01. Styrkelse af fast opløsning
Definition
Forstærkning af fast opløsning er det fænomen, hvor legeringselementer opløses i basismetallet, hvilket forårsager gitterforvrængning og øger legeringens styrke.
Princip
Opløste atomer, der opløses i den faste opløsning, skaber gitterforvrængning, hvilket øger modstanden mod dislokationsbevægelser, hvilket gør glide vanskeligere. Som et resultat øges styrken og hårdheden af den faste legeringsopløsning. Denne forstærkningsmekanisme er afhængig af at opløse opløste atomer for at danne en fast opløsning. Med passende koncentration af opløst stof forbedres materialets styrke og hårdhed, selvom dets sejhed og duktilitet kan falde.
Påvirkningsfaktorer
Jo højere atomfraktionen af opløste atomer er, jo stærkere er den styrkende virkning, især ved lave koncentrationer.
Jo større størrelsesforskellen mellem opløste og uædle metalatomer er, jo større er forstærkningen.
Interstitielle opløste atomer har en stærkere forstærkende effekt end substituerende. I krops-centrerede kubiske krystaller forårsager interstitielle atomer asymmetrisk gitterforvrængning, hvilket resulterer i større forstærkning end i ansigtscentrerede kubiske krystaller. Imidlertid er opløseligheden af interstitielle atomer begrænset.
Jo større forskellen er i valenselektrontal mellem opløste atomer og baseatomer, jo stærkere er den styrkende effekt. Flydestyrken stiger med elektronkoncentrationen.
Grad af styrkelse afhænger af:
Størrelsesforskel mellem opløst stof og baseatomer: Større størrelsesmismatch øger dislokationsmodstanden.
Mængde af legeringselementer: Mere legerende=stærkere effekt, men for store mængder kan overskride opløselighedsgrænsen og kræve andre forstærkningsmetoder såsom anden fase forstærkning.
Interstitielle atomer styrker mere end substitutionsatomer.
Valenselektronforskel mellem opløst stof og matrixmetal forbedrer styrkelsen.
Effekter
Flydestyrke, trækstyrke og hårdhed overstiger dem for rene metaller.
Generelt lavere duktilitet sammenlignet med rene metaller.
Lavere elektrisk ledningsevne end rene metaller.
Forbedret krybemodstand og høj-temperaturstyrke.
02. Arbejdshærdning (Strain Hardening)
Definition
Når kold deformation øges, stiger styrken og hårdheden af et metal, mens plasticiteten og sejheden falder.
Oversigt
Når metaller deformeres plastisk under deres omkrystallisationstemperatur, bliver de stærkere og hårdere, men mindre duktile og seje. Også kendt som koldbearbejdningshærdning. Under plastisk deformation vikler dislokationer sig, korn forlænges, knækker og bliver fibrøse. Reststress introduceres. Hærdningsgraden måles normalt ved forholdet mellem overfladens mikrohårdhed før og efter deformation og dybden af det hærdede lag.
Dislokationsteori Forklaring
Forskydninger krydser hinanden og danner trin-som forhindringer for bevægelse.
Dislokationer reagerer på at danne immobile dislokationer, der hindrer bevægelse.
Dislokationsmultiplikation øger tætheden, hvilket yderligere hæmmer bevægelse.
Ulemper
Arbejdshærdning komplicerer videre bearbejdning. For eksempel bliver koldt-valset stål stadig mere hårdt og uanvendeligt, hvilket kræver mellemudglødning for at blive blødgjort. Ved bearbejdning øger overfladehærdning skærekraft og værktøjsslid.
Fordele
Forbedrer metalstyrke, hårdhed og slidstyrke, især for rene metaller og legeringer, der ikke kan styrkes ved varmebehandling (f.eks. kold-trukne tråde med høj-styrke, kold-valsede fjedre, tankspor, knuserkæber, jernbanekontakter).
Ansøgninger inden for maskinteknik
Koldtrækning, rulning og shotpeening øger i høj grad overfladestyrken af materialer og komponenter.
Lokaliseret plastisk deformation under stress kan begrænses på grund af arbejdshærdning, hvilket forbedrer komponentsikkerheden.
Ved stempling dirigerer hærdede områder deformation til blødere områder, hvilket muliggør ensartet deformation på tværs af sektioner.
Forbedrer bearbejdeligheden af stål med lavt-kulstofindhold ved at gøre spåner nemmere at adskille. Det øger dog energiforbruget ved videre bearbejdning og værktøjsslid ved bearbejdning.
03. Styrkelse af kornforfining
Definition
Forstærkning af kornforfining forbedrer de mekaniske egenskaber ved at reducere kornstørrelsen.
Princip
Metaller er polykrystallinske. Mindre korn (dvs. flere korn pr. volumenenhed) resulterer i højere styrke, hårdhed, plasticitet og sejhed. Finere korn fordeler deformation mere jævnt, reducerer stresskoncentrationen og hindrer sprækkeudbredelse. Således forbedrer raffinering af korn styrke.
Effekter
Finere korn reducerer forvridning,-ophober stress og øger styrken.
Ifølge Hall-Petch-forholdet fører mindre kornstørrelse ddd til højere flydespænding.
Metoder til at forfine korn
Øg underkølingen.
Inokulationsbehandling.
Vibration og omrøring under størkning.
I kolde-deformerede metaller: kontroller deformationsgraden og udglødningstemperaturen.
04. Anden fase styrkelse
Definition
I flerfaselegeringer eksisterer der foruden matrixfasen en anden fase. Når fint dispergerede anden-fasepartikler er ensartet fordelt i matrixen, styrker de legeringen betydeligt. Dette er kendt som anden-faseforstærkning.
Typer
Fra perspektivet af dislokationsbevægelse klassificeres anden-fasepartikler i:
Ikke-deformerbare partikler: forstærkning via bypass-mekanisme (Orowan-mekanisme).
Deformerbare partikler: forstærkning via skæremekanisme.
Dispersoidforstærkning og udfældningshærdning er specifikke former for anden-faseforstærkning.
Effekter
Anden-fasepartikler interagerer med dislokationer, hæmmer deres bevægelse og øger legeringens modstand mod deformation.
Andre faktorer, der påvirker styrke
Legeringens sammensætning, mikrostruktur og overfladetilstand.
Belastningstilstand: hastighed, tilstand (trækstyrke vs. cyklisk).
Prøve geometri og testmiljø (f.eks. kan brintskørhed reducere styrken drastisk).
Sammenfatning af styrkende tilgange
To hovedveje til at styrke metaller:
Øg den atomare bindingskraft og skab defekte-frie krystaller (f.eks. knurhår).
Indfør defekter (dislokationer, opløste atomer, korngrænser osv.) for at hindre dislokationsbevægelser -, som har vist sig at være den mest effektive metode.
Tekniske materialer er typisk afhængige af en kombination af forstærkningsmekanismer for at opnå optimal ydeevne.
