01. Rafforzamento della soluzione solida
Definizione
Il rafforzamento della soluzione solida è il fenomeno in cui gli elementi leganti si dissolvono nel metallo di base, provocando la distorsione del reticolo e aumentando la resistenza della lega.
Principio
Gli atomi di soluto che si dissolvono nella soluzione solida creano una distorsione del reticolo, che aumenta la resistenza al movimento delle dislocazioni, rendendo più difficile lo scivolamento. Di conseguenza, la resistenza e la durezza della soluzione solida della lega aumentano. Questo meccanismo di rafforzamento si basa sulla dissoluzione degli atomi di soluto per formare una soluzione solida. Con un'appropriata concentrazione di soluto, la resistenza e la durezza del materiale migliorano, sebbene la sua tenacità e duttilità possano diminuire.
Fattori che influenzano
Maggiore è la frazione atomica degli atomi di soluto, più forte è l'effetto rinforzante, soprattutto a basse concentrazioni.
Maggiore è la differenza dimensionale tra gli atomi del soluto e del metallo base, più significativo è il rafforzamento.
Gli atomi di soluto interstiziali hanno un effetto rinforzante più forte di quelli sostitutivi. Nei cristalli cubici a corpo-centrato, gli atomi interstiziali causano una distorsione asimmetrica del reticolo, con conseguente rafforzamento maggiore rispetto ai cristalli cubici a faccia-centrata. Tuttavia, la solubilità degli atomi interstiziali è limitata.
Maggiore è la differenza nei numeri di elettroni di valenza tra soluto e atomi di base, più forte è l'effetto di rafforzamento. Il limite di snervamento aumenta con la concentrazione di elettroni.
Il grado di rafforzamento dipende da:
Differenza dimensionale tra soluto e atomi di base: una maggiore discrepanza dimensionale aumenta la resistenza alla dislocazione.
Quantità di elementi di lega: maggiore lega=effetto più forte, ma quantità eccessive possono superare il limite di solubilità e richiedere altri metodi di rafforzamento come il rafforzamento della seconda fase.
Gli atomi interstiziali si rafforzano più degli atomi sostitutivi.
La differenza di elettroni di valenza tra il soluto e la matrice metallica aumenta il rafforzamento.
Effetti
Il carico di snervamento, la resistenza alla trazione e la durezza superano quelli dei metalli puri.
Duttilità generalmente inferiore rispetto ai metalli puri.
Conduttività elettrica inferiore rispetto ai metalli puri.
Resistenza allo scorrimento viscoso e resistenza alle alte-temperature migliorate.
02. Incrudimento (incrudimento)
Definizione
All’aumentare della deformazione a freddo, la resistenza e la durezza di un metallo aumentano, mentre la plasticità e la tenacità diminuiscono.
Panoramica
Quando i metalli vengono deformati plasticamente al di sotto della temperatura di ricristallizzazione, diventano più forti e duri ma meno duttili e tenaci. Conosciuto anche come indurimento per lavorazione a freddo. Durante la deformazione plastica, le lussazioni si impigliano, i grani si allungano, si rompono e diventano fibrosi. Viene introdotta la tensione residua. Il grado di indurimento viene solitamente misurato dal rapporto tra la microdurezza superficiale prima e dopo la deformazione e la profondità dello strato indurito.
Spiegazione della teoria delle lussazioni
Le dislocazioni si intersecano e formano gradini-come ostacoli al movimento.
Le lussazioni reagiscono per formare dislocazioni immobili che ostacolano il movimento.
La moltiplicazione delle dislocazioni aumenta la densità, impedendo ulteriormente il movimento.
Svantaggi
L'incrudimento complica l'ulteriore lavorazione. Ad esempio, l'acciaio laminato a freddo- diventa sempre più duro e impraticabile e richiede una ricottura intermedia per ammorbidirlo. Nella lavorazione, l'indurimento superficiale aumenta la forza di taglio e l'usura dell'utensile.
Vantaggi
Migliora la robustezza, la durezza e la resistenza all'usura dei metalli, in particolare per i metalli puri e le leghe che non possono essere rinforzati mediante trattamento termico (ad es. fili ad alta resistenza-trafilati a freddo-, molle-laminate a freddo, binari di serbatoi, mascelle di frantoi, scambi ferroviari).
Applicazioni in ingegneria meccanica
La trafilatura a freddo, la laminazione e la pallinatura aumentano notevolmente la resistenza superficiale di materiali e componenti.
La deformazione plastica localizzata sotto stress può essere limitata grazie all'incrudimento, migliorando la sicurezza dei componenti.
Nello stampaggio, le aree indurite dirigono la deformazione verso regioni più morbide, consentendo una deformazione uniforme attraverso le sezioni.
Migliora la lavorabilità degli acciai a basso-carbonio facilitando la separazione dei trucioli. Tuttavia, aumenta il consumo di energia nelle lavorazioni successive e l'usura degli utensili durante la lavorazione.
03. Raffinamento del grano Rafforzamento
Definizione
Il rafforzamento dell'affinamento del grano migliora le proprietà meccaniche riducendo la dimensione del grano.
Principio
I metalli sono policristallini. Grani più piccoli (cioè un numero maggiore di grani per unità di volume) determinano maggiore resistenza, durezza, plasticità e tenacità. I grani più fini distribuiscono la deformazione in modo più uniforme, riducono la concentrazione delle sollecitazioni e ostacolano la propagazione delle cricche. Pertanto, la raffinazione dei cereali aumenta la forza.
Effetti
La grana più fine riduce lo stress da accumulo di dislocazioni-aumentando la resistenza.
Secondo la relazione Hall-Petch, una dimensione del grano più piccola ddd porta ad una maggiore resistenza allo snervamento.
Metodi per raffinare i cereali
Aumentare il sottoraffreddamento.
Trattamento di inoculazione.
Vibrazioni e agitazione durante la solidificazione.
Nei metalli-deformati a freddo: controllo del grado di deformazione e della temperatura di ricottura.
04. Seconda Fase di Potenziamento
Definizione
Nelle leghe multifase, oltre alla fase di matrice, esiste una seconda fase. Quando le particelle finemente disperse della seconda fase- sono distribuite uniformemente nella matrice, rafforzano significativamente la lega. Questo è noto come rafforzamento della seconda-fase.
Tipi
Dal punto di vista del movimento delle dislocazioni, le particelle della seconda-fase sono classificate in:
Particelle non-deformabili: rafforzamento tramite meccanismo di bypass (meccanismo Orowan).
Particelle deformabili: rafforzamento tramite meccanismo di taglio.
Il rafforzamento dispersoide e l'indurimento per precipitazione sono forme specifiche di rafforzamento della seconda-fase.
Effetti
Le particelle della seconda-fase interagiscono con le dislocazioni, impedendone il movimento e aumentando la resistenza della lega alla deformazione.
Altri fattori che influenzano la forza
Composizione, microstruttura e stato superficiale della lega.
Condizioni di carico: velocità, modalità (trazione vs. ciclico).
Geometria del campione e ambiente di prova (ad esempio, l'infragilimento da idrogeno può ridurre drasticamente la resistenza).
Riepilogo degli approcci di rafforzamento
Due percorsi principali per rafforzare i metalli:
Aumenta la forza di legame atomico e crea cristalli-privi di difetti (ad es. baffi).
Introdurre difetti (dislocazioni, atomi di soluto, bordi dei grani, ecc.) per ostacolare il movimento delle dislocazioni - dimostrato di essere il metodo più efficace.
I materiali tecnici in genere si basano su una combinazione di meccanismi di rinforzo per ottenere prestazioni ottimali.
