Wie lässt sich die Festigkeit von Stahl verbessern?

Die Festigkeit von Stahl bezieht sich auf das Verformungs- und Bruchverhalten von Metallwerkstoffen unter der Einwirkung äußerer Kräfte, wozu im Allgemeinen die Zugfestigkeit, die Biegefestigkeit und die Druckfestigkeit gehören. Je widerstandsfähiger Stahl gegen äußere Kräfte ist, desto stärker ist er. Wie können wir also die Festigkeit von Stahl verbessern?

Solution SStärkung der

Der Mischkristall von Legierungselementen in der Metallmatrix verursacht eine gewisse Gitterverzerrung und erhöht die Festigkeit der Legierung. Die Gitterverzerrung erhöht den Widerstand der Versetzungsbewegung und erschwert das Gleiten, wodurch sich die Festigkeit und Härte des Mischkristalls der Legierung erhöht. Dieses Phänomen der Verfestigung eines Metalls durch Auflösen in ein gelöstes Element zur Bildung eines Mischkristalls wird als Mischkristallverfestigung bezeichnet.

Die Festigkeit und die Härte des Materials steigen mit der richtigen Konzentration an gelösten Atomen, aber die Zähigkeit und die Plastizität nehmen ab. Je höher der Atomanteil der gelösten Atome ist, desto größer ist der atomare Größenunterschied zwischen dem gelösten Atom und dem Matrixmetall, und desto stärker ist die Verstärkung. 

Die interstitiellen gelösten Atome haben eine größere lösungsverstärkende Wirkung als die substituierenden Atome, und die verstärkende Wirkung der interstitiellen Atome ist größer als die von kubisch-flächenzentrierten Kristallen, da die Gitterverzerrung der interstitiellen Atome in kubisch-flächenzentrierten Kristallen asymmetrisch ist. Die Festkörperlöslichkeit der Zwischengitteratome ist jedoch sehr begrenzt, und die tatsächliche Verstärkungswirkung ist ebenfalls begrenzt. Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem gelösten Atom und dem Trägermetall ist, desto deutlicher ist die Verstärkung der Lösung, d. h. die Streckgrenze des Mischkristalls steigt mit der Zunahme der Konzentration der Valenzelektronen.

Arbeitsverhärtung

Mit zunehmender Kaltverformung nehmen Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen zu, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen. Kaltverfestigung ist das Phänomen, dass die Festigkeit und Härte von Metallwerkstoffen zunimmt, während die Plastizität und Zähigkeit während der plastischen Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur abnimmt. Weil das Metall in der plastischen Verformung, Kornschlupf, Versetzung Ursachen Korn Dehnung, Fragmentierung und Fibrose, die Metall-Eigenspannung. Die Kaltverfestigung wird in der Regel durch das Verhältnis zwischen der Mikrohärte der Oberflächenschicht nach der Bearbeitung und vor der Bearbeitung und der Tiefe der Verfestigungsschicht ausgedrückt.

Kaltverfestigung kann die Zerspanungsleistung von kohlenstoffarmem Stahl verbessern und die Späne leicht abtrennen, aber sie bringt Schwierigkeiten bei der weiteren Bearbeitung von Metallteilen mit sich. Zum Beispiel, in den Prozess der kaltgewalzten Stahlplatte und kaltgezogenen Stahldraht, der Energieverbrauch der Zeichnung erhöht wird und sogar gebrochen ist, so muss es durch Zwischenglühen zu beseitigen Kaltverfestigung werden. In den Schneidprozess, um die Oberfläche des Werkstücks spröde und hart, erhöhen die Schnittkraft und beschleunigen Werkzeugverschleiß, etc.

Es verbessert die Festigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit von Stählen, insbesondere bei reinen Metallen und einigen Legierungen, deren Festigkeit durch Wärmebehandlung nicht verbessert werden kann. Bei kaltgezogenen hochfesten Stahldrähten und kalten Spiralfedern wird die Kaltverformung zur Verbesserung der Festigkeit und Elastizitätsgrenze eingesetzt. Die Gleise von Panzern, Traktoren und die Weichen von Eisenbahnen werden ebenfalls kaltverfestigt, um ihre Härte und Verschleißfestigkeit zu verbessern.

Feinkörnige Verstärkung

Die Methode zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von Metall durch Verfeinerung des Korns wird als Feinkornverfestigung bezeichnet. Wir wissen, dass ein Metall ein Polykristall ist, der aus vielen Körnern besteht, und die Größe der Körner kann durch die Anzahl der Körner pro Volumeneinheit ausgedrückt werden. Je höher die Anzahl, desto feiner die Körner. Die Versuche zeigen, dass feinkörniges Metall bei normaler Temperatur eine höhere Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit aufweist als grobkörniges Metall. Dies liegt daran, dass die feinen Körner bei einer plastischen Verformung unter äußerer Krafteinwirkung in mehr Körner aufgespalten werden können, so dass die plastische Verformung gleichmäßiger und die Spannungskonzentration geringer ist.

Außerdem gilt: Je feiner das Korn ist, desto größer ist die Korngrenzenfläche, und je gewundener die Korngrenze ist, desto ungünstiger ist die Rissausbreitung. Daher wird die industrielle Methode zur Verbesserung der Materialfestigkeit durch Verfeinerung des Korns als Feinkornverstärkung bezeichnet. Je mehr Korngrenzen vorhanden sind, desto geringer ist die Spannungskonzentration, und desto höher ist die Streckgrenze des Materials. Zu den Methoden der Kornfeinung gehören: Erhöhung des Grades der Unterkühlung;

Metamorphische Behandlung;

Rütteln und Schütteln;

Kaltverformte Metalle können durch Steuerung des Verformungsgrads und der Glühtemperatur veredelt werden.

Zweite Phase Verstärkung

Neben der Matrixphase gibt es in der mehrphasigen Legierung im Vergleich zur einphasigen Legierung noch eine zweite Phase. Wenn die zweite Phase gleichmäßig in der Matrixphase als fein verteilte Partikel verteilt ist, ist die Verstärkungswirkung erheblich. Diese Verstärkung wird als Zweitphasenverstärkung bezeichnet. Für die Versetzungsbewegung hat die zweite Phase der Legierung die folgenden zwei Bedingungen: (1) Verstärkung durch ein unverformbares Teilchen (ein Bypass-Mechanismus). (2) Die verstärkende Wirkung von verformbaren Teilchen (ein Schneidemechanismus).

Die Dispersionsverfestigung und die Ausscheidungsverfestigung gehören beide zu den Sonderfällen der Verfestigung der zweiten Phase. Der Hauptgrund für die Verfestigung der zweiten Phase ist die Wechselwirkung zwischen ihnen und der Versetzung, die die Versetzungsbewegung behindert und die Verformungsfestigkeit der Legierung erhöht.

Im Allgemeinen ist der wichtigste Faktor, der sich auf die Festigkeit auswirkt, die Zusammensetzung des Metalls selbst, die Organisationsstruktur und der Oberflächenzustand, gefolgt vom Belastungszustand, wie z. B. die Geschwindigkeit der nachwirkenden Kraft, die Belastungsmethode, die einfache Dehnung oder die wiederholte Beanspruchung, sie werden unterschiedliche Festigkeit zeigen; Darüber hinaus haben die Form und Größe des Metalls und das Prüfmedium auch einen Einfluss, manchmal sogar entscheidend, wie z. B. die Zugfestigkeit von ultrahochfesten Stählen kann in einer Wasserstoffatmosphäre exponentiell reduziert werden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die Festigkeit zu verbessern: Zum einen kann die interatomare Bindungskraft der Legierung verbessert werden, um ihre theoretische Festigkeit zu erhöhen, und zum anderen kann ein vollständiger Kristall ohne Defekte wie Whisker hergestellt werden. Die Festigkeit der bekannten Eisenwhisker liegt nahe am theoretischen Wert, was vermutlich auf das Fehlen von Versetzungen in den Whiskern oder auf die Tatsache zurückzuführen ist, dass sie nur eine geringe Anzahl von Versetzungen enthalten, die sich während der Verformung nicht vermehren können. Ist der Durchmesser des Whiskers jedoch groß, nimmt die Festigkeit stark ab. Zweitens werden zahlreiche Kristalldefekte in den Kristall eingebracht, z. B. Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, hochdisperse Teilchen oder Inhomogenität (z. B. Entmischung) usw. Diese Defekte behindern die Versetzungsbewegung und verbessern die Festigkeit des Metalls erheblich. Dies hat sich als die wirksamste Methode zur Erhöhung der Festigkeit des Metalls erwiesen.