01. Posilnenie tuhých roztokov
Definícia
Spevnenie tuhého roztoku je jav, pri ktorom sa legujúce prvky rozpúšťajú do základného kovu, čo spôsobuje deformáciu mriežky a zvyšuje pevnosť zliatiny.
Princíp
Atómy rozpustenej látky, ktoré sa rozpúšťajú v pevnom roztoku, vytvárajú deformáciu mriežky, ktorá zvyšuje odolnosť proti pohybu dislokácie, čím sa sťažuje sklz. V dôsledku toho sa zvyšuje pevnosť a tvrdosť tuhého roztoku zliatiny. Tento posilňovací mechanizmus sa spolieha na rozpustenie atómov rozpustenej látky za vzniku tuhého roztoku. S vhodnou koncentráciou rozpustenej látky sa pevnosť a tvrdosť materiálu zlepšuje, hoci jeho húževnatosť a ťažnosť sa môžu znížiť.
Ovplyvňujúce faktory
Čím vyšší je atómový podiel atómov rozpustenej látky, tým silnejší je posilňujúci účinok, najmä pri nízkych koncentráciách.
Čím väčší je veľkostný rozdiel medzi atómami rozpustenej látky a základného kovu, tým výraznejšie je zosilnenie.
Intersticiálne rozpustené atómy majú silnejší posilňujúci účinok ako substitučné. V tele-centrovaných kubických kryštáloch spôsobujú intersticiálne atómy asymetrické skreslenie mriežky, čo má za následok väčšie spevnenie ako v kubických kryštáloch so stredom{2}}plošne. Rozpustnosť intersticiálnych atómov je však obmedzená.
Čím väčší je rozdiel v počte valenčných elektrónov medzi atómami rozpustenej látky a atómami báz, tým silnejší je posilňujúci účinok. Medza klzu sa zvyšuje s koncentráciou elektrónov.
Stupeň posilnenia závisí od:
Veľkostný rozdiel medzi atómami rozpustenej látky a základnými atómami: Väčší nesúlad veľkosti zvyšuje odolnosť voči dislokácii.
Množstvo legujúcich prvkov: Viac legujúcich=silnejší účinok, ale nadmerné množstvá môžu prekročiť limit rozpustnosti a vyžadovať iné metódy spevnenia, ako je spevnenie v druhej fáze.
Intersticiálne atómy posilňujú viac ako substitučné atómy.
Rozdiel valenčných elektrónov medzi rozpustenou látkou a kovom matrice zvyšuje spevnenie.
Účinky
Medza klzu, pevnosť v ťahu a tvrdosť prevyšujú hodnoty čistých kovov.
Vo všeobecnosti nižšia ťažnosť v porovnaní s čistými kovmi.
Nižšia elektrická vodivosť ako čisté kovy.
Vylepšená odolnosť proti tečeniu a pevnosť pri vysokých{0}}teplotách.
02. Pracovné vytvrdzovanie (Stin Hardening)
Definícia
Keď sa deformácia za studena zvyšuje, pevnosť a tvrdosť kovu stúpa, zatiaľ čo plasticita a húževnatosť sa znižujú.
Prehľad
Keď sú kovy plasticky deformované pod ich teplotu rekryštalizácie, stávajú sa pevnejšími a tvrdšími, ale menej tvárnymi a húževnatými. Tiež známe ako vytvrdzovanie za studena. Pri plastickej deformácii sa dislokácie zapletajú, zrná sa predlžujú, lámu a stávajú sa vláknitými. Zavádza sa zvyškový stres. Stupeň vytvrdnutia sa zvyčajne meria pomerom mikrotvrdosti povrchu pred a po deformácii a hĺbkou vytvrdenej vrstvy.
Vysvetlenie teórie dislokácie
Dislokácie sa pretínajú a vytvárajú stupňovité{0}}prekážky pohybu.
Dislokácie reagujú tak, že vytvárajú nehybné dislokácie, ktoré bránia pohybu.
Násobenie dislokácie zvyšuje hustotu, čo ďalej bráni pohybu.
Nevýhody
Pracovné kalenie komplikuje ďalšie spracovanie. Napríklad oceľ valcovaná za studena- sa stáva čoraz tvrdšou a nespracovateľnou, čo si vyžaduje prechodné žíhanie, aby zmäkla. Pri obrábaní zvyšuje povrchové kalenie reznú silu a opotrebovanie nástroja.
Výhody
Zlepšuje pevnosť, tvrdosť a odolnosť kovu voči opotrebovaniu, najmä pre čisté kovy a zliatiny, ktoré sa nedajú spevniť tepelným spracovaním (napr. za studena{2}}ťahané vysoko{3}}drôty, pružiny valcované za studena-, pásy tankov, čeľuste drvičov, železničné výhybky).
Aplikácie v strojárstve
Ťahanie za studena, valcovanie a brokovanie výrazne zvyšuje pevnosť povrchu materiálov a komponentov.
Lokalizovaná plastická deformácia pod napätím môže byť obmedzená v dôsledku mechanického spevnenia, čím sa zlepší bezpečnosť komponentov.
Pri lisovaní kalené oblasti smerujú deformáciu do mäkších oblastí, čo umožňuje rovnomernú deformáciu v prierezoch.
Zlepšuje obrobiteľnosť nízkouhlíkových{0}}ocelí tým, že uľahčuje oddeľovanie triesok. Zvyšuje však spotrebu energie pri ďalšom spracovaní a opotrebovanie nástroja pri obrábaní.
03. Zjemnenie zrna Posilnenie
Definícia
Zjemnenie zrna zlepšuje mechanické vlastnosti znížením veľkosti zrna.
Princíp
Kovy sú polykryštalické. Menšie zrná (tj viac zŕn na jednotku objemu) majú za následok vyššiu pevnosť, tvrdosť, plasticitu a húževnatosť. Jemnejšie zrná distribuujú deformáciu rovnomernejšie, znižujú koncentráciu napätia a bránia šíreniu trhlín. Rafinácia zŕn teda zvyšuje pevnosť.
Účinky
Jemnejšie zrná znižujú nahromadenie dislokácie-a zvyšujú pevnosť.
Podľa Hall-Petchovho vzťahu menšia veľkosť zrna ddd vedie k vyššej medze klzu.
Metódy rafinácie zŕn
Zvýšte podchladenie.
Inokulačná liečba.
Vibrácia a miešanie počas tuhnutia.
V kovoch deformovaných za studena-: regulujte stupeň deformácie a teplotu žíhania.
04. Druhá fáza posilňovania
Definícia
Vo viacfázových zliatinách existuje okrem fázy matrice aj druhá fáza. Keď sú jemne rozptýlené častice druhej-fázy rovnomerne rozdelené v matrici, výrazne spevňujú zliatinu. Toto je známe ako posilňovanie druhej-fázy.
Typy
Z hľadiska pohybu dislokácie sa častice druhej{0}}fázy delia na:
Ne{0}}deformovateľné častice: spevnenie pomocou obtokového mechanizmu (Orowanov mechanizmus).
Deformovateľné častice: spevnenie pomocou rezacieho mechanizmu.
Disperzoidné spevnenie a precipitačné spevnenie sú špecifické formy spevnenia druhej{0}fázy.
Účinky
Častice druhej{0}}fázy interagujú s dislokáciami, čím bránia ich pohybu a zvyšujú odolnosť zliatiny voči deformácii.
Ďalšie faktory ovplyvňujúce silu
Zloženie zliatiny, mikroštruktúra a stav povrchu.
Podmienky zaťaženia: rýchlosť, režim (ťahová vs. cyklická).
Vzorová geometria a testovacie prostredie (napr. vodíkové skrehnutie môže drasticky znížiť pevnosť).
Zhrnutie posilňujúcich prístupov
Dve hlavné cesty na posilnenie kovov:
Zvýšte silu atómovej väzby a vytvorte kryštály bez defektov{0}} (napr. fúzy).
Zavedenie defektov (dislokácie, atómy rozpustených látok, hranice zŕn atď.) na zabránenie pohybu dislokácií - sa ukázalo ako najúčinnejšia metóda.
Inžinierske materiály sa zvyčajne spoliehajú na kombináciu posilňovacích mechanizmov na dosiahnutie optimálneho výkonu.
