Katı çözüm güçlendirme

1. Tanım

Alaşım elementlerinin ana metal içinde çözünerek belirli bir düzeyde kafes distorsiyonuna neden olduğu ve dolayısıyla alaşımın mukavemetini arttırdığı bir olay.

2. Prensip

Katı çözeltide çözünen çözünen atomlar, dislokasyon hareketinin direncini artıran, kaymayı zorlaştıran ve alaşımlı katı çözeltinin mukavemetini ve sertliğini artıran kafes distorsiyonuna neden olur. Belirli bir çözünen elementin katı bir çözelti oluşturmak üzere çözünmesiyle metalin güçlendirilmesi olgusuna katı çözelti güçlendirmesi denir. Çözünen atomların konsantrasyonu uygun olduğunda malzemenin mukavemeti ve sertliği arttırılabilir ancak tokluğu ve plastisitesi azalır.

3. Etkileyen faktörler

Çözünen atomların atomik fraksiyonu ne kadar yüksek olursa, güçlendirme etkisi o kadar büyük olur, özellikle atomik fraksiyon çok düşük olduğunda güçlendirme etkisi daha önemlidir.

Çözünen atomlar ile baz metalin atom boyutu arasındaki fark ne kadar büyük olursa güçlendirme etkisi de o kadar büyük olur.

Arayer çözünen atomları, ikame atomlardan daha büyük bir katı çözelti güçlendirme etkisine sahiptir ve vücut merkezli kübik kristallerdeki arayer atomlarının kafes distorsiyonu asimetrik olduğundan, bunların güçlendirme etkisi, yüzey merkezli kübik kristallerinkinden daha büyüktür; ancak ara atomlar Katı çözünürlüğü çok sınırlıdır, dolayısıyla gerçek güçlendirme etkisi de sınırlıdır.

Çözünen atomlar ve baz metal arasındaki değerlik elektronlarının sayısındaki fark ne kadar büyük olursa, katı çözelti güçlendirme etkisi o kadar belirgin olur, yani katı çözeltinin akma dayanımı, değerlik elektron konsantrasyonunun artmasıyla artar.

4. Katı çözelti güçlendirme derecesi temel olarak aşağıdaki faktörlere bağlıdır:

Matris atomları ve çözünen atomlar arasındaki boyut farkı. Boyut farkı ne kadar büyük olursa, orijinal kristal yapıya müdahale o kadar büyük olur ve dislokasyon kayması o kadar zor olur.

Alaşım elementlerinin miktarı. Ne kadar çok alaşım elementi eklenirse güçlendirme etkisi o kadar büyük olur. Çok fazla atom çok büyük veya çok küçükse çözünürlük aşılacaktır. Bu, başka bir güçlendirme mekanizması olan dağınık faz güçlendirmeyi içerir.

Arayer çözünen atomları, ikame atomlardan daha büyük bir katı çözelti güçlendirme etkisine sahiptir.

Çözünen atomlar ile baz metal arasındaki değerlik elektronlarının sayısındaki fark ne kadar büyük olursa, katı çözeltinin güçlendirme etkisi de o kadar belirgin olur.

5. Etki

Akma dayanımı, çekme dayanımı ve sertlik saf metallere göre daha güçlüdür;

Çoğu durumda süneklik saf metalinkinden daha düşüktür;

İletkenlik saf metalden çok daha düşüktür;

Sürünme direnci veya yüksek sıcaklıklardaki mukavemet kaybı, katı çözelti güçlendirmesi ile geliştirilebilir.

İş sertleştirme

1. Tanım

Soğuk deformasyon derecesi arttıkça metal malzemelerin mukavemeti ve sertliği artar, ancak plastisite ve tokluk azalır.

2. Giriş

Yeniden kristalleşme sıcaklığının altında plastik olarak deforme olduklarında metal malzemelerin mukavemeti ve sertliğinin arttığı, buna karşılık plastisite ve tokluğun azaldığı bir olay. Soğuk iş sertleştirmesi olarak da bilinir. Bunun nedeni, metal plastik olarak deforme olduğunda kristal taneciklerinin kayması ve yer değiştirmelerinin dolaşması, bunun da kristal taneciklerinin uzamasına, kırılmasına ve lifleşmesine neden olması ve metalde artık gerilimlerin oluşmasıdır. İşlenerek sertleşme derecesi genellikle işlemden sonraki yüzey katmanının mikro sertliğinin işlemden önceki mikro sertliğine ve sertleştirilmiş katmanın derinliğine oranıyla ifade edilir.

3. Dislokasyon teorisi perspektifinden yorum

(1) Çıkıklar arasında kesişme meydana gelir ve ortaya çıkan kesikler çıkıkların hareketini engeller;

(2) Çıkıklar arasında bir reaksiyon meydana gelir ve oluşan sabit çıkık, çıkığın hareketini engeller;

(3) Dislokasyonların çoğalması meydana gelir ve dislokasyon yoğunluğunun artması, dislokasyon hareketine karşı direnci daha da arttırır.

4. Zarar

İş sertleşmesi, metal parçaların daha sonraki işlenmesinde zorluklara neden olur. Örneğin, çelik levhanın soğuk haddelenmesi sürecinde, haddelenmesi gittikçe zorlaşacaktır, bu nedenle, ısıtma yoluyla iş sertleşmesini ortadan kaldırmak için işleme işlemi sırasında ara tavlamanın düzenlenmesi gerekmektedir. Diğer bir örnek ise kesme işleminde iş parçasının yüzeyinin kırılgan ve sert hale getirilmesi, böylece takım aşınmasının hızlandırılması ve kesme kuvvetinin arttırılmasıdır.

5. Faydaları

Metallerin, özellikle de ısıl işlemle iyileştirilemeyen saf metallerin ve bazı alaşımların mukavemetini, sertliğini ve aşınma direncini artırabilir. Örneğin, soğuk çekilmiş yüksek mukavemetli çelik tel ve soğuk sarmal yay vb., mukavemetini ve elastikiyet sınırını iyileştirmek için soğuk çalışma deformasyonunu kullanır. Diğer bir örnek ise tankların, traktör raylarının, kırıcı çenelerin ve demiryolu makaslarının sertliğini ve aşınma direncini artırmak için iş sertleştirmesinin kullanılmasıdır.

6. Makine mühendisliğindeki rolü

Soğuk çekme, haddeleme ve bilyalı dövme (bkz. yüzey güçlendirme) ve diğer işlemlerden sonra metal malzemelerin, parçaların ve bileşenlerin yüzey mukavemeti önemli ölçüde geliştirilebilir;

Parçalar gerilime maruz kaldıktan sonra, belirli parçaların yerel gerilimi sıklıkla malzemenin akma sınırını aşarak plastik deformasyona neden olur. İş sertleşmesi nedeniyle plastik deformasyonun devam eden gelişimi kısıtlanır, bu da parçaların ve bileşenlerin güvenliğini artırabilir;

Bir metal parça veya bileşen damgalandığında, plastik deformasyonuna güçlendirme eşlik eder, böylece deformasyon etrafındaki işlenmemiş sertleştirilmiş parçaya aktarılır. Bu tür tekrarlanan alternatif eylemlerden sonra, düzgün kesit deformasyonuna sahip soğuk damgalama parçaları elde edilebilir;

Düşük karbonlu çeliğin kesme performansını artırabilir ve talaşların ayrılmasını kolaylaştırabilir. Ancak iş sertleştirmesi aynı zamanda metal parçaların daha sonraki işlenmesinde de zorluklara neden olur. Örneğin, soğuk çekilmiş çelik tel, iş sertleşmesi nedeniyle daha fazla çekme işlemi için çok fazla enerji tüketir ve hatta kırılabilir. Bu nedenle çekme öncesinde işlenme sertleşmesini ortadan kaldırmak için tavlanması gerekir. Diğer bir örnek ise kesme sırasında iş parçasının yüzeyinin kırılgan ve sert hale getirilmesi için yeniden kesme sırasında kesme kuvvetinin arttırılması ve takımın aşınmasının hızlandırılmasıdır.

İnce tane güçlendirme

1. Tanım

Metal malzemelerin mekanik özelliklerinin kristal tanelerini inceltmek suretiyle iyileştirilmesi yöntemine kristal inceltme güçlendirmesi denir. Endüstride kristal tanelerinin rafine edilmesiyle malzemenin mukavemeti artırılır.

2. Prensip

Metaller genellikle birçok kristal taneden oluşan polikristallerdir. Kristal taneciklerinin boyutu, birim hacim başına kristal taneciklerinin sayısı ile ifade edilebilir. Sayı ne kadar fazla olursa kristal taneleri o kadar ince olur. Deneyler, oda sıcaklığında ince taneli metallerin kaba taneli metallere göre daha yüksek mukavemete, sertliğe, plastisiteye ve tokluğa sahip olduğunu göstermektedir. Bunun nedeni, ince tanelerin dış kuvvet altında plastik deformasyona uğraması ve daha fazla taneye dağılabilmesi, plastik deformasyonun daha düzgün olması ve gerilim konsantrasyonunun daha az olmasıdır; ayrıca taneler ne kadar ince olursa tane sınırı alanı da o kadar geniş olur ve tane sınırları da o kadar kıvrımlı olur. Çatlakların yayılması daha olumsuzdur. Bu nedenle kristal tanelerini incelterek malzemenin mukavemetini artırma yöntemine endüstride tane inceltme güçlendirmesi adı verilmektedir.

3. Etki

Tane boyutu ne kadar küçük olursa, dislokasyon kümesindeki dislokasyonların sayısı (n) o kadar küçük olur. τ=nτ0'a göre, gerilim konsantrasyonu ne kadar küçükse malzemenin mukavemeti o kadar yüksek olur;

İnce taneli güçlendirmenin güçlendirme kanunu, tane sınırları ne kadar fazla olursa tanelerin o kadar ince olması gerektiğidir. Hall-Peiqi ilişkisine göre tanelerin ortalama değeri (d) ne kadar küçükse malzemenin akma dayanımı da o kadar yüksek olur.

4. Tahıl inceltme yöntemi

Aşırı soğutma derecesini arttırın;

Bozulma tedavisi;

Titreşim ve karıştırma;

Soğukta şekillendirilmiş metaller için kristal taneleri, deformasyon derecesi ve tavlama sıcaklığı kontrol edilerek rafine edilebilir.

İkinci aşama güçlendirme

1. Tanım

Tek fazlı alaşımlarla karşılaştırıldığında, çok fazlı alaşımların matris fazına ek olarak ikinci bir fazı daha vardır. İkinci faz, ince dağılmış parçacıklar ile matris fazında düzgün bir şekilde dağıtıldığında, önemli bir güçlendirme etkisine sahip olacaktır. Bu güçlendirme etkisine ikinci aşama güçlendirme adı verilmektedir.

2. Sınıflandırma

Dislokasyonların hareketi için alaşımın içerdiği ikinci faz aşağıdaki iki duruma sahiptir:

(1) Deforme olmayan parçacıkların güçlendirilmesi (baypas mekanizması).

(2) Deforme olabilen parçacıkların güçlendirilmesi (kesme mekanizması).

Hem dispersiyon güçlendirmesi hem de yağış güçlendirmesi ikinci aşama güçlendirmenin özel durumlarıdır.

3. Etki

İkinci fazın güçlendirilmesinin ana nedeni, dislokasyonun hareketini engelleyen ve alaşımın deformasyon direncini artıran dislokasyon ile aralarındaki etkileşimdir.

Özetle

Dayanımı etkileyen en önemli faktörler malzemenin bileşimi, yapısı ve yüzey durumudur; ikincisi kuvvetin hızı, yükleme yöntemi, basit esnetme veya tekrarlanan kuvvet gibi kuvvetin durumu, farklı kuvvetler gösterecektir; Ayrıca numunenin geometrisi ve boyutu ile test ortamının da büyük etkisi vardır, hatta bazen belirleyicidir. Örneğin, ultra yüksek dayanımlı çeliğin hidrojen atmosferindeki çekme dayanımı katlanarak düşebilir.

Metal malzemeleri güçlendirmenin yalnızca iki yolu vardır. Bunlardan biri, alaşımın atomlar arası bağlanma kuvvetini arttırmak, teorik mukavemetini arttırmak ve bıyık gibi kusurları olmayan tam bir kristal hazırlamaktır. Demir bıyıkların mukavemetinin teorik değere yakın olduğu bilinmektedir. Bunun, bıyıklarda herhangi bir çıkık olmaması veya deformasyon işlemi sırasında çoğalamayan az miktarda çıkık olmasından kaynaklandığı düşünülebilir. Ne yazık ki, bıyığın çapı büyüdükçe mukavemeti keskin bir şekilde düşer. Diğer bir güçlendirme yaklaşımı, kristale dislokasyonlar, nokta kusurları, heterojen atomlar, tane sınırları, yüksek derecede dağılmış parçacıklar veya homojen olmayanlıklar (segregasyon gibi) vb. gibi çok sayıda kristal kusurunun dahil edilmesidir. Bu kusurlar dislokasyonların hareketini engeller ve Ayrıca metalin mukavemetini önemli ölçüde artırır. Gerçekler bunun metallerin gücünü arttırmanın en etkili yolu olduğunu kanıtladı. Mühendislik malzemeleri için, daha iyi kapsamlı performansa ulaşmak genellikle kapsamlı güçlendirme etkilerinden geçer.