01. Jačanje čvrstim rastvorom
Definicija
Ojačanje čvrstim rastvorom je fenomen u kojem se legirajući elementi rastvaraju u osnovnom metalu, uzrokujući izobličenje rešetke i povećavajući čvrstoću legure.
Princip
Otopljeni atomi koji se rastvaraju u čvrstom rastvoru stvaraju izobličenje rešetke, što povećava otpornost na kretanje dislokacije, što otežava klizanje. Kao rezultat, povećava se čvrstoća i tvrdoća čvrste otopine legure. Ovaj mehanizam jačanja oslanja se na otapanje atoma otopljene tvari kako bi se formirala čvrsta otopina. Uz odgovarajuću koncentraciju otopljene tvari, snaga i tvrdoća materijala se poboljšavaju, iako se njegova žilavost i duktilnost mogu smanjiti.
Faktori utjecaja
Što je veći atomski udio atoma otopljene tvari, jači je učinak jačanja, posebno pri niskim koncentracijama.
Što je veća razlika u veličini između atoma otopljene tvari i atoma osnovnog metala, to je značajnije jačanje.
Intersticijski atomi rastvorene supstance imaju jači efekat jačanja od supstitucijskih. U kubičnim kristalima{1}}centriranim na tijelo, međuprostorni atomi uzrokuju asimetričnu distorziju rešetke, što rezultira većim jačanjem nego u kubičnim kristalima{2}}centriranim na lice. Međutim, rastvorljivost intersticijskih atoma je ograničena.
Što je veća razlika u broju valentnih elektrona između atoma otopljene tvari i baznih atoma, jači je učinak jačanja. Granica tečenja raste sa koncentracijom elektrona.
Stepen jačanja zavisi od:
Razlika u veličini između otopljenih i baznih atoma: Veća neusklađenost veličine povećava otpornost dislokacija.
Količina legirajućih elemenata: Više legiranja=jači efekat, ali prevelike količine mogu premašiti granicu rastvorljivosti i zahtijevati druge metode ojačanja kao što je ojačanje u drugoj fazi.
Intersticijski atomi jačaju više od supstitucijskih atoma.
Razlika valentnih elektrona između otopljene tvari i metala matriksa pojačava jačanje.
Efekti
Granica tečenja, zatezna čvrstoća i tvrdoća premašuju one kod čistih metala.
Generalno niža duktilnost u poređenju sa čistim metalima.
Niža električna provodljivost od čistih metala.
Poboljšana otpornost na puzanje i otpornost{0}}na visoke temperature.
02. Work Hardening (Strain Hardening)
Definicija
Kako se hladna deformacija povećava, čvrstoća i tvrdoća metala rastu, dok se plastičnost i žilavost smanjuju.
Pregled
Kada se metali plastično deformišu ispod temperature rekristalizacije, postaju jači i tvrđi, ali manje duktilni i žilavi. Poznato i kao hladno očvršćavanje. Tijekom plastične deformacije, dislokacije se zapliću, zrna se izdužuju, lome i postaju vlaknasta. Uvodi se rezidualni napon. Stupanj otvrdnjavanja se obično mjeri omjerom površinske mikrotvrdoće prije i poslije deformacije i dubine očvrslog sloja.
Objašnjenje teorije dislokacije
Dislokacije se ukrštaju i formiraju stepenice-kao prepreke za kretanje.
Dislokacije reagiraju formiranjem nepokretnih dislokacija koje ometaju kretanje.
Umnožavanje dislokacija povećava gustinu, dodatno ometajući kretanje.
Nedostaci
Radno kaljenje otežava dalju obradu. Na primjer, hladno{1}}čelik postaje sve tvrđi i neobradiv, zahtijevajući srednje žarenje da bi omekšao. U mašinskoj obradi, površinsko kaljenje povećava silu rezanja i habanje alata.
Prednosti
Poboljšava čvrstoću metala, tvrdoću i otpornost na habanje, posebno za čiste metale i legure koje se ne mogu ojačati termičkom obradom (npr. hladno-žice visoke-čvrste čvrstoće, hladno-opruge, cisterne, čeljusti drobilice, skretnice).
Primjena u mašinstvu
Hladno izvlačenje, valjanje i sačmarenje uvelike povećavaju površinsku čvrstoću materijala i komponenti.
Lokalizirana plastična deformacija pod naprezanjem može biti ograničena zbog radnog očvršćavanja, poboljšavajući sigurnost komponenti.
Kod štancanja, očvrsnute oblasti usmjeravaju deformaciju na mekše dijelove, omogućavajući ujednačenu deformaciju po presjecima.
Poboljšava obradivost nisko{0}}ugljičnih čelika olakšavajući odvajanje strugotina. Međutim, povećava potrošnju energije u daljoj obradi i trošenje alata u strojnoj obradi.
03. Jačanje rafiniranja zrna
Definicija
Jačanje rafiniranja zrna poboljšava mehanička svojstva smanjenjem veličine zrna.
Princip
Metali su polikristalni. Manja zrna (tj. više zrna po jedinici zapremine) rezultiraju većom čvrstoćom, tvrdoćom, plastičnošću i žilavošću. Finija zrna ravnomjernije raspoređuju deformaciju, smanjuju koncentraciju naprezanja i ometaju širenje pukotina. Dakle, rafiniranje zrna povećava snagu.
Efekti
Sitnija zrna smanjuju naprezanje dislokacije{0}}i povećavaju snagu.
Prema Hall–Petch relaciji, manja veličina zrna ddd dovodi do veće granice popuštanja.
Metode oplemenjivanja žitarica
Povećajte pothlađenje.
Tretman inokulacijom.
Vibracije i mešanje tokom skrućivanja.
Kod hladno{0}}deformisanih metala: kontrola stepena deformacije i temperature žarenja.
04. Druga faza jačanja
Definicija
U višefaznim legurama, osim matrične faze, postoji i druga faza. Kada su fino dispergovane čestice druge{1}}faze jednoliko raspoređene u matrici, one značajno ojačavaju leguru. Ovo je poznato kao druga-faza jačanja.
Vrste
Iz perspektive kretanja dislokacije, čestice druge{0}}faze se klasificiraju na:
Ne-čestice koje se ne mogu deformirati: ojačanje putem premosnog mehanizma (Orowan mehanizam).
Deformabilne čestice: ojačanje mehanizmom za sečenje.
Disperzijsko ojačanje i taložno očvršćavanje su specifični oblici ojačanja druge-faze.
Efekti
Čestice druge{0}}faze stupaju u interakciju sa dislokacijama, ometajući njihovo kretanje i povećavajući otpornost legure na deformacije.
Drugi faktori koji utiču na snagu
Sastav legure, mikrostruktura i površinsko stanje.
Uvjeti opterećenja: brzina, način rada (zatezni vs. ciklički).
Geometrija uzorka i okruženje za testiranje (npr. krhkost vodikom može drastično smanjiti čvrstoću).
Jačanje pristupa Sažetak
Dva glavna puta za jačanje metala:
Povećajte atomsku silu vezivanja i stvorite{0}}kristale bez defekata (npr. brkove).
Uvesti defekte (dislokacije, atomi otopljene tvari, granice zrna, itd.) kako bi se spriječilo kretanje dislokacija - dokazano najefikasnija metoda.
Inženjerski materijali se obično oslanjaju na kombinaciju mehanizama za jačanje za postizanje optimalnih performansi.
