01. Stärkung der festen Lösung
Definition
Bei der Festlösungsverfestigung handelt es sich um das Phänomen, bei dem sich Legierungselemente im Grundmetall auflösen, was zu einer Gitterverzerrung führt und die Festigkeit der Legierung erhöht.
Prinzip
Gelöste Atome, die sich in der festen Lösung auflösen, erzeugen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöht und das Gleiten erschwert. Dadurch nehmen Festigkeit und Härte der Legierungsmischkristalle zu. Dieser Verstärkungsmechanismus beruht auf der Auflösung gelöster Atome, um eine feste Lösung zu bilden. Bei entsprechender Konzentration an gelösten Stoffen verbessern sich die Festigkeit und Härte des Materials, obwohl seine Zähigkeit und Duktilität abnehmen können.
Einflussfaktoren
Je höher der Atomanteil der gelösten Atome ist, desto stärker ist der verstärkende Effekt, insbesondere bei niedrigen Konzentrationen.
Je größer der Größenunterschied zwischen gelösten Atomen und unedlen Metallatomen ist, desto signifikanter ist die Verstärkung.
Zwischengitteratome gelöster Stoffe haben eine stärkere verstärkende Wirkung als Ersatzatome. In raum-zentrierten kubischen Kristallen verursachen interstitielle Atome eine asymmetrische Gitterverzerrung, was zu einer größeren Festigkeit führt als in flächen-zentrierten kubischen Kristallen. Allerdings ist die Löslichkeit interstitieller Atome begrenzt.
Je größer der Unterschied in der Valenzelektronenzahl zwischen gelösten Atomen und Basisatomen ist, desto stärker ist der verstärkende Effekt. Die Streckgrenze steigt mit der Elektronenkonzentration.
Der Grad der Verstärkung hängt davon ab:
Größenunterschied zwischen gelösten Atomen und Basisatomen: Ein größerer Größenunterschied erhöht den Versetzungswiderstand.
Menge an Legierungselementen: Mehr Legierung=stärkere Wirkung, aber übermäßige Mengen können die Löslichkeitsgrenze überschreiten und andere Verstärkungsmethoden wie die Zweitphasenverfestigung erfordern.
Zwischengitteratome verstärken stärker als Ersatzatome.
Der Valenzelektronenunterschied zwischen gelöstem Stoff und Matrixmetall erhöht die Festigkeit.
Effekte
Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte übertreffen die von reinen Metallen.
Im Allgemeinen geringere Duktilität im Vergleich zu reinen Metallen.
Geringere elektrische Leitfähigkeit als reine Metalle.
Verbesserte Kriechfestigkeit und Hochtemperaturfestigkeit.
02. Kaltverfestigung (Kaltverfestigung)
Definition
Mit zunehmender Kaltverformung steigen Festigkeit und Härte eines Metalls, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen.
Überblick
Wenn Metalle unterhalb ihrer Rekristallisationstemperatur plastisch verformt werden, werden sie fester und härter, aber weniger duktil und zäh. Auch Kaltverfestigung genannt. Bei der plastischen Verformung verhaken sich die Versetzungen, die Körner verlängern sich, brechen und werden faserig. Es entsteht Eigenspannung. Der Härtegrad wird üblicherweise anhand des Verhältnisses der Oberflächenmikrohärte vor und nach der Verformung und der Tiefe der gehärteten Schicht gemessen.
Erklärung der Versetzungstheorie
Versetzungen kreuzen sich und bilden stufenartige Bewegungshindernisse.
Luxationen reagieren mit der Bildung unbeweglicher Luxationen, die die Bewegung behindern.
Die Versetzungsvervielfachung erhöht die Dichte und behindert die Bewegung weiter.
Nachteile
Die Kaltverfestigung erschwert die Weiterverarbeitung. Beispielsweise wird kalt-gewalzter Stahl immer härter und nicht mehr bearbeitbar, so dass er zum Erweichen zwischenzeitlich geglüht werden muss. Bei der Bearbeitung erhöht die Oberflächenhärtung die Schnittkraft und den Werkzeugverschleiß.
Vorteile
Verbessert die Metallfestigkeit, Härte und Verschleißfestigkeit, insbesondere bei reinen Metallen und Legierungen, die nicht durch Wärmebehandlung verstärkt werden können (z. B. kalt-gezogene hoch-Drähte, kalt-gewalzte Federn, Panzerketten, Brechbacken, Eisenbahnweichen).
Anwendungen im Maschinenbau
Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen erhöhen die Oberflächenfestigkeit von Materialien und Bauteilen erheblich.
Lokale plastische Verformungen unter Belastung können durch Kaltverfestigung begrenzt werden, was die Bauteilsicherheit erhöht.
Beim Stanzen leiten gehärtete Bereiche die Verformung auf weichere Bereiche und ermöglichen so eine gleichmäßige Verformung über die Abschnitte hinweg.
Verbessert die Bearbeitbarkeit von kohlenstoffarmen Stählen, indem die Späne leichter getrennt werden können. Es erhöht jedoch den Energieverbrauch bei der Weiterverarbeitung und den Werkzeugverschleiß bei der Bearbeitung.
03. Kornverfeinerung, Stärkung
Definition
Durch die Kornverfeinerung werden die mechanischen Eigenschaften verbessert, indem die Korngröße verringert wird.
Prinzip
Metalle sind polykristallin. Kleinere Körner (d. h. mehr Körner pro Volumeneinheit) führen zu höherer Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit. Feinere Körner verteilen die Verformung gleichmäßiger, verringern die Spannungskonzentration und verhindern die Rissausbreitung. Somit erhöht die Verfeinerung der Körner die Festigkeit.
Effekte
Feinere Körner verringern die durch Versetzungen entstehende Spannung und erhöhen die Festigkeit.
Gemäß der Hall-Petch-Beziehung führt eine kleinere Korngröße ddd zu einer höheren Streckgrenze.
Methoden zur Veredelung von Getreide
Unterkühlung erhöhen.
Impfbehandlung.
Vibration und Rühren während der Erstarrung.
Bei kalt-verformten Metallen: Kontrollieren Sie den Verformungsgrad und die Glühtemperatur.
04. Zweite Phase der Stärkung
Definition
In mehrphasigen Legierungen existiert neben der Matrixphase eine zweite Phase. Wenn fein dispergierte Partikel der zweiten -Phase gleichmäßig in der Matrix verteilt sind, verstärken sie die Legierung erheblich. Dies wird als Verstärkung der zweiten-Phase bezeichnet.
Typen
Aus der Perspektive der Versetzungsbewegung werden Partikel der zweiten -Phase wie folgt klassifiziert:
Nicht-verformbare Partikel: Verstärkung durch Bypass-Mechanismus (Orowan-Mechanismus).
Verformbare Partikel: Verstärkung durch Schneidmechanismus.
Dispersoidverfestigung und Ausfällungshärtung sind spezifische Formen der Zweitphasenverfestigung.
Effekte
Partikel der zweiten -Phase interagieren mit Versetzungen, behindern deren Bewegung und erhöhen den Widerstand der Legierung gegen Verformung.
Andere Faktoren, die die Stärke beeinflussen
Die Zusammensetzung, Mikrostruktur und der Oberflächenzustand der Legierung.
Belastungsbedingung: Geschwindigkeit, Modus (Zug vs. zyklisch).
Probengeometrie und Testumgebung (z. B. Wasserstoffversprödung kann die Festigkeit drastisch reduzieren).
Zusammenfassung der Stärkungsansätze
Zwei Hauptwege zur Stärkung von Metallen:
Erhöhen Sie die atomare Bindungskraft und erzeugen Sie fehlerfreie Kristalle (z. B. Whisker).
Das Einführen von Defekten (Versetzungen, gelöste Atome, Korngrenzen usw.) zur Behinderung der Versetzungsbewegung - hat sich als die effektivste Methode erwiesen.
Technische Materialien beruhen typischerweise auf einer Kombination von Verstärkungsmechanismen, um eine optimale Leistung zu erzielen.
