Fortalecimento de solução sólida

1. Definição

Fenômeno no qual elementos de liga são dissolvidos no metal base para causar um certo grau de distorção da rede e, assim, aumentar a resistência da liga.

2. Princípio

Os átomos de soluto dissolvidos na solução sólida causam distorção da rede, o que aumenta a resistência ao movimento de discordância, dificulta o deslizamento e aumenta a resistência e a dureza da solução sólida da liga. Este fenômeno de fortalecimento do metal pela dissolução de um determinado elemento de soluto para formar uma solução sólida é chamado de fortalecimento por solução sólida. Quando a concentração de átomos de soluto é apropriada, a resistência e a dureza do material podem aumentar, mas sua tenacidade e plasticidade diminuem.

3. Fatores de influência

Quanto maior a fração atômica dos átomos de soluto, maior o efeito de fortalecimento, principalmente quando a fração atômica é muito baixa, o efeito de fortalecimento é mais significativo.

Quanto maior a diferença entre os átomos do soluto e o tamanho atômico do metal base, maior será o efeito de fortalecimento.

Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida maior do que os átomos de substituição, e como a distorção da rede dos átomos intersticiais em cristais cúbicos de corpo centrado é assimétrica, seu efeito de fortalecimento é maior do que o dos cristais cúbicos de face centrada; mas átomos intersticiais A solubilidade sólida é muito limitada, portanto o efeito real de fortalecimento também é limitado.

Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre os átomos do soluto e o metal base, mais óbvio será o efeito de fortalecimento da solução sólida, ou seja, o limite de escoamento da solução sólida aumenta com o aumento da concentração de elétrons de valência.

4. O grau de fortalecimento da solução sólida depende principalmente dos seguintes fatores

A diferença de tamanho entre os átomos da matriz e os átomos do soluto. Quanto maior a diferença de tamanho, maior será a interferência na estrutura cristalina original e mais difícil será o deslizamento da discordância.

A quantidade de elementos de liga. Quanto mais elementos de liga forem adicionados, maior será o efeito de fortalecimento. Se muitos átomos forem muito grandes ou muito pequenos, a solubilidade será excedida. Isto envolve outro mecanismo de fortalecimento, o fortalecimento da fase dispersa.

Os átomos de soluto intersticiais têm um efeito de fortalecimento da solução sólida maior do que os átomos de substituição.

Quanto maior a diferença no número de elétrons de valência entre os átomos do soluto e o metal base, mais significativo será o efeito de fortalecimento da solução sólida.

5. Efeito

A resistência ao escoamento, a resistência à tração e a dureza são mais fortes que os metais puros;

Na maioria dos casos, a ductilidade é inferior à do metal puro;

A condutividade é muito inferior à do metal puro;

A resistência à fluência, ou perda de resistência em altas temperaturas, pode ser melhorada pelo reforço com solução sólida.

Endurecimento por trabalho

1. Definição

À medida que o grau de deformação a frio aumenta, a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam, mas a plasticidade e a tenacidade diminuem.

2. Introdução

Fenômeno no qual a resistência e a dureza dos materiais metálicos aumentam quando eles são deformados plasticamente abaixo da temperatura de recristalização, enquanto a plasticidade e a tenacidade diminuem. Também conhecido como endurecimento por trabalho a frio. A razão é que quando o metal é deformado plasticamente, os grãos de cristal escorregam e os deslocamentos ficam emaranhados, o que faz com que os grãos de cristal se alongem, quebrem e fibrem, e tensões residuais são geradas no metal. O grau de endurecimento por trabalho é geralmente expresso pela razão entre a microdureza da camada superficial após o processamento e aquela antes do processamento e a profundidade da camada endurecida.

3. Interpretação na perspectiva da teoria das luxações

(1) A intersecção ocorre entre as discordâncias, e os cortes resultantes dificultam o movimento das discordâncias;

(2) Ocorre uma reação entre os deslocamentos, e o deslocamento fixo formado dificulta o movimento do deslocamento;

(3) Ocorre a proliferação de luxações e o aumento na densidade das luxações aumenta ainda mais a resistência ao movimento das luxações.

4. Dano

O endurecimento por trabalho traz dificuldades para o processamento posterior de peças metálicas. Por exemplo, no processo de laminação a frio da chapa de aço, ela ficará cada vez mais difícil de laminar, por isso é necessário providenciar um recozimento intermediário durante o processo de processamento para eliminar seu endurecimento por aquecimento. Outro exemplo é tornar a superfície da peça quebradiça e dura no processo de corte, acelerando assim o desgaste da ferramenta e aumentando a força de corte.

5. Benefícios

Pode melhorar a resistência, a dureza e a resistência ao desgaste dos metais, especialmente para os metais puros e certas ligas que não podem ser melhoradas por tratamento térmico. Por exemplo, fio de aço de alta resistência trefilado a frio e mola enrolada a frio, etc., usam deformação por trabalho a frio para melhorar sua resistência e limite elástico. Outro exemplo é o uso de endurecimento para melhorar a dureza e a resistência ao desgaste de tanques, esteiras de tratores, mandíbulas de britadores e desvios ferroviários.

6. Papel na engenharia mecânica

Após trefilação a frio, laminação e shot peening (ver reforço de superfície) e outros processos, a resistência superficial de materiais metálicos, peças e componentes pode ser significativamente melhorada;

Depois que as peças são tensionadas, a tensão local de certas peças geralmente excede o limite de escoamento do material, causando deformação plástica. Devido ao endurecimento por trabalho, o desenvolvimento contínuo de deformação plástica é restrito, o que pode melhorar a segurança de peças e componentes;

Quando uma peça ou componente metálico é estampado, sua deformação plástica é acompanhada de reforço, de modo que a deformação é transferida para a peça endurecida não trabalhada ao seu redor. Após tais ações alternadas repetidas, podem ser obtidas peças estampadas a frio com deformação transversal uniforme;

Pode melhorar o desempenho de corte do aço de baixo carbono e facilitar a separação dos cavacos. Mas o endurecimento por trabalho também traz dificuldades para o processamento posterior de peças metálicas. Por exemplo, o fio de aço trefilado a frio consome muita energia para trefilação adicional devido ao endurecimento por trabalho e pode até quebrar. Portanto, deve ser recozido para eliminar o endurecimento antes do estiramento. Outro exemplo é que, para tornar a superfície da peça quebradiça e dura durante o corte, a força de corte aumenta durante o recorte e o desgaste da ferramenta é acelerado.

Fortalecimento de grãos finos

1. Definição

O método de melhorar as propriedades mecânicas dos materiais metálicos através do refinamento dos grãos de cristal é chamado de fortalecimento de refino de cristal. Na indústria, a resistência do material é melhorada pelo refinamento dos grãos do cristal.

2. Princípio

Os metais são geralmente policristais compostos de muitos grãos de cristal. O tamanho dos grãos de cristal pode ser expresso pelo número de grãos de cristal por unidade de volume. Quanto maior o número, mais finos serão os grãos do cristal. Experimentos mostram que metais de granulação fina à temperatura ambiente têm maior resistência, dureza, plasticidade e tenacidade do que metais de granulação grossa. Isso ocorre porque os grãos finos sofrem deformação plástica sob força externa e podem ser dispersos em mais grãos, a deformação plástica é mais uniforme e a concentração de tensões é menor; além disso, quanto mais finos os grãos, maior será a área dos limites dos grãos e mais tortuosos serão os limites dos grãos. Quanto mais desfavorável é a propagação de fissuras. Portanto, o método de melhorar a resistência do material por meio do refinamento dos grãos de cristal é chamado de fortalecimento por refinamento de grãos na indústria.

3. Efeito

Quanto menor o tamanho do grão, menor o número de discordâncias (n) no cluster de discordâncias. Segundo τ=nτ0, quanto menor a concentração de tensões, maior será a resistência do material;

A lei de fortalecimento do fortalecimento de grãos finos é que quanto mais contornos de grãos, mais finos serão os grãos. De acordo com a relação Hall-Peiqi, quanto menor o valor médio (d) dos grãos, maior será o limite de escoamento do material.

4. O método de refinamento de grãos

Aumentar o grau de subresfriamento;

Tratamento de deterioração;

Vibração e agitação;

Para metais deformados a frio, os grãos de cristal podem ser refinados controlando o grau de deformação e a temperatura de recozimento.

Reforço da segunda fase

1. Definição

Em comparação com as ligas monofásicas, as ligas multifásicas possuem uma segunda fase além da fase matriz. Quando a segunda fase é distribuída uniformemente na fase matriz com partículas finas dispersas, terá um efeito de fortalecimento significativo. Este efeito de fortalecimento é chamado de fortalecimento da segunda fase.

2. Classificação

Para a movimentação das discordâncias, a segunda fase contida na liga apresenta as duas situações a seguir:

(1) Reforço de partículas não deformáveis ​​(mecanismo de bypass).

(2) Reforço de partículas deformáveis ​​(mecanismo cut-through).

Tanto o fortalecimento por dispersão quanto o fortalecimento por precipitação são casos especiais de fortalecimento da segunda fase.

3. Efeito

A principal razão para o fortalecimento da segunda fase é a interação entre elas e a discordância, o que dificulta o movimento da discordância e melhora a resistência à deformação da liga.

Resumindo

Os fatores mais importantes que afetam a resistência são a composição, estrutura e estado superficial do próprio material; o segundo é o estado de força, como a velocidade da força, o método de carregamento, o alongamento simples ou a força repetida, apresentarão diferentes forças; Além disso, a geometria e o tamanho da amostra e do meio de teste também têm grande influência, às vezes até decisiva. Por exemplo, a resistência à tração do aço de ultra-alta resistência em uma atmosfera de hidrogênio pode cair exponencialmente.

Existem apenas duas maneiras de fortalecer materiais metálicos. Uma delas é aumentar a força de ligação interatômica da liga, aumentar sua resistência teórica e preparar um cristal completo sem defeitos, como bigodes. Sabe-se que a resistência dos bigodes de ferro está próxima do valor teórico. Pode-se considerar que isso ocorre porque não há luxações nos bigodes, ou apenas uma pequena quantidade de luxações que não podem proliferar durante o processo de deformação. Infelizmente, quando o diâmetro do bigode é maior, a resistência cai drasticamente. Outra abordagem de fortalecimento é introduzir um grande número de defeitos cristalinos no cristal, como discordâncias, defeitos pontuais, átomos heterogêneos, limites de grão, partículas altamente dispersas ou heterogeneidades (como segregação), etc. também melhora significativamente a resistência do metal. Os fatos provaram que esta é a forma mais eficaz de aumentar a resistência dos metais. Para materiais de engenharia, geralmente é através de efeitos de reforço abrangentes que se consegue um melhor desempenho abrangente.