Come migliorare la resistenza dell'acciaio?

La resistenza dell'acciaio si riferisce alle prestazioni di deformazione e frattura dei materiali metallici sotto l'azione di una forza esterna, che generalmente comprende la resistenza alla trazione, alla flessione e alla compressione. Più l'acciaio è resistente alle forze esterne, più è forte. Come possiamo quindi migliorare la resistenza dell'acciaio?

Soluzione Srafforzamento

La soluzione solida degli elementi di lega nel metallo matrice provoca una certa distorsione reticolare e aumenta la resistenza della lega. La distorsione reticolare aumenta la resistenza al movimento delle dislocazioni e rende difficile lo scivolamento, aumentando così la resistenza e la durezza della soluzione solida della lega. Questo fenomeno di rafforzamento di un metallo attraverso la dissoluzione in un elemento soluto per formare una soluzione solida è chiamato rafforzamento in soluzione solida.

La resistenza e la durezza del materiale aumentano con la giusta concentrazione di atomi di soluto, ma la tenacità e la plasticità diminuiscono. Più alta è la frazione atomica di atomi di soluto, maggiore è la differenza di dimensioni atomiche tra l'atomo di soluto e il metallo della matrice e più forte è il rafforzamento. 

Gli atomi soluti interstiziali hanno un effetto di rafforzamento della soluzione maggiore rispetto agli atomi sostitutivi e l'effetto di rafforzamento degli atomi interstiziali è maggiore di quello dei cristalli cubici a facce centrate perché la distorsione reticolare degli atomi interstiziali nei cristalli cubici a corpo centrato è asimmetrica. Tuttavia, la solubilità solida degli atomi interstiziali è molto limitata e anche l'effetto di rafforzamento effettivo è limitato. Quanto più grande è la differenza nel numero di elettroni di valenza tra l'atomo di soluto e il metallo di substrato, tanto più evidente è il rafforzamento della soluzione, cioè la forza di resa della soluzione solida aumenta con l'aumento della concentrazione di elettroni di valenza.

Tempra del lavoro

Con l'aumento della deformazione a freddo, la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano, ma la plasticità e la tenacità diminuiscono. L'incrudimento a freddo è il fenomeno per cui la resistenza e la durezza dei materiali metallici aumentano, mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono durante la deformazione plastica al di sotto della temperatura di ricristallizzazione. Poiché il metallo nella deformazione plastica, lo slittamento dei grani, le dislocazioni causano l'allungamento dei grani, la frammentazione e la fibrosi, la tensione residua interna del metallo. L'indurimento da lavoro è solitamente espresso dal rapporto tra la microdurezza dello strato superficiale dopo la lavorazione e quella prima della lavorazione e la profondità dello strato di indurimento.

L'indurimento da lavoro può migliorare le prestazioni di taglio degli acciai a basso tenore di carbonio e facilitare la separazione del truciolo, ma comporta difficoltà nella successiva lavorazione delle parti metalliche. Ad esempio, nel processo di laminazione a freddo delle lamiere e dei fili d'acciaio trafilati a freddo, il consumo di energia della trafilatura aumenta e addirittura si rompe, per cui è necessario passare attraverso una ricottura intermedia per eliminare l'indurimento da lavoro. Nel processo di taglio, la superficie del pezzo diventa fragile e dura, aumentando la forza di taglio e accelerando l'usura degli utensili, ecc.

Migliora la resistenza, la durezza e la resistenza all'usura degli acciai, soprattutto per quei metalli puri e alcune leghe la cui resistenza non può essere migliorata dal trattamento termico. Ad esempio, il filo di acciaio ad alta resistenza trafilato a freddo e la molla a spirale a freddo, sono deformazioni che vengono utilizzate per migliorare la resistenza e il limite elastico. Anche i cingoli dei carri armati, dei trattori e i deviatoi delle ferrovie utilizzano l'incrudimento per migliorare la durezza e la resistenza all'usura.

Rafforzamento a grana fine

Il metodo per migliorare le proprietà meccaniche del metallo raffinando i grani è chiamato rafforzamento a grana fine. Sappiamo che un metallo è un policristallo composto da molti grani e la dimensione dei grani può essere espressa dal numero di grani per unità di volume. Maggiore è il numero, più fini sono i grani. Gli esperimenti dimostrano che il metallo a grana fine ha una resistenza, una durezza, una plasticità e una tenacità maggiori rispetto al metallo a grana grossa a temperatura normale. Ciò è dovuto al fatto che i grani fini possono essere dispersi in un numero maggiore di grani quando si verifica la deformazione plastica sotto l'azione di una forza esterna, per cui la deformazione plastica è più uniforme e la concentrazione delle sollecitazioni è ridotta.

Inoltre, quanto più fine è la grana, tanto più grande è l'area di confine della grana e quanto più tortuoso è il confine della grana, tanto più svantaggiosa è la propagazione della cricca. Pertanto, il metodo industriale per migliorare la resistenza del materiale attraverso la raffinazione della grana è chiamato rafforzamento a grana fine. Quanto più numerosi sono i confini dei grani, tanto minore è la concentrazione delle tensioni e tanto più elevato è il limite di snervamento del materiale. I metodi per affinare la grana includono: aumento del grado di superraffreddamento;

Trattamento metamorfico;

Vibrazioni e agitazione;

I metalli deformati a freddo possono essere raffinati controllando il grado di deformazione e la temperatura di ricottura.

Seconda fase di rafforzamento

Oltre alla fase matrice, nella lega multifase esiste una seconda fase rispetto alla lega monofase. Quando la seconda fase è distribuita uniformemente nella fase matrice sotto forma di particelle finemente disperse, l'effetto di rafforzamento sarà significativo. Questo rafforzamento è chiamato rinforzo di seconda fase. Per il movimento delle dislocazioni, la seconda fase della lega presenta le seguenti due condizioni: (1) rinforzo da parte di una particella indeformabile (meccanismo di bypass). (2) L'effetto di rafforzamento delle particelle deformabili (un meccanismo di taglio).

Il rafforzamento per dispersione e quello per precipitazione appartengono entrambi ai casi speciali di rafforzamento della seconda fase. La ragione principale del rafforzamento della seconda fase è l'interazione tra queste e le dislocazioni, che ostacola il movimento delle dislocazioni e aumenta la resistenza alla deformazione della lega.

In generale, l'elemento più importante che influisce sulla resistenza è la composizione del metallo stesso, la struttura organizzativa e lo stato superficiale, seguiti dallo stato di sollecitazione, come la velocità della forza successiva, il metodo di carico, il semplice stiramento o la sollecitazione ripetuta, mostreranno una resistenza diversa; inoltre, anche la forma e le dimensioni del metallo e il mezzo di prova hanno un effetto, a volte persino decisivo, come la resistenza alla trazione degli acciai ultra-altoresistenziali può ridursi esponenzialmente in un'atmosfera di idrogeno.

Ci sono due modi principali per migliorare la resistenza: uno è quello di migliorare la forza di legame interatomico della lega per migliorare la sua resistenza teorica e produrre un cristallo completo senza difetti come i whisker. La resistenza dei baffi di ferro noti è vicina al valore teorico, il che si può supporre sia dovuto alla mancanza di dislocazioni nei baffi o al fatto che essi contengono solo un piccolo numero di dislocazioni che non possono proliferare durante la deformazione. Tuttavia, quando il diametro del baffo è grande, la resistenza diminuisce drasticamente. In secondo luogo, nel cristallo viene introdotto un gran numero di difetti, come dislocazioni, difetti puntiformi, atomi eterogenei, confini di grano, particelle altamente disperse o disomogeneità (come la segregazione), ecc. Questi difetti ostacolano il movimento delle dislocazioni e migliorano significativamente la resistenza del metallo. Questo si è rivelato il modo più efficace per aumentare la resistenza del metallo.