01. Tahke lahusega tugevdamine
Definitsioon
Tahke lahuse tugevdamine on nähtus, kus legeerivad elemendid lahustuvad mitteväärismetalliks, põhjustades võre moonutusi ja suurendades sulami tugevust.
Põhimõte
Tahkes lahuses lahustuvad lahustunud aatomid tekitavad võre moonutusi, mis suurendab vastupidavust dislokatsiooni liikumisele, muutes libisemise raskemaks. Selle tulemusena suureneb sulami tahke lahuse tugevus ja kõvadus. See tugevdusmehhanism põhineb lahustunud aine aatomite lahustamisel, et moodustada tahke lahus. Sobiva lahustunud aine kontsentratsiooni korral materjali tugevus ja kõvadus paranevad, kuigi selle sitkus ja plastilisus võivad väheneda.
Mõjutavad tegurid
Mida suurem on lahustunud aine aatomite aatomfraktsioon, seda tugevam on tugevdav toime, eriti madalate kontsentratsioonide korral.
Mida suurem on lahustunud aine ja mitteväärismetalli aatomite suuruste erinevus, seda olulisem on tugevnemine.
Interstitsiaalsetel lahustunud aine aatomitel on tugevam tugevdav toime kui asendusaatomitel. Keha-kesksetes kuupkristallides põhjustavad interstitsiaalsed aatomid asümmeetrilist võre moonutust, mille tulemuseks on suurem tugevnemine kui näo-kesksetel kuupkristallidel. Interstitsiaalsete aatomite lahustuvus on aga piiratud.
Mida suurem on valentselektronide arvu erinevus lahustunud aine ja aluse aatomite vahel, seda tugevam on tugevdav toime. Saagistugevus suureneb elektronide kontsentratsiooniga.
Tugevdamise aste sõltub:
Suuruse erinevus lahustunud aine ja aluse aatomite vahel: suurem suuruse mittevastavus suurendab dislokatsioonikindlust.
Legeerivate elementide kogus: legeerivam=tugevam toime, kuid liigsed kogused võivad ületada lahustuvuse piiri ja nõuda muid tugevdamismeetodeid, nagu teise faasi tugevdamine.
Interstitsiaalsed aatomid tugevdavad rohkem kui asendusaatomid.
Valentselektronide erinevus lahustunud aine ja maatriksmetalli vahel suurendab tugevnemist.
Efektid
Saagistugevus, tõmbetugevus ja kõvadus ületavad puhaste metallide omasid.
Üldiselt madalam plastilisus võrreldes puhaste metallidega.
Madalam elektrijuhtivus kui puhastel metallidel.
Parem libisemiskindlus ja kõrge{0}}temperatuuri tugevus.
02. Töökarastus (pingekavenemine)
Definitsioon
Külma deformatsiooni suurenedes metalli tugevus ja kõvadus tõusevad, samas kui plastilisus ja sitkus vähenevad.
Ülevaade
Kui metallid deformeeruvad plastiliselt alla nende ümberkristallimistemperatuuri, muutuvad need tugevamaks ja kõvemaks, kuid vähem plastiliseks ja sitkeks. Tuntud ka kui külmtöötlemise karastamine. Plastilise deformatsiooni käigus takerduvad nihestused, terad pikenevad, purunevad ja muutuvad kiuliseks. Kasutusele võetakse jääkpinge. Kõvenemise astet mõõdetakse tavaliselt pinna mikrokõvaduse suhtega enne ja pärast deformatsiooni ning kivistunud kihi sügavust.
Dislokatsiooniteooria seletus
Nihestused lõikuvad ja moodustavad sammu{0}}nagu liikumistakistused.
Dislokatsioonid reageerivad, moodustades liikumatuid dislokatsioone, mis takistavad liikumist.
Dislokatsiooni paljundamine suurendab tihedust, takistades veelgi liikumist.
Puudused
Töökarastamine raskendab edasist töötlemist. Näiteks külmvaltsitud teras-muutub üha kõvemaks ja töötlemiskõlbmatuks ning pehmendamiseks on vaja vahepealset lõõmutamist. Töötlemisel suurendab pinna karastamine lõikejõudu ja tööriista kulumist.
Kasu
Parandab metalli tugevust, kõvadust ja kulumiskindlust, eriti puhaste metallide ja sulamite puhul, mida ei saa kuumtöötlemisega tugevdada (nt külm{2}}tõmmatud suure-tugevtraadid, külm-valtsitud vedrud, tanki roomikud, purusti lõuad, raudteepöörmed).
Rakendused masinaehituses
Külmtõmbamine, valtsimine ja haavlitamine suurendavad oluliselt materjalide ja komponentide pinnatugevust.
Lokaalset plastilist deformatsiooni pinge all saab piirata töö kõvenemise tõttu, parandades komponentide ohutust.
Stantsimisel suunavad karastatud alad deformatsiooni pehmematesse piirkondadesse, võimaldades ühtlast deformatsiooni sektsioonide lõikes.
Parandab madala süsinikusisaldusega{0}teraste töödeldavust, muutes laastud lihtsamini eraldatavaks. Küll aga suurendab see energiakulu edasisel töötlemisel ja tööriistade kulumist mehaanilisel töötlemisel.
03. Teravilja rafineerimise tugevdamine
Definitsioon
Terade rafineerimise tugevdamine parandab mehaanilisi omadusi, vähendades tera suurust.
Põhimõte
Metallid on polükristallilised. Väiksemate terade (st rohkem tera mahuühiku kohta) tulemuseks on suurem tugevus, kõvadus, plastilisus ja sitkus. Peenemad terad jaotavad deformatsiooni ühtlasemalt, vähendavad pingekontsentratsiooni ja takistavad pragude levikut. Seega suurendab terade rafineerimine tugevust.
Efektid
Peenemad terad vähendavad nihestuse{0}}kuhjamise stressi, suurendades tugevust.
Hall-Petchi seose kohaselt toob väiksem tera suurus ddd kaasa suurema voolavuspiiri.
Teraviljade rafineerimise meetodid
Suurendage alajahutust.
Inokulatsiooni ravi.
Vibratsioon ja segamine tahkumise ajal.
Külm-deformeerunud metallides: reguleerige deformatsiooniastet ja lõõmutustemperatuuri.
04. Teise faasi tugevdamine
Definitsioon
Mitmefaasilistes sulamites on lisaks maatriksfaasile ka teine faas. Kui peenelt hajutatud teise faasi osakesed on maatriksis ühtlaselt jaotunud, tugevdavad need sulamit märkimisväärselt. Seda nimetatakse teise-faasi tugevdamiseks.
Tüübid
Dislokatsiooni liikumise vaatenurgast liigitatakse teise{0}}faasi osakesed järgmiselt:
Mitte{0}}deformeeruvad osakesed: tugevdamine möödaviigumehhanismi kaudu (Orowani mehhanism).
Deformeeruvad osakesed: tugevdamine läbi lõikemehhanismi.
Dispersoidtugevdamine ja sademega karastamine on teise-faasi tugevdamise spetsiifilised vormid.
Efektid
Teise-faasi osakesed interakteeruvad dislokatsioonidega, takistades nende liikumist ja suurendades sulami vastupidavust deformatsioonile.
Muud tugevust mõjutavad tegurid
Sulami koostis, mikrostruktuur ja pinna olek.
Laadimistingimus: kiirus, režiim (tõmbetugevus vs tsükliline).
Proovi geomeetria ja katsekeskkond (nt vesiniku rabestumine võib tugevust drastiliselt vähendada).
Tugevdamise lähenemisviiside kokkuvõte
Kaks peamist viisi metallide tugevdamiseks:
Suurendage aatomi sidumisjõudu ja looge defektideta{0}}kristalle (nt vurrud).
Sisestage defektid (dislokatsioonid, lahustunud aine aatomid, terade piirid jne), et takistada dislokatsiooni liikumist -, mis on osutunud kõige tõhusamaks meetodiks.
Tehnilised materjalid toetuvad optimaalse jõudluse saavutamiseks tavaliselt tugevdusmehhanismide kombinatsioonile.
