تقویت محلول جامد

1. تعریف

پدیده ای که در آن عناصر آلیاژی در فلز پایه حل می شوند تا باعث ایجاد درجه خاصی از اعوجاج شبکه و در نتیجه افزایش استحکام آلیاژ شوند.

2. اصل

اتم های املاح حل شده در محلول جامد باعث ایجاد اعوجاج شبکه می شوند که مقاومت حرکت نابجایی را افزایش می دهد، لغزش را دشوار می کند و استحکام و سختی محلول جامد آلیاژی را افزایش می دهد.این پدیده تقویت فلز با انحلال یک عنصر املاح خاص برای تشکیل محلول جامد، تقویت محلول جامد نامیده می شود.هنگامی که غلظت اتم های املاح مناسب باشد، می توان استحکام و سختی ماده را افزایش داد، اما چقرمگی و پلاستیسیته آن کاهش یافته است.

3. عوامل تأثیرگذار

هرچه کسر اتمی اتم های املاح بیشتر باشد، اثر تقویتی بیشتر است، به خصوص زمانی که کسر اتمی بسیار کم باشد، اثر تقویتی بیشتر است.

هر چه تفاوت بین اتم های املاح و اندازه اتمی فلز پایه بیشتر باشد، اثر تقویتی بیشتر است.

اتم‌های املاح بینابینی نسبت به اتم‌های جایگزین اثر تقویت‌کننده محلول جامد بیشتری دارند، و چون اعوجاج شبکه‌ای اتم‌های میان‌بافتی در کریستال‌های مکعبی در مرکز بدن نامتقارن است، اثر تقویت‌کنندگی آن‌ها بیشتر از کریستال‌های مکعبی در مرکز صورت است.اما اتم های بینابینی حلالیت جامد بسیار محدود است، بنابراین اثر تقویتی واقعی نیز محدود است.

هرچه اختلاف تعداد الکترون های ظرفیت بین اتم های املاح و فلز پایه بیشتر باشد، اثر تقویت محلول جامد آشکارتر می شود، یعنی با افزایش غلظت الکترون ظرفیت، قدرت تسلیم محلول جامد افزایش می یابد.

4. درجه تقویت محلول جامد عمدتاً به عوامل زیر بستگی دارد

تفاوت اندازه بین اتم های ماتریس و اتم های املاح.هرچه تفاوت اندازه بیشتر باشد، تداخل بیشتر با ساختار کریستالی اصلی و لغزش نابجایی دشوارتر است.

مقدار عناصر آلیاژی.هرچه عناصر آلیاژی بیشتری اضافه شود، اثر تقویتی بیشتر است.اگر تعداد زیادی اتم خیلی بزرگ یا خیلی کوچک باشد، حلالیت بیش از حد خواهد بود.این شامل یک مکانیسم تقویت کننده دیگر، تقویت فاز پراکنده است.

اتم های املاح بینابینی نسبت به اتم های جایگزین اثر تقویت کننده محلول جامد بیشتری دارند.

هرچه تفاوت تعداد الکترون های ظرفیت بین اتم های املاح و فلز پایه بیشتر باشد، اثر تقویت محلول جامد مهم تر است.

5. اثر

استحکام تسلیم، استحکام کششی و سختی قوی تر از فلزات خالص است.

در بیشتر موارد، شکل پذیری کمتر از فلز خالص است.

رسانایی بسیار کمتر از فلز خالص است.

مقاومت در برابر خزش یا کاهش قدرت در دماهای بالا را می توان با تقویت محلول جامد بهبود بخشید.

کار سخت شدن

1. تعریف

با افزایش درجه تغییر شکل سرد، استحکام و سختی مواد فلزی افزایش می یابد، اما انعطاف پذیری و چقرمگی کاهش می یابد.

2. مقدمه

پدیده ای که در آن استحکام و سختی مواد فلزی با تغییر شکل پلاستیک در زیر دمای تبلور مجدد افزایش می یابد، در حالی که انعطاف پذیری و چقرمگی کاهش می یابد.همچنین به عنوان سخت کاری سرد شناخته می شود.دلیل آن این است که وقتی فلز به صورت پلاستیک تغییر شکل می‌دهد، دانه‌های کریستال می‌لغزند و دررفتگی‌ها در هم می‌پیچد که باعث کشیده شدن، شکستن و فیبر شدن دانه‌های کریستال می‌شود و تنش‌های پسماند در فلز ایجاد می‌شود.درجه سخت شدن کار معمولاً با نسبت ریزسختی لایه سطحی پس از پردازش به قبل از پردازش و عمق لایه سخت شده بیان می شود.

3. تفسیر از منظر نظریه نابجایی

(1) تقاطع بین دررفتگی ها اتفاق می افتد و بریدگی های حاصل از حرکت نابجایی ها جلوگیری می کند.

(2) یک واکنش بین دررفتگی رخ می دهد، و دررفتگی ثابت تشکیل شده مانع از حرکت دررفتگی می شود.

(3) تکثیر دررفتگی ها اتفاق می افتد و افزایش تراکم دررفتگی مقاومت در برابر حرکت دررفتگی را بیشتر می کند.

4. آسیب

سخت شدن کار برای پردازش بیشتر قطعات فلزی مشکلاتی را به همراه دارد.به عنوان مثال، در فرآیند نورد سرد ورق فولادی، نورد آن سخت‌تر و سخت‌تر می‌شود، بنابراین لازم است در طول فرآیند پردازش، بازپخت میانی ترتیب داده شود تا سخت شدن کاری آن با حرارت دادن از بین برود.مثال دیگر این است که سطح قطعه کار در فرآیند برش شکننده و سخت شود و در نتیجه سایش ابزار تسریع شود و نیروی برش افزایش یابد.

5. مزایا

این می تواند استحکام، سختی و مقاومت در برابر سایش فلزات را بهبود بخشد، به ویژه برای آن دسته از فلزات خالص و آلیاژهای خاصی که با عملیات حرارتی قابل بهبود نیستند.به عنوان مثال، سیم فولادی با استحکام بالا با کشش سرد و فنر با کلاف سرد و غیره، از تغییر شکل کار سرد برای بهبود استحکام و حد الاستیک آن استفاده می کنند.مثال دیگر استفاده از سخت کاری برای بهبود سختی و مقاومت در برابر سایش مخازن، مسیرهای تراکتور، فک های سنگ شکن و پیچ های راه آهن است.

6. نقش در مهندسی مکانیک

پس از کشش سرد، نورد و لایه برداری (به تقویت سطح مراجعه کنید) و سایر فرآیندها، استحکام سطح مواد، قطعات و اجزای فلزی را می توان به طور قابل توجهی بهبود بخشید.

پس از تحت فشار قرار گرفتن قطعات، تنش موضعی برخی از قطعات اغلب از حد تسلیم ماده فراتر می رود و باعث تغییر شکل پلاستیک می شود.به دلیل سخت شدن کار، توسعه مداوم تغییر شکل پلاستیک محدود شده است، که می تواند ایمنی قطعات و اجزا را بهبود بخشد.

هنگامی که قطعه یا جزء فلزی مهر می شود، تغییر شکل پلاستیکی آن با استحکام بخشی همراه است، به طوری که تغییر شکل به قسمت سخت کار نشده اطراف آن منتقل می شود.پس از چنین اقدامات متناوب مکرر، می توان قطعات مهر زنی سرد با تغییر شکل مقطع یکنواخت را به دست آورد.

این می تواند عملکرد برش فولاد کم کربن را بهبود بخشد و جدا کردن تراشه ها را آسان کند.اما سخت شدن کار برای پردازش بیشتر قطعات فلزی نیز مشکلاتی را به همراه دارد.به عنوان مثال، سیم فولادی سرد به دلیل سخت شدن کار، انرژی زیادی برای کشیدن بیشتر مصرف می کند و حتی ممکن است شکسته شود.بنابراین، قبل از کشیدن باید آنیل شود تا سختی کار 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 یافته و سایش ابزار تسریع می شود.

تقویت دانه ریز

1. تعریف

روش بهبود خواص مکانیکی مواد فلزی با پالایش دانه های کریستالی را تقویت پالایش کریستال می گویند.در صنعت، استحکام مواد با پالایش دانه های کریستال بهبود می یابد.

2. اصل

فلزات معمولاً پلی کریستال هایی هستند که از دانه های کریستال زیادی تشکیل شده اند.اندازه دانه های کریستال را می توان با تعداد دانه های کریستال در واحد حجم بیان کرد.هرچه این تعداد بیشتر باشد، دانه های کریستال ریزتر می شود.آزمایشات نشان می دهد که فلزات ریزدانه در دمای اتاق دارای استحکام، سختی، پلاستیسیته و چقرمگی بالاتری نسبت به فلزات درشت دانه هستند.این به این دلیل است که دانه های ریز تحت نیروی خارجی تحت تغییر شکل پلاستیک قرار می گیرند و می توانند در دانه های بیشتری پراکنده شوند، تغییر شکل پلاستیک یکنواخت تر است و غلظت تنش کمتر است.علاوه بر این، هرچه دانه‌ها ریزتر باشند، سطح مرز دانه‌ها بزرگ‌تر و مرزهای دانه‌های پرپیچ‌وخم‌تر می‌شوند.انتشار ترک ها نامطلوب تر است.از این رو روش بهبود استحکام ماده با پالایش دانه های کریستالی را در صنعت تقویت پالایش دانه می گویند.

3. اثر

هرچه اندازه دانه کوچکتر باشد، تعداد نابجایی ها (n) در خوشه نابجایی کمتر است.با توجه به τ=nτ0، هر چه غلظت تنش کمتر باشد، استحکام ماده بالاتر است.

قانون تقویت تقویت دانه ریز این است که هر چه مرز دانه بیشتر باشد، دانه ها ریزتر می شوند.با توجه به رابطه هال-پیکی، هرچه مقدار متوسط ​​(d) دانه ها کوچکتر باشد، قدرت تسلیم ماده بالاتر است.

4. روش پالایش دانه

افزایش درجه ساب کولینگ؛

درمان زوال؛

لرزش و هم زدن؛

برای فلزات با تغییر شکل سرد، دانه های کریستال را می توان با کنترل درجه تغییر شکل و دمای بازپخت تصفیه کرد.

تقویت فاز دوم

1. تعریف

در مقایسه با آلیاژهای تک فاز، آلیاژهای چند فاز علاوه بر فاز ماتریس، فاز دوم نیز دارند.هنگامی که فاز دوم به طور یکنواخت در فاز ماتریس با ذرات پراکنده ریز توزیع شود، اثر تقویتی قابل توجهی خواهد داشت.این اثر تقویتی تقویت فاز دوم نامیده می شود.

2. طبقه بندی

برای حرکت نابجایی ها، فاز دوم موجود در آلیاژ دارای دو حالت زیر است:

(1) تقویت ذرات غیر قابل تغییر شکل (مکانیسم بای پس).

(2) تقویت ذرات تغییر شکل پذیر (مکانیسم برش).

هم تقویت پراکندگی و هم تقویت بارشی از موارد خاص تقویت فاز دوم هستند.

3. اثر

دلیل اصلی تقویت فاز دوم برهمکنش بین آنها و نابجایی است که مانع حرکت نابجایی شده و مقاومت تغییر شکل آلیاژ را بهبود می بخشد.

برای جمع بندی

مهمترین عوامل مؤثر بر استحکام، ترکیب، ساختار و وضعیت سطح خود ماده است.دوم حالت نیرو است، مانند سرعت نیرو، روش بارگذاری، کشش ساده یا نیروی مکرر، قدرت های متفاوتی را نشان می دهد.علاوه بر این، هندسه و اندازه نمونه و محیط آزمایش نیز تأثیر زیادی دارد، گاهی اوقات حتی تعیین کننده.به عنوان مثال، استحکام کششی فولاد فوق‌استحکام در اتمسفر هیدروژنی ممکن است به طور تصاعدی 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 عیب، مانند سبیل.مشخص است که استحکام سبیل های آهنی به ارزش تئوری نزدیک است.می توان در نظر گرفت که این به این دلیل است که هیچ دررفتگی در سبیل ها وجود ندارد یا فقط مقدار کمی از دررفتگی وجود دارد که در طول فرآیند تغییر شکل نمی تواند تکثیر شود.متأسفانه، وقتی قطر سبیل بزرگتر باشد، استحکام به شدت کاهش می یابد.یکی دیگر از رویکردهای تقویت کننده، وارد کردن تعداد زیادی از عیوب کریستالی به کریستال است، مانند نابجایی ها، عیوب نقطه ای، اتم های ناهمگن، مرز دانه ها، ذرات بسیار پراکنده یا ناهمگنی ها (مانند جداسازی) و غیره. این عیوب مانع از حرکت نابجایی ها و همچنین به طور قابل توجهی استحکام فلز را بهبود می بخشد.حقایق ثابت کرده اند که این موثرترین راه برای افزایش استحکام فلزات است.برای مواد مهندسی، به طور کلی از طریق اثرات تقویت جامع برای دستیابی به عملکرد جامع بهتر است.