01. Versterking van vaste oplossingen
Definitie
Versterking van vaste oplossingen is het fenomeen waarbij legeringselementen oplossen in het basismetaal, waardoor roostervervorming ontstaat en de sterkte van de legering toeneemt.
Beginsel
Opgeloste atomen die oplossen in de vaste oplossing creëren roostervervorming, waardoor de weerstand tegen dislocatiebewegingen toeneemt, waardoor slip moeilijker wordt. Als gevolg hiervan nemen de sterkte en hardheid van de vaste oplossing van de legering toe. Dit versterkingsmechanisme is afhankelijk van het oplossen van opgeloste atomen om een vaste oplossing te vormen. Met de juiste concentratie opgeloste stoffen verbeteren de sterkte en hardheid van het materiaal, hoewel de taaiheid en ductiliteit kunnen afnemen.
Beïnvloedende factoren
Hoe hoger de atomaire fractie van opgeloste atomen, hoe sterker het versterkende effect, vooral bij lage concentraties.
Hoe groter het verschil in grootte tussen opgeloste atomen en basismetaalatomen, hoe belangrijker de versterking.
Interstitiële opgeloste atomen hebben een sterker versterkend effect dan substitutionele atomen. In in het lichaam-gecentreerde kubische kristallen veroorzaken interstitiële atomen asymmetrische roostervervorming, wat resulteert in een grotere versterking dan in in het vlak-gecentreerde kubieke kristallen. De oplosbaarheid van interstitiële atomen is echter beperkt.
Hoe groter het verschil in valentie-elektronenaantallen tussen opgeloste atomen en basisatomen, hoe sterker het versterkende effect. De vloeigrens neemt toe met de elektronenconcentratie.
Mate van versterking hangt af van:
Grootteverschil tussen opgeloste atomen en basisatomen: Een grotere mismatch in grootte verhoogt de dislocatieweerstand.
Aantal legeringselementen: Meer legeringseffect=sterker, maar overmatige hoeveelheden kunnen de oplosbaarheidslimiet overschrijden en vereisen andere versterkingsmethoden, zoals versterking in de tweede fase.
Interstitiële atomen versterken meer dan substitutionele atomen.
Valentie-elektronenverschil tussen opgeloste stof en matrixmetaal verbetert de versterking.
Effecten
De vloeigrens, treksterkte en hardheid overtreffen die van zuivere metalen.
Over het algemeen lagere ductiliteit vergeleken met zuivere metalen.
Lagere elektrische geleidbaarheid dan zuivere metalen.
Verbeterde kruipweerstand en sterkte bij hoge- temperaturen.
02. Werkverharding (rekverharding)
Definitie
Naarmate de koude vervorming toeneemt, nemen de sterkte en hardheid van een metaal toe, terwijl de plasticiteit en taaiheid afnemen.
Overzicht
Wanneer metalen plastisch worden vervormd onder hun herkristallisatietemperatuur, worden ze sterker en harder, maar minder taai en taai. Ook bekend als koudwerkende verharding. Tijdens plastische vervorming raken dislocaties verstrikt, worden korrels langer, breken ze en worden vezelig. Reststress wordt geïntroduceerd. De mate van verharding wordt gewoonlijk gemeten aan de hand van de verhouding van de microhardheid van het oppervlak vóór en na vervorming en de diepte van de geharde laag.
Dislocatietheorie uitleg
Dislocaties kruisen elkaar en vormen stap-achtige obstakels voor beweging.
Dislocaties reageren en vormen immobiele dislocaties die beweging belemmeren.
Dislocatievermenigvuldiging verhoogt de dichtheid, waardoor beweging verder wordt belemmerd.
Nadelen
Werkverharding bemoeilijkt de verdere verwerking. Koudgewalst staal wordt bijvoorbeeld steeds harder en onwerkbaar, waardoor tussentijds uitgloeien nodig is om zacht te worden. Bij het verspanen verhoogt oppervlakteharding de snijkracht en gereedschapslijtage.
Voordelen
Verbetert de metaalsterkte, hardheid en slijtvastheid, vooral voor zuivere metalen en legeringen die niet kunnen worden versterkt door warmtebehandeling (bijv. koud-getrokken hoog-draden, koud-gewalste veren, tanksporen, brekerkaken, spoorwegwissels).
Toepassingen in de machinebouw
Koudtrekken, walsen en kogelstralen verhogen de oppervlaktesterkte van materialen en componenten aanzienlijk.
Gelokaliseerde plastische vervorming onder spanning kan worden beperkt als gevolg van verharding, waardoor de veiligheid van de componenten wordt verbeterd.
Bij het stempelen leiden verharde gebieden de vervorming naar zachtere gebieden, waardoor uniforme vervorming over de secties mogelijk is.
Verbetert de bewerkbaarheid van staal met een laag-koolstofgehalte, doordat spanen makkelijker te scheiden zijn. Het verhoogt echter het energieverbruik bij de verdere verwerking en de gereedschapsslijtage bij de bewerking.
03. Versterking van graanverfijning
Definitie
Versterking van de korrelverfijning verbetert de mechanische eigenschappen door de korrelgrootte te verkleinen.
Beginsel
Metalen zijn polykristallijn. Kleinere korrels (dwz meer korrels per volume-eenheid) resulteren in een hogere sterkte, hardheid, plasticiteit en taaiheid. Fijnere korrels verdelen de vervorming gelijkmatiger, verminderen de spanningsconcentratie en belemmeren de voortplanting van scheuren. Het raffineren van granen verbetert dus de sterkte.
Effecten
Fijnere korrels verminderen de dislocatiestapelspanning-, waardoor de sterkte toeneemt.
Volgens de Hall-Petch-relatie leidt een kleinere korrelgrootte ddd tot een hogere vloeigrens.
Methoden om granen te verfijnen
Verhoog de onderkoeling.
Inenting behandeling.
Trillen en roeren tijdens stollen.
Bij koude-vervormde metalen: controleer de vervormingsgraad en de gloeitemperatuur.
04. Tweede fase Versterking
Definitie
In meerfaselegeringen bestaat er naast de matrixfase een tweede fase. Wanneer fijn verspreide deeltjes uit de tweede- fase gelijkmatig in de matrix worden verdeeld, versterken ze de legering aanzienlijk. Dit staat bekend als versterking in de tweede- fase.
Soorten
Vanuit het perspectief van dislocatiebeweging worden deeltjes uit de tweede-fase geclassificeerd in:
Niet-vervormbare deeltjes: versterking via bypass-mechanisme (Orowan-mechanisme).
Vervormbare deeltjes: versterking via snijmechanisme.
Dispersoïdeversterking en precipitatieverharding zijn specifieke vormen van versterking in de tweede- fase.
Effecten
Deeltjes uit de tweede-fase hebben een wisselwerking met dislocaties, waardoor hun beweging wordt belemmerd en de weerstand van de legering tegen vervorming toeneemt.
Andere factoren die de kracht beïnvloeden
De samenstelling, microstructuur en oppervlaktetoestand van de legering.
Laadtoestand: snelheid, modus (trekvast vs. cyclisch).
Monstergeometrie en testomgeving (bijvoorbeeld waterstofverbrossing kan de sterkte drastisch verminderen).
Samenvatting van versterkende benaderingen
Twee belangrijke manieren om metalen te versterken:
Vergroot de atomaire bindingskracht en creëer defect-kristallen (bijvoorbeeld snorharen).
Het introduceren van defecten (dislocaties, atomen van opgeloste stoffen, korrelgrenzen, enz.) om de beweging van dislocaties te belemmeren - is de meest effectieve methode gebleken.
Technische materialen zijn doorgaans afhankelijk van een combinatie van versterkingsmechanismen om optimale prestaties te bereiken.
