تقویت با محلول جامد
۱. تعریف
پدیدهای که در آن عناصر آلیاژی در فلز پایه حل میشوند تا درجه خاصی از اعوجاج شبکه ایجاد شود و در نتیجه استحکام آلیاژ افزایش یابد.
۲. اصل
اتمهای حلشونده حلشده در محلول جامد باعث اعوجاج شبکه میشوند که مقاومت در برابر حرکت نابجاییها را افزایش میدهد، لغزش را دشوار میکند و استحکام و سختی محلول جامد آلیاژ را افزایش میدهد. این پدیده تقویت فلز با حل کردن یک عنصر حلشونده خاص برای تشکیل یک محلول جامد، تقویت محلول جامد نامیده میشود. هنگامی که غلظت اتمهای حلشونده مناسب باشد، استحکام و سختی ماده میتواند افزایش یابد، اما چقرمگی و انعطافپذیری آن کاهش یافته است.
۳. عوامل مؤثر
هرچه کسر اتمی اتمهای حلشونده بیشتر باشد، اثر تقویتکنندگی بیشتر است، بهویژه وقتی کسر اتمی بسیار کم باشد، اثر تقویتکنندگی قابل توجهتر است.
هرچه اختلاف بین اتمهای حلشونده و اندازه اتمی فلز پایه بیشتر باشد، اثر تقویتکنندگی بیشتر است.
اتمهای حلشونده بیننشینی اثر تقویتکنندگی محلول جامد بیشتری نسبت به اتمهای جانشینی دارند و از آنجا که اعوجاج شبکه اتمهای بیننشینی در بلورهای مکعبی مرکزپر نامتقارن است، اثر تقویتکنندگی آنها بیشتر از بلورهای مکعبی مرکزپر است؛ اما اتمهای بیننشینی در جامدات بسیار محدود هستند، بنابراین اثر تقویتکنندگی واقعی آنها نیز محدود است.
هرچه اختلاف تعداد الکترونهای ظرفیت بین اتمهای حلشونده و فلز پایه بیشتر باشد، اثر تقویتکنندگی محلول جامد آشکارتر است، یعنی استحکام تسلیم محلول جامد با افزایش غلظت الکترونهای ظرفیت افزایش مییابد.
۴. میزان استحکامبخشی محلول جامد عمدتاً به عوامل زیر بستگی دارد
تفاوت اندازه بین اتمهای زمینه و اتمهای حلشونده. هرچه تفاوت اندازه بیشتر باشد، تداخل در ساختار بلوری اصلی بیشتر و لغزش نابجاییها دشوارتر است.
مقدار عناصر آلیاژی. هرچه عناصر آلیاژی بیشتری اضافه شوند، اثر تقویتکنندگی بیشتر میشود. اگر تعداد اتمها خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشند، از حد حلالیت تجاوز خواهد شد. این شامل مکانیسم تقویتکنندگی دیگری به نام تقویتکنندگی فاز پراکنده است.
اتمهای حلشونده بیننشینی اثر تقویتکنندگی محلول جامد بیشتری نسبت به اتمهای جایگزین دارند.
هرچه اختلاف تعداد الکترونهای ظرفیت بین اتمهای حلشونده و فلز پایه بیشتر باشد، اثر استحکامبخشی محلول جامد بیشتر است.
۵. اثر
استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی آنها از فلزات خالص قویتر است؛
در بیشتر موارد، شکلپذیری آن کمتر از فلز خالص است؛
رسانایی بسیار کمتر از فلز خالص است؛
مقاومت خزش یا افت استحکام در دماهای بالا، میتواند با تقویت محلول جامد بهبود یابد.
سخت کاری
۱. تعریف
با افزایش درجه تغییر شکل سرد، استحکام و سختی مواد فلزی افزایش مییابد، اما انعطافپذیری و چقرمگی کاهش مییابد.
۲. مقدمه
پدیدهای که در آن استحکام و سختی مواد فلزی هنگام تغییر شکل پلاستیک در زیر دمای تبلور مجدد افزایش مییابد، در حالی که پلاستیسیته و چقرمگی کاهش مییابد. همچنین به عنوان سختکاری سرد شناخته میشود. دلیل آن این است که وقتی فلز تغییر شکل پلاستیک میدهد، دانههای کریستال میلغزند و نابجاییها درگیر میشوند که باعث میشود دانههای کریستال کشیده، شکسته و فیبری شوند و تنشهای پسماند در فلز ایجاد شود. درجه سختکاری معمولاً با نسبت ریزسختی لایه سطحی پس از پردازش به قبل از پردازش و عمق لایه سخت شده بیان میشود.
۳. تفسیر از منظر نظریهی نابجایی
(1) تقاطع بین نابجاییها رخ میدهد و بریدگیهای حاصل مانع حرکت نابجاییها میشوند؛
(2) واکنشی بین نابجاییها رخ میدهد و نابجایی ثابت تشکیلشده مانع حرکت نابجایی میشود؛
(3) تکثیر نابجاییها رخ میدهد و افزایش چگالی نابجاییها، مقاومت در برابر حرکت نابجاییها را بیشتر افزایش میدهد.
۴. آسیب
سختکاری، پردازش بیشتر قطعات فلزی را با مشکل مواجه میکند. به عنوان مثال، در فرآیند نورد سرد ورق فولادی، نورد آن سختتر و سختتر میشود، بنابراین لازم است در طول فرآیند پردازش، آنیل میانی ترتیب داده شود تا با گرم کردن، سختکاری آن از بین برود. مثال دیگر، شکننده و سخت شدن سطح قطعه کار در فرآیند برش است که در نتیجه سایش ابزار را تسریع کرده و نیروی برش را افزایش میدهد.
۵. مزایا
این روش میتواند استحکام، سختی و مقاومت به سایش فلزات را بهبود بخشد، به خصوص برای آن دسته از فلزات خالص و آلیاژهای خاصی که نمیتوان آنها را با عملیات حرارتی بهبود بخشید. به عنوان مثال، سیم فولادی با استحکام بالا که به روش سرد کشیده شده و فنر کلاف سرد و غیره، از تغییر شکل کار سرد برای بهبود استحکام و حد الاستیک خود استفاده میکنند. مثال دیگر، استفاده از سختکاری برای بهبود سختی و مقاومت به سایش مخازن، ریلهای تراکتور، فکهای سنگشکن و سوزنهای راهآهن است.
۶. نقش در مهندسی مکانیک
پس از کشش سرد، نورد و ساچمهزنی (به تقویت سطح مراجعه کنید) و سایر فرآیندها، استحکام سطح مواد فلزی، قطعات و اجزای سازنده میتواند به طور قابل توجهی بهبود یابد.
پس از اعمال تنش به قطعات، تنش موضعی قطعات خاص اغلب از حد تسلیم ماده فراتر میرود و باعث تغییر شکل پلاستیک میشود. به دلیل سختکاری، توسعه مداوم تغییر شکل پلاستیک محدود میشود که میتواند ایمنی قطعات و اجزا را بهبود بخشد.
وقتی یک قطعه یا جزء فلزی مهرزنی میشود، تغییر شکل پلاستیکی آن با تقویت همراه است، به طوری که تغییر شکل به قسمت سخت شده کار نشده اطراف آن منتقل میشود. پس از چنین اقدامات متناوب و مکرر، قطعات مهرزنی سرد با تغییر شکل مقطع یکنواخت قابل دستیابی هستند.
این میتواند عملکرد برش فولاد کم کربن را بهبود بخشد و جدا کردن برادهها را آسان کند. اما سختکاری همچنین مشکلاتی را برای پردازش بیشتر قطعات فلزی ایجاد میکند. به عنوان مثال، سیم فولادی سرد کشیده شده به دلیل سختکاری، انرژی زیادی برای کشش بیشتر مصرف میکند و حتی ممکن است شکسته شود. بنابراین، باید قبل از کشش، آنیل شود تا سختکاری از بین برود. مثال دیگر این است که برای اینکه سطح قطعه کار در حین برش شکننده و سخت شود، نیروی برش در حین برش مجدد افزایش مییابد و سایش ابزار تسریع میشود.
تقویت ریزدانه
۱. تعریف
روش بهبود خواص مکانیکی مواد فلزی با پالایش دانههای کریستالی، استحکامبخشی به روش پالایش کریستالی نامیده میشود. در صنعت، استحکام ماده با پالایش دانههای کریستالی بهبود مییابد.
۲. اصل
فلزات معمولاً پلیکریستالهایی هستند که از دانههای کریستالی زیادی تشکیل شدهاند. اندازه دانههای کریستالی را میتوان با تعداد دانههای کریستالی در واحد حجم بیان کرد. هرچه تعداد آنها بیشتر باشد، دانههای کریستالی ریزتر هستند. آزمایشها نشان میدهد که فلزات ریزدانه در دمای اتاق، استحکام، سختی، انعطافپذیری و چقرمگی بالاتری نسبت به فلزات درشتدانه دارند. دلیل این امر این است که دانههای ریز تحت نیروی خارجی تغییر شکل پلاستیک میدهند و میتوانند در دانههای بیشتری پراکنده شوند، تغییر شکل پلاستیک یکنواختتر است و تمرکز تنش کمتر است. علاوه بر این، هرچه دانهها ریزتر باشند، مساحت مرز دانه بزرگتر و مرزهای دانه پرپیچ و خمتر است. انتشار ترکها نامطلوبتر است. بنابراین، روش بهبود استحکام ماده با پالایش دانههای کریستالی، در صنعت، تقویت پالایش دانه نامیده میشود.
۳. اثر
هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، تعداد نابجاییها (n) در خوشه نابجایی کمتر است. طبق τ=nτ0، هرچه تمرکز تنش کمتر باشد، استحکام ماده بیشتر است؛
قانون استحکام بخشی تقویت ریزدانه این است که هرچه مرزدانهها بیشتر باشند، دانهها ریزترند. طبق رابطه هال-پیکی، هرچه مقدار میانگین (d) دانهها کوچکتر باشد، استحکام تسلیم ماده بیشتر است.
۴. روش پالایش دانه
افزایش درجه سابکولینگ؛
درمان زوال؛
لرزش و هم زدن؛
برای فلزات تغییر شکل یافته در سرما، دانههای کریستالی را میتوان با کنترل درجه تغییر شکل و دمای آنیل، ریزتر کرد.
تقویت فاز دوم
۱. تعریف
در مقایسه با آلیاژهای تک فاز، آلیاژهای چند فازی علاوه بر فاز زمینه، فاز دومی نیز دارند. هنگامی که فاز دوم به طور یکنواخت در فاز زمینه با ذرات ریز پراکنده توزیع شود، اثر تقویت کنندگی قابل توجهی خواهد داشت. این اثر تقویت کنندگی، تقویت کنندگی فاز دوم نامیده میشود.
۲. طبقهبندی
برای حرکت نابجاییها، فاز دوم موجود در آلیاژ دو وضعیت زیر را دارد:
(1) تقویت ذرات غیر قابل تغییر شکل (مکانیسم بای پس).
(2) تقویت ذرات تغییر شکلپذیر (مکانیسم برش).
هم تقویت پراکندگی و هم تقویت رسوبی، موارد خاصی از تقویت فاز دوم هستند.
۳. اثر
دلیل اصلی تقویت فاز دوم، برهمکنش بین آنها و نابجایی است که مانع حرکت نابجایی شده و مقاومت در برابر تغییر شکل آلیاژ را بهبود میبخشد.
خلاصه کردن
مهمترین عوامل مؤثر بر استحکام، ترکیب، ساختار و حالت سطح خود ماده هستند؛ مورد دوم حالت نیرو است، مانند سرعت نیرو، روش بارگذاری، کشش ساده یا نیروی مکرر، که استحکامهای متفاوتی را نشان میدهد؛ علاوه بر این، هندسه و اندازه نمونه و محیط آزمایش نیز تأثیر زیادی دارند، گاهی اوقات حتی تعیینکننده هستند. به عنوان مثال، استحکام کششی فولاد فوق العاده پراستحکام در جو هیدروژن ممکن است به صورت نمایی کاهش یابد.
تنها دو راه برای تقویت مواد فلزی وجود دارد. یکی افزایش نیروی پیوند بین اتمی آلیاژ، افزایش استحکام نظری آن و تهیه یک کریستال کامل بدون نقص، مانند ویسکرها است. مشخص است که استحکام ویسکرهای آهن نزدیک به مقدار نظری است. میتوان در نظر گرفت که این به این دلیل است که هیچ نابجایی در ویسکرها وجود ندارد، یا فقط مقدار کمی نابجایی وجود دارد که نمیتوانند در طول فرآیند تغییر شکل تکثیر شوند. متأسفانه، وقتی قطر ویسکرها بزرگتر باشد، استحکام به شدت کاهش مییابد. رویکرد دیگر تقویت، وارد کردن تعداد زیادی نقص کریستالی به کریستال، مانند نابجاییها، نقصهای نقطهای، اتمهای ناهمگن، مرز دانهها، ذرات بسیار پراکنده یا ناهمگنیها (مانند جدایش) و غیره است. این نقصها مانع حرکت نابجاییها میشوند و همچنین استحکام فلز را به طور قابل توجهی بهبود میبخشند. حقایق ثابت کردهاند که این موثرترین راه برای افزایش استحکام فلزات است. برای مواد مهندسی، عموماً از طریق اثرات تقویت جامع میتوان به عملکرد جامع بهتری دست یافت.
زمان ارسال: ۲۱ ژوئن ۲۰۲۱