλυμένης ουσίας που διαλύονται στο στερεό διάλυμα δημιουργούν παραμόρφωση πλέγματος, η οποία αυξάνει την αντίσταση στην κίνηση εξάρθρωσης, καθιστώντας την ολίσθηση πιο δύσκολη. Ως αποτέλεσμα, η αντοχή και η σκληρότητα του στερεού διαλύματος του κράματος αυξάνονται. Αυτός ο μηχανισμός ενίσχυσης βασίζεται στη διάλυση ατόμων διαλυμένης ουσίας για να σχηματιστεί ένα στερεό διάλυμα. Με την κατάλληλη συγκέντρωση διαλυμένης ουσίας, η αντοχή και η σκληρότητα του υλικού βελτιώνονται, αν και η σκληρότητα και η ολκιμότητα του μπορεί να μειωθούν.
Παράγοντες που επηρεάζουν
Όσο υψηλότερο είναι το ατομικό κλάσμα των ατόμων διαλυμένης ουσίας, τόσο ισχυρότερο είναι το ενισχυτικό αποτέλεσμα, ειδικά σε χαμηλές συγκεντρώσεις.
Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά μεγέθους μεταξύ των ατόμων διαλυμένης ουσίας και βασικού μετάλλου, τόσο πιο σημαντική είναι η ενίσχυση.
Τα ενδιάμεσα άτομα διαλυμένης ουσίας έχουν ισχυρότερο ενισχυτικό αποτέλεσμα από τα υποκατάστατα. Στους κυβικούς κρυστάλλους-στο κέντρο, τα ενδιάμεσα άτομα προκαλούν ασύμμετρη παραμόρφωση δικτυωτού πλέγματος, με αποτέλεσμα μεγαλύτερη ενίσχυση από ό,τι στους κεντρικούς κυβικούς κρυστάλλους του προσώπου-. Ωστόσο, η διαλυτότητα των ενδιάμεσων ατόμων είναι περιορισμένη.
Όσο μεγαλύτερη είναι η διαφορά στους αριθμούς των ηλεκτρονίων σθένους μεταξύ των ατόμων διαλυμένης ουσίας και βάσης, τόσο ισχυρότερο είναι το φαινόμενο ενίσχυσης. Η ισχύς διαρροής αυξάνεται με τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων.
Ο βαθμός ενδυνάμωσης εξαρτάται από:
Διαφορά μεγέθους μεταξύ ατόμων διαλυμένης ουσίας και βάσης: Η μεγαλύτερη αναντιστοιχία μεγέθους αυξάνει την αντίσταση στην εξάρθρωση.
Ποσότητα στοιχείων κράματος: Περισσότερο κράμα=ισχυρότερο αποτέλεσμα, αλλά υπερβολικές ποσότητες μπορεί να υπερβούν το όριο διαλυτότητας και να απαιτούν άλλες μεθόδους ενίσχυσης, όπως η ενίσχυση δεύτερης φάσης.
Τα ενδιάμεσα άτομα ενισχύονται περισσότερο από τα άτομα υποκατάστασης.
Η διαφορά ηλεκτρονίων σθένους μεταξύ διαλυμένης ουσίας και μετάλλου μήτρας ενισχύει την ενίσχυση.
Υπάρχοντα
Η αντοχή διαρροής, η αντοχή σε εφελκυσμό και η σκληρότητα υπερβαίνουν αυτές των καθαρών μετάλλων.
Γενικά χαμηλότερη ολκιμότητα σε σύγκριση με τα καθαρά μέταλλα.
Χαμηλότερη ηλεκτρική αγωγιμότητα από τα καθαρά μέταλλα.
Βελτιωμένη αντίσταση ερπυσμού και αντοχή σε υψηλές-θερμοκρασίες.
02. Work Hardening (Strain Hardening)
Ορισμός
Καθώς η ψυχρή παραμόρφωση αυξάνεται, η αντοχή και η σκληρότητα ενός μετάλλου αυξάνονται, ενώ η πλαστικότητα και η σκληρότητα μειώνονται.
Επισκόπηση
Όταν τα μέταλλα παραμορφώνονται πλαστικά κάτω από τη θερμοκρασία ανακρυστάλλωσής τους, γίνονται ισχυρότερα και σκληρότερα αλλά λιγότερο όλκιμα και σκληρά. Γνωστή και ως ψυχρή σκλήρυνση. Κατά τη διάρκεια της πλαστικής παραμόρφωσης, οι εξαρθρώσεις εμπλέκονται, οι κόκκοι επιμηκύνονται, σπάνε και γίνονται ινώδεις. Εισάγεται υπολειμματική τάση. Ο βαθμός σκλήρυνσης συνήθως μετριέται από την αναλογία της μικροσκληρότητας της επιφάνειας πριν και μετά την παραμόρφωση και το βάθος του σκληρυμένου στρώματος.
Εξήγηση Θεωρίας Εξάρθρωσης
Οι εξαρθρώσεις τέμνονται και σχηματίζουν βήμα{0}}όπως εμπόδια στην κίνηση.
Τα εξαρθρήματα αντιδρούν για να σχηματίσουν ακίνητα εξαρθρήματα που εμποδίζουν την κίνηση.
Ο πολλαπλασιασμός της εξάρθρωσης αυξάνει την πυκνότητα, εμποδίζοντας περαιτέρω την κίνηση.
Μειονεκτήματα
Η σκλήρυνση εργασίας περιπλέκει την περαιτέρω επεξεργασία. Για παράδειγμα, ο χάλυβας-ψυχρής έλασης γίνεται όλο και πιο σκληρός και αδύνατος, απαιτώντας ενδιάμεση ανόπτηση για να μαλακώσει. Στη μηχανική κατεργασία, η επιφανειακή σκλήρυνση αυξάνει τη δύναμη κοπής και τη φθορά του εργαλείου.
Οφέλη
Βελτιώνει την αντοχή του μετάλλου, τη σκληρότητα και την αντοχή στη φθορά, ειδικά για καθαρά μέταλλα και κράματα που δεν μπορούν να ενισχυθούν με θερμική επεξεργασία (π.χ. σύρματα κρύου-υψηλής-αντοχής, ψυχρής-έλασης ελατηρίων, ράγες δεξαμενής, σιαγόνες θραυστήρα, διακόπτες σιδηροδρόμου).
Εφαρμογές στη Μηχανολογία
Το κρύο σχέδιο, η κύλιση και η βολή αυξάνουν σημαντικά την επιφανειακή αντοχή των υλικών και των εξαρτημάτων.
Η εντοπισμένη πλαστική παραμόρφωση υπό πίεση μπορεί να περιοριστεί λόγω της σκλήρυνσης εργασίας, βελτιώνοντας την ασφάλεια των εξαρτημάτων.
Στη σφράγιση, οι σκληρυμένες περιοχές κατευθύνουν την παραμόρφωση σε πιο μαλακές περιοχές, επιτρέποντας ομοιόμορφη παραμόρφωση σε όλες τις τομές.
Βελτιώνει τη δυνατότητα μηχανικής κατεργασίας των χάλυβων χαμηλών-άνθρακα διευκολύνοντας τον διαχωρισμό των τσιπς. Ωστόσο, αυξάνει την κατανάλωση ενέργειας στην περαιτέρω επεξεργασία και τη φθορά των εργαλείων στη μηχανική κατεργασία.
03. Ενίσχυση ραφιναρίσματος σιτηρών
Ορισμός
Η ενίσχυση του καθαρισμού των κόκκων βελτιώνει τις μηχανικές ιδιότητες μειώνοντας το μέγεθος των κόκκων.
Αρχή
Τα μέταλλα είναι πολυκρυσταλλικά. Μικρότεροι κόκκοι (δηλαδή περισσότεροι κόκκοι ανά μονάδα όγκου) έχουν ως αποτέλεσμα υψηλότερη αντοχή, σκληρότητα, πλαστικότητα και σκληρότητα. Οι λεπτότεροι κόκκοι κατανέμουν την παραμόρφωση πιο ομοιόμορφα, μειώνουν τη συγκέντρωση τάσεων και εμποδίζουν τη διάδοση των ρωγμών. Έτσι, η διύλιση των κόκκων ενισχύει τη δύναμη.
Υπάρχοντα
Οι λεπτότεροι κόκκοι μειώνουν την καταπόνηση-από την εξάρθρωση, αυξάνοντας την αντοχή.
Σύμφωνα με τη σχέση Hall–Petch, το μικρότερο μέγεθος κόκκου ddd οδηγεί σε υψηλότερη αντοχή διαρροής.
Μέθοδοι εξευγενισμού κόκκων
Αυξήστε την υποψύξη.
Εμβολιαστική θεραπεία.
Δόνηση και ανάδευση κατά τη στερεοποίηση.
Σε ψυχρά-παραμορφωμένα μέταλλα: έλεγχος του βαθμού παραμόρφωσης και της θερμοκρασίας ανόπτησης.
04. Δεύτερη Φάση Ενίσχυση
Ορισμός
Στα πολυφασικά κράματα, εκτός από τη φάση της μήτρας, υπάρχει μια δεύτερη φάση. Όταν τα λεπτά διασκορπισμένα σωματίδια δεύτερης{{1} φάσης κατανέμονται ομοιόμορφα στη μήτρα, ενισχύουν σημαντικά το κράμα. Αυτό είναι γνωστό ως ενίσχυση δεύτερης-φάσης.
Τύποι
Από την άποψη της μετατόπισης, τα σωματίδια δεύτερης-φάσης ταξινομούνται σε:
Μη{0}}μη παραμορφώσιμα σωματίδια: ενίσχυση μέσω μηχανισμού παράκαμψης (μηχανισμός Orowan).
Παραμορφώσιμα σωματίδια: ενίσχυση μέσω μηχανισμού κοπής.
Η ενίσχυση με διασποροειδές και η σκλήρυνση λόγω καθίζησης είναι συγκεκριμένες μορφές ενίσχυσης δεύτερης- φάσης.
Υπάρχοντα
Τα σωματίδια δεύτερης-φάσης αλληλεπιδρούν με τις εξαρθρώσεις, εμποδίζοντας την κίνησή τους και αυξάνοντας την αντίσταση του κράματος στην παραμόρφωση.
Άλλοι Παράγοντες που Επηρεάζουν τη Δύναμη
Η σύνθεση, η μικροδομή και η επιφανειακή κατάσταση του κράματος.
Συνθήκη φόρτωσης: ρυθμός, τρόπος λειτουργίας (εφελκυσμός έναντι κυκλικής).
Γεωμετρία δειγμάτων και περιβάλλον δοκιμής (π.χ. η ευθραυστότητα του υδρογόνου μπορεί να μειώσει δραστικά την αντοχή).
Περίληψη Ενδυνάμωσης Προσεγγίσεων
Δύο βασικοί δρόμοι για την ενίσχυση των μετάλλων:
Αυξήστε τη δύναμη ατομικού δεσμού και δημιουργήστε-ελεύθερους κρυστάλλους (π.χ. μουστάκια).
Εισαγάγετε ελαττώματα (εξαρθρώσεις, άτομα διαλυμένης ουσίας, όρια κόκκων, κ.λπ.) για να εμποδίσετε την κίνηση της εξάρθρωσης - που έχει αποδειχθεί ότι είναι η πιο αποτελεσματική μέθοδος.
Τα υλικά μηχανικής βασίζονται συνήθως σε έναν συνδυασμό μηχανισμών ενίσχυσης για την επίτευξη βέλτιστης απόδοσης.
