חיזוק תמיסה מוצקה

1. הגדרה

תופעה שבה יסודות סגסוגת מומסים במתכת הבסיס כדי לגרום למידה מסוימת של עיוות סריג ובכך להגביר את חוזק הסגסוגת.

2. עיקרון

האטומים המומסים המומסים בתמיסה המוצקה גורמים לעיוות סריג, מה שמגביר את ההתנגדות לתנועת פריקה, מקשה על ההחלקה ומגביר את החוזק והקשיות של תמיסת הסגסוגת המוצקה. תופעה זו של חיזוק המתכת על ידי המסת יסוד מומס מסוים ליצירת תמיסה מוצקה נקראת חיזוק בתמיסה מוצקה. כאשר ריכוז האטומים המומסים מתאים, ניתן להגדיל את החוזק והקשיות של החומר, אך קשיחותו ופלסטיותו יורדים.

3. גורמים משפיעים

ככל שבר האטום של אטומי המומסים גבוה יותר, כך אפקט החיזוק גדול יותר, במיוחד כאשר שבר האטום נמוך מאוד, אפקט החיזוק משמעותי יותר.

ככל שההבדל בין אטומי המומס לגודל האטום של מתכת הבסיס גדול יותר, כך אפקט החיזוק גדול יותר.

לאטומי מומסים אינטרסטיציאליים יש אפקט חיזוק גדול יותר בתמיסה מוצקה מאשר לאטומי תחליף, ומכיוון שעיוות הסריג של אטומי אינטרסטיציאליים בגבישים קוביים בעלי ממורכז גוף אינו סימטרי, אפקט החיזוק שלהם גדול יותר מזה של גבישים קוביים בעלי ממורכז פנים; אך מסיסותם של אטומי אינטרסטיציאליים במוצק מוגבלת מאוד, כך שגם אפקט החיזוק בפועל מוגבל.

ככל שההבדל במספר אלקטרונים הערכיים בין אטומי המומס למתכת הבסיס גדול יותר, כך אפקט חיזוק התמיסה המוצקה ניכר יותר, כלומר, חוזק הכניעה של התמיסה המוצקה עולה עם עליית ריכוז אלקטרונים הערכיים.

4. מידת חיזוק התמיסה המוצקה תלויה בעיקר בגורמים הבאים

הפרש הגודל בין אטומי המטריצה ​​לאטומי המומס. ככל שהפרש הגודל גדול יותר, כך גדלה ההפרעה למבנה הגבישי המקורי, וכך קשה יותר להחלקת פריקה.

כמות יסודות הסגסוגת. ככל שמוסיפים יותר יסודות סגסוגת, כך גדל אפקט החיזוק. אם יותר מדי אטומים גדולים מדי או קטנים מדי, המסיסות תחרוג. זה כרוך במנגנון חיזוק נוסף, חיזוק פאזה מפוזרת.

לאטומי מומסים אינטרסטיציאליים יש אפקט חיזוק גדול יותר של תמיסה מוצקה מאשר לאטומי חלופה.

ככל שההבדל במספר אלקטרונים הערכיות בין אטומי המומס למתכת הבסיס גדול יותר, כך אפקט חיזוק התמיסה המוצקה משמעותי יותר.

5. אפקט

חוזק כניעה, חוזק מתיחה וקשיות חזקים יותר מאשר מתכות טהורות;

ברוב המקרים, הגמישות נמוכה מזו של מתכת טהורה;

המוליכות נמוכה בהרבה ממתכת טהורה;

ניתן לשפר את עמידות הזחילה, או אובדן חוזק בטמפרטורות גבוהות, על ידי חיזוק בתמיסה מוצקה.

התקשות עבודה

1. הגדרה

ככל שמידת העיוות הקור עולה, חוזקם וקשיותם של חומרי המתכת עולים, אך הפלסטיות והקשיחות פוחתות.

2. מבוא

תופעה שבה החוזק והקשיות של חומרי מתכת עולים כאשר הם עוברים עיוות פלסטי מתחת לטמפרטורת התגבשות מחדש, בעוד שהפלסטיות והקשיחות יורדות. ידוע גם כהקשייה בעבודה קרה. הסיבה לכך היא שכאשר המתכת עוברת עיוות פלסטי, גרגירי הגביש מחליקים ונקעים מסתבכים, מה שגורם לגרגירי הגביש להתארך, להישבר ולהתגבש לסיבים, ונוצרים מאמצים שיוריים במתכת. דרגת הקשייה בעבודה מתבטאת בדרך כלל ביחס בין המיקרו-קשיות של שכבת פני השטח לאחר העיבוד לזו שלפני העיבוד ועומק השכבה הקשה.

3. פרשנות מנקודת מבט של תורת הנקעים

(1) מתרחשת חיתוך בין נקעים, והחתכים הנובעים מכך מפריעים לתנועת הנקעים;

(2) מתרחשת תגובה בין נקעים, והנקע הקבועה שנוצרת מעכבת את תנועת הנקע;

(3) מתרחשת התפשטות של פריקות, והעלייה בצפיפות הפריקה מגבירה עוד יותר את ההתנגדות לתנועת הפריקה.

4. נזק

הקשיית עבודה מביאה קשיים לעיבוד נוסף של חלקי מתכת. לדוגמה, בתהליך גלגול קר של פלדת הפלדה, היא הופכת קשה יותר ויותר לגלגול, ולכן יש צורך לבצע חישול ביניים במהלך תהליך העיבוד כדי למנוע את הקשייתה על ידי חימום. דוגמה נוספת היא להפוך את פני השטח של חומר העבודה לשביר וקשה בתהליך החיתוך, ובכך להאיץ את שחיקת הכלי ולהגדיל את כוח החיתוך.

5. יתרונות

זה יכול לשפר את החוזק, הקשיות ועמידות הבלאי של מתכות, במיוחד עבור מתכות טהורות וסגסוגות מסוימות שלא ניתן לשפר אותן באמצעות טיפול בחום. לדוגמה, חוט פלדה בעל חוזק גבוה הנמשך בקור וקפיץ מפותל בקור וכו', משתמשים בעיוות בעבודה קרה כדי לשפר את החוזק ואת גבול האלסטיות שלהם. דוגמה נוספת היא השימוש בהקשחת עבודה כדי לשפר את הקשיות ועמידות הבלאי של טנקים, מסילות טרקטור, לסתות ריסוק ומשטחי מסילת רכבת.

6. תפקיד בהנדסת מכונות

לאחר משיכה קרה, גלגול ויישור שיניים (ראו חיזוק פני השטח) ותהליכים אחרים, ניתן לשפר משמעותית את חוזק פני השטח של חומרי מתכת, חלקים ורכיבים;

לאחר שהחלקים נמצאים תחת לחץ, המאמץ המקומי של חלקים מסוימים עולה לעיתים קרובות על גבול הכניעה של החומר, מה שגורם לעיוות פלסטי. עקב התקשות בעבודה, המשך התפתחות העיוות הפלסטי מוגבל, מה שיכול לשפר את בטיחות החלקים והרכיבים;

כאשר חלק או רכיב מתכתי מוטבע, העיוות הפלסטי שלו מלווה בחיזוק, כך שהעיוות מועבר לחלק הלא מעובד שסביבו. לאחר פעולות מתחלפות חוזרות ונשנות כאלה, ניתן להשיג חלקים בהטבעה קרה בעלי עיוות חתך אחיד;

זה יכול לשפר את ביצועי החיתוך של פלדה דלת פחמן ולהקל על ההפרדה של השבבים. אבל הקשחת עבודה גם מביאה קשיים לעיבוד נוסף של חלקי מתכת. לדוגמה, חוט פלדה נמשך בקור צורך הרבה אנרגיה לצורך מתיחה נוספת עקב הקשחת עבודה, ואף עלול להישבר. לכן, יש לחשל אותו כדי למנוע הקשחת עבודה לפני המתיחה. דוגמה נוספת היא שכדי להפוך את פני השטח של חומר העבודה לשביר וקשה במהלך החיתוך, כוח החיתוך גדל במהלך חיתוך חוזר, ובלאי הכלי מואץ.

חיזוק גרגירים עדינים

1. הגדרה

השיטה לשיפור התכונות המכניות של חומרי מתכת על ידי זיקוק גרגירי הגביש נקראת חיזוק זיקוק גבישים. בתעשייה, חוזק החומר משפרים על ידי זיקוק גרגירי הגביש.

2. עיקרון

מתכות הן בדרך כלל רב-גבישיות המורכבות ממספר גרגירי גביש. גודל גרגירי הגביש ניתן לבטא במספר גרגירי הגביש ליחידת נפח. ככל שהמספר גדול יותר, כך גרגירי הגביש דקים יותר. ניסויים מראים שלמתכות בעלות גרגירים דקים בטמפרטורת החדר יש חוזק, קשיות, פלסטיות וקשיחות גבוהים יותר מאשר מתכות בעלות גרגירים גסים. הסיבה לכך היא שהגרגירים הדקים עוברים דפורמציה פלסטית תחת כוח חיצוני וניתן לפזר אותם בגרגירים רבים יותר, הדפורמציה הפלסטית אחידה יותר וריכוז המאמץ נמוך יותר; בנוסף, ככל שהגרגירים דקים יותר, כך שטח גבול הגרגירים גדול יותר וגבולות הגרגירים מפותלים יותר. כך התפשטות הסדקים פחות שלילית. לכן, השיטה לשיפור חוזק החומר על ידי זיקוק גרגירי הגביש נקראת בתעשייה חיזוק זיקוק גרגירים.

3. אפקט

ככל שגודל הגרעין קטן יותר, כך מספר הנקעים (n) בצביר הנקעים קטן יותר. לפי τ=nτ0, ככל שריכוז המאמץ קטן יותר, כך חוזק החומר גבוה יותר;

חוק החיזוק של חיזוק גרגירים עדינים הוא שככל שיש יותר גבולות גרגירים, כך הגרגירים דקים יותר. על פי יחס הול-פייקי, ככל שהערך הממוצע (d) של הגרגירים קטן יותר, כך חוזק הכניעה של החומר גבוה יותר.

4. שיטת זיקוק הגרעינים

להגביר את מידת הקירור המשנה;

טיפול בהידרדרות;

רטט וערבוב;

עבור מתכות שעברו עיוות קר, ניתן לעדן את גרגרי הגביש על ידי שליטה במידת העיוות וטמפרטורת החישול.

חיזוק שלב שני

1. הגדרה

בהשוואה לסגסוגות חד-פאזיות, לסגסוגות רב-פאזיות יש פאזה שנייה בנוסף לפאזה המטריצה. כאשר הפאזה השנייה מתפזרת באופן אחיד בפאזה המטריצה ​​עם חלקיקים עדינים מפוזרים, תהיה לה אפקט חיזוק משמעותי. אפקט חיזוק זה נקרא חיזוק פאזה שנייה.

2. סיווג

עבור תנועת נקעים, לשלב השני הכלול בסגסוגת יש את שני המצבים הבאים:

(1) חיזוק חלקיקים שאינם ניתנים לעיוות (מנגנון עוקף).

(2) חיזוק חלקיקים הניתנים לעיוות (מנגנון חיתוך).

גם חיזוק פיזור וגם חיזוק משקעים הם מקרים מיוחדים של חיזוק פאזה שנייה.

3. אפקט

הסיבה העיקרית לחיזוק השלב השני היא האינטראקציה בינם לבין הנקע, אשר מעכבת את תנועת הנקע ומשפרת את עמידות הסגסוגת לעיוות.

לסיכום

הגורמים החשובים ביותר המשפיעים על החוזק הם ההרכב, המבנה ומצב פני השטח של החומר עצמו; השני הוא מצב הכוח, כגון מהירות הכוח, שיטת הטעינה, מתיחה פשוטה או כוח חוזר, יציגו חוזקות שונות; בנוסף, לגיאומטריה ולגודל הדגימה ולתווך הבדיקה יש גם השפעה רבה, לפעמים אפילו מכרעת. לדוגמה, חוזק המתיחה של פלדה בעלת חוזק גבוה במיוחד באטמוספרת מימן עשוי לרדת באופן אקספוננציאלי.

ישנן רק שתי דרכים לחזק חומרי מתכת. האחת היא להגדיל את כוח הקישור הבין-אטומי של הסגסוגת, להגדיל את חוזקה התיאורטי, ולהכין גביש שלם ללא פגמים, כגון שפם. ידוע שחוזק שפם הברזל קרוב לערך התיאורטי. ניתן להסיק מכך שהסיבה לכך היא שאין נקעים בשפם, או רק כמות קטנה של נקעים שלא יכולים להתרבות במהלך תהליך העיוות. למרבה הצער, כאשר קוטר השפם גדול יותר, החוזק יורד בחדות. גישת חיזוק נוספת היא להכניס מספר רב של פגמי גביש לגביש, כגון נקעים, פגמי נקודתיים, אטומים הטרוגניים, גבולות גרגירים, חלקיקים מפוזרים מאוד או אי-הומוגניות (כגון הפרדה) וכו'. פגמים אלה מעכבים את תנועת הנקעים וגם משפרים משמעותית את חוזק המתכת. עובדות הוכיחו שזוהי הדרך היעילה ביותר להגביר את חוזק המתכות. עבור חומרי הנדסה, בדרך כלל באמצעות אפקטי חיזוק מקיפים משיגים ביצועים מקיפים טובים יותר.