Шляхи підвищення міцності металів і сплавів. Механізми зміцнення

Основні шляхи зміцнення, що мають місце при перерахованих вище технологічних впливах:

• отримання бездефектних структур, дозволяють наблизити реальну міцність до теоретичної;

• підвищення щільності дефектів (у тому числі щільності дислокацій), які утруднюють рух дислокацій;

• створення структурних бар'єрів на шляху руху дислокацій.

Досягається ефективність впливу завдяки реалізації наступних механізмів зміцнення: деформаційного, твердорозчиний, зернограничного, дисперсійного.

Деформаційне зміцнення. При холодної пластичної деформації зі збільшенням її ступеня

ε

(F₀ і F_k - площа перерізу відповідно до і після деформації) підвищуються характеристики міцності, знижується пластичність. Це явище отримало назву наклеп. Деформаційне зміцнення (наклеп) відбувається в результаті збільшення щільності дефектів кристалічної будови. Підвищення щільності дислокацій ускладнює рух дислокацій, гальмує їх розвиток.

Деформаційне зміцнення або напругу, необхідну для пластичної деформації, визначається як функція щільності дислокацій:

(α- коефіцієнт, залежить від природи металу та його структури, (G- модуль зсуву, - вектор Бюргерса, р - щільність дислокацій).

Твердорозчиний зміцнення - це підвищення характеристик міцності при утворенні твердих розчинів. У твердому розчині через розмірного невідповідності атомів розчинника і розчиненої компонента навколо атомів виникают поля пружних напружень. Ці поля напруг також гальмують рух дислокацій. Зміцнення при утворенні твердого розчину може бути визначене по рівнянню

(G- модуль зсуву; d і d₀ - розміри атомів відповідно розчинника і розчиненої компонента; с - атомна концентрація розчиненого елемента).

При утворенні твердого розчину впровадження міцність у багато разів більше, ніж при утворенні твердого розчину заміщення. Однак мала рухливість дислокацій, загальмованих домішками впровадження, призводить до зниження в'язкості руйнування і підвищенню порога холодноламкості. Тому для підвищення холодноламкості металів їх намагаються якомога повніше очистити від домішок впровадження –O₂,N₂,H₂.

При правильному підборі легуючих елементів, що утворюють з елементом-розчинником тверді розчини заміщення, вдається отримати достатньо високу пластичність і в'язкість, що важливо для більшості конструкційних сплавів.

Зернограничне зміцнення. Ефективним бар'єром на шляху руху дислокацій, гальмуючим їх розвиток, є кордони зерен. Дислокація не може перейти кордон зерна, так як у сусідніх зернах площині ковзання дислокацій не збігаються. Тому чим дрібніше зерно (більше протяжність кордонів і, отже, більше бар'єрів на шляху руху дислокацій), тим більше зміцнення металу. Залежність межі текучості від розміру зерна описується рівнянням Холла-Петча:

+ к

( - напруга опору руху дислокацій в сплаві без урахування кордонів зерен; d - середній діаметр зерна; к- постійна для даного металу).

Перевагою зернограничного зміцнення є те, що підвищення міцності при зменшенні розміру зерна не супроводжується окри́хчування.

Дисперсійне зміцнення - це зміцнення за рахунок виділення всередені зерен твердого розчину високо дисперсних рівномірно розподілених частинок зміцнюючих фаз. Зміцнення за рахунок будь-яких дисперсних частинок ґрунтується на взаємодії рухомих дислокацій з цими перешкодами на їхньому шляху.

Залежність межі текучості від розмірів часток d і їх об'ємної частки f - описується рівнянням

( - напруга течії матриці, зміцненої іншими механізмами, але без часток; α- коефіцієнт)

Чим складніше кристалічна решітка фази- зміцнюються і чим більше відрізняється її складу від складу твердого розчину, тим сильніше зміцнення. Такими фазами в сплавах системи залізо-вуглець є карбіди, нітриди.

Таким чином, для отримання сплавів з високою конструктивною міцністю необхідно, щоб структура складалася з твердого розчину дрібнозернистої будови, в якому рівномірно розподілені високодисперсні частинки зміцнюючої фази.

Поиск по сайту: