Hoe de sterkte van staal verbeteren?

De sterkte van staal verwijst naar de vervorming en breuk van metalen materialen onder invloed van externe krachten, die over het algemeen de treksterkte, buigsterkte en druksterkte omvatten. Hoe beter staal bestand is tegen externe krachten, hoe sterker het staal is. Dus hoe kunnen we de sterkte van staal verbeteren?

Solutie Sversterking van

De vaste oplossing van legeringselementen in het matrixmetaal veroorzaakt een zekere roostervervorming en verhoogt de sterkte van de legering. De roostervervorming verhoogt de weerstand van dislocatiebeweging en maakt het moeilijk om te glijden, waardoor de sterkte en hardheid van de vaste oplossing van de legering toenemen. Dit fenomeen van het versterken van een metaal door het oplossen in een oplosbaar element om een vaste oplossing te vormen, wordt vaste oplossing versterking genoemd.

De sterkte en hardheid van het materiaal nemen toe met de juiste concentratie van opgeloste atomen, maar de taaiheid en plasticiteit nemen af. Hoe hoger de atoomfractie van het opgeloste atoom is, hoe groter het atoomgrootteverschil tussen het opgeloste atoom en het matrixmetaal is en hoe sterker de versterking is. 

De interstitiële opgeloste atomen hebben een groter oplossingsversterkend effect dan de substitutieve atomen, en het versterkende effect van interstitiële atomen is groter dan dat van oppervlakte-gecentreerde kubische kristallen omdat de roostervervorming van interstitiële atomen in lichaamsgecentreerde kubische kristallen asymmetrisch is. De vaste oplosbaarheid van interstitiële atomen is echter zeer beperkt en het werkelijke versterkende effect is ook beperkt. Hoe groter het verschil in het aantal valentie-elektronen tussen het oplosatoom en het substraatmetaal is, hoe duidelijker de versterking van de oplossing is, dat wil zeggen dat de vloeigrens van de vaste oplossing toeneemt naarmate de concentratie van valentie-elektronen toeneemt.

Hard werken

Met de toename van koude vervorming nemen de sterkte en hardheid van metaalmaterialen toe, maar de plasticiteit en taaiheid nemen af. Koudvervormen is het fenomeen dat de sterkte en hardheid van metaalmaterialen toenemen terwijl de plasticiteit en taaiheid afnemen tijdens plastische vervorming onder de herkristallisatietemperatuur. Omdat het metaal in de plastische vervorming, korrelslip, dislocatie veroorzaakt korrelverlenging, fragmentatie en fibrose, het metaal interne restspanning. Werkharding wordt meestal uitgedrukt door de verhouding van de microhardheid van de oppervlaktelaag na bewerking en voor bewerking en de diepte van de hardingslaag.

Werkharding kan de snijprestaties van koolstofarm staal verbeteren en de spaan gemakkelijk te scheiden maken, maar het brengt moeilijkheden met zich mee voor de verdere bewerking van metalen onderdelen. Bijvoorbeeld, in het proces van de koudgewalste staalplaat en koudgetrokken staaldraad, wordt het energieverbruik van de tekening verhoogd en zelfs gebroken, dus het moet door middel van tussenliggende gloeien om werk verharding te elimineren. In het snijproces te maken het oppervlak van het werkstuk bros en hard, verhoging van de snijkracht en versnellen gereedschapsslijtage, enz.

Het verbetert de sterkte, hardheid en slijtvastheid van staal, vooral voor die zuivere metalen en sommige legeringen waarvan de sterkte niet kan worden verbeterd door warmtebehandeling. Zoals koud getrokken hoge sterkte staaldraad en koude coil lente, is het gebruik van koude verwerking vervorming van de sterkte en elastische grens te verbeteren. Het spoor van een tank, tractor en de wissels van de spoorwegen maken ook gebruik van werkverharding om de hardheid en slijtvastheid te verbeteren.

Fijnkorrelige versterking

De methode om de mechanische eigenschappen van metaal te verbeteren door de korrel te verfijnen wordt fijnkorrelversterking genoemd. We weten dat een metaal een polykristal is dat bestaat uit vele korrels, en de grootte van de korrels kan worden uitgedrukt door het aantal korrels per volume-eenheid. Hoe meer, hoe fijner de korrels. De experimenten tonen aan dat het metaal met de fijne korrel een hogere sterkte, hardheid, plasticiteit en taaiheid heeft dan het metaal met de grove korrel bij normale temperatuur. Dit komt omdat de fijne korrels in meer korrels kunnen worden gedispergeerd wanneer plastische vervorming optreedt onder externe kracht, zodat de plastische vervorming uniformer is en de spanningsconcentratie klein.

Bovendien is het zo dat hoe fijner de korrel is, hoe groter het gebied van de korrelgrens is en hoe kronkeliger de korrelgrens is, hoe nadeliger de scheurgroei is. Daarom wordt de industriële methode om de materiaalsterkte te verbeteren door de korrel te verfijnen fijnkorrelversterking genoemd. Hoe meer korrelgrenzen, hoe kleiner de spanningsconcentratie en hoe hoger de vloeigrens van het materiaal. Methoden om de korrel te verfijnen zijn onder andere: de mate van onderkoeling verhogen;

Metamorfe behandeling;

Trillingen en agitatie;

Koudvervormde metalen kunnen worden verfijnd door de mate van vervorming en de gloeitemperatuur te regelen.

Tweede fase Versterking

Naast de matrixfase bestaat de tweede fase in de meerfasige legering in vergelijking met de eenfasige legering. Als de tweede fase gelijkmatig verdeeld is in de matrixfase als fijn gedispergeerde deeltjes, zal het versterkende effect aanzienlijk zijn. Deze versterking wordt tweede fase versterking genoemd. Voor de dislocatiebeweging heeft de tweede fase van de legering de volgende twee voorwaarden: (1) versterking door een onvervormbaar deeltje (een omleidingsmechanisme). (2) Het versterkende effect van vervormbare deeltjes (een snijmechanisme).

De dispersieversterking en de precipitatieversterking behoren beide tot de speciale gevallen van de tweede faseversterking. De belangrijkste reden voor de versterking van de tweede fase is de interactie tussen hen en de dislocatie, die de dislocatiebeweging belemmert en de vervormingsweerstand van de legering verhoogt.

In het algemeen is het belangrijkste dat de sterkte beïnvloedt de samenstelling van het metaal zelf, de organisatorische structuur en de oppervlaktegesteldheid, gevolgd door de spanningstoestand, zoals de snelheid van de nakracht, de belastingsmethode, het eenvoudige uitrekken of herhaalde spanning, ze zullen een verschillende sterkte vertonen; Bovendien hebben de vorm en grootte van het metaal en het testmedium ook een effect, soms zelfs doorslaggevend, zoals de treksterkte van ultrasterk staal kan exponentieel afnemen in een waterstofatmosfeer.

Er zijn twee manieren om de sterkte te verbeteren: één is het verbeteren van de interatomaire bindingskracht van de legering om de theoretische sterkte te verbeteren en om een compleet kristal te produceren zonder defecten zoals whiskers. De sterkte van de bekende ijzeren whiskers ligt dicht bij de theoretische waarde, wat verondersteld kan worden te wijten te zijn aan het gebrek aan dislocaties in de whiskers of aan het feit dat ze slechts een klein aantal dislocaties bevatten die zich niet kunnen vermenigvuldigen tijdens deformatie. Wanneer de diameter van de whisker echter groot is, zal de sterkte sterk afnemen. Ten tweede wordt er een groot aantal kristaldefecten in het kristal geïntroduceerd, zoals dislocatie, puntdefecten, heterogene atomen, korrelgrenzen, sterk verspreide deeltjes of inhomogeniteit (zoals segregatie), enz. Deze defecten belemmeren de dislocatiebeweging en verbeteren de metaalsterkte aanzienlijk. Dit bleek de meest effectieve manier te zijn om de sterkte van het metaal te verhogen.