Language
Country/Area
No result found
Секрет закалки: как кузнецы придают прочность горячему металлу?
В мире металлообработки прочность является одним из наиболее ценимых свойств наряду с внешним видом и технологией обработки. По мере развития технологий инженеры нашли способы изменения предела текучести, пластичности и прочности материалов. Одним из таких методов является «упрочнение», которое не только играет важную роль в древних кузнечных работах, но и играет незаменимую роль в современных инженерных приложениях.
Процесс упрочнения заключается в создании большого количества дислокаций при воздействии на металл напряжения, что в свою очередь приводит к повышению прочности материала.
В основе упрочнения лежит возникновение и перемещение дислокаций. Дислокация — дефект решетки, движение и рост которого может вызвать пластическую деформацию материала. Поэтому любые средства, препятствующие движению дислокаций, могут быть использованы для повышения прочности материала. Например, когда кузнецы используют свои инструменты для ковки горячего металла, они значительно повышают прочность материала за счет постоянного увеличения плотности дислокаций. В этом процессе прилагаемое напряжение не должно быть слишком высоким, но достаточным для того, чтобы способствовать возникновению и взаимодействию дислокаций.
Механизмы упрочнения металлов
Обычно выделяют пять основных механизмов упрочнения металлических материалов. Каждый из методов по-разному препятствует движению дислокаций, и эти механизмы также могут влиять друг на друга.
Упрочнение при работе
Упрочнение происходит за счет приложения внешних сил, которые вызывают взаимодействие дислокаций и затрудняют деформацию материала. Например, когда металл сжимается или растягивается, дислокации могут запутываться, поскольку они отталкиваются или притягиваются друг к другу, и это взаимодействие не только увеличивает плотность дислокаций, но и затрудняет их перемещение.
Существует положительная корреляция между плотностью дислокаций и прочностью материала на сдвиг, что означает, что с увеличением числа дислокаций прочность на сдвиг также увеличивается.
Упрочнение твердого раствора
Другим механизмом является упрочнение твердого раствора, представляющее собой процесс добавления других элементов для создания различных структурных дефектов, тем самым повышая прочность материала. Растворенные атомы вызывают искажение решетки и увеличивают напряжение сдвига при движении дислокации.
Дисперсионное твердение
Когда состав сплава выше определенной концентрации, он будет способствовать образованию второй фазы. Этот тип осадков действует как препятствие при упрочнении, влияя на путь движения дислокаций и снова увеличивая прочность материала .
Укрепление границ зерен
В поликристаллических металлах размер зерна также влияет на физические свойства. Границы зерен препятствуют скольжению дислокаций. Более мелкие зернистые структуры часто повышают прочность материала, но слишком мелкие зерна могут привести к снижению производительности.
Фазовое превращение упрочнения
Эта технология закалки в основном используется для стали, включая методы упрочнения твердого раствора, измельчения зерна и закалки фазовым превращением, которые позволяют максимально повысить прочность и обрабатываемость стали при различных процессах нагрева и охлаждения.
Механизм упрочнения аморфных материалов
Хотя вышеперечисленные механизмы в основном характерны для металлов, в аморфных материалах, таких как полимеры, упрочнение осуществляется за счет других механизмов. Прочность этих материалов в большей степени зависит от их химической структуры и состава. Жесткость и прочность полимеров также можно повысить с помощью сшивания, добавления наполнителей и других методов.
Например, дисульфидные мостики и другие ковалентные сшивки в термореактивных пластиках позволяют им выдерживать более высокие температуры и повышают прочность материала.
Почему силу нельзя увеличивать бесконечно
Хотя существует множество способов увеличить прочность материала, в действительности прочность материала не может быть увеличена бесконечно, поскольку в процессе увеличения прочности могут быть затронуты другие свойства. Например, по мере увеличения плотности дислокаций пластичность материала может снижаться, что затрудняет определение свойств для определенных областей применения.
Упрочнение было важной технологией во времена кузнецов и остается ключевым фактором в обработке стали сегодня. Эта способность превращает старые технологии в практические инструменты современной инженерии, предоставляя нам большую свободу в создании новых материалов и технологий. Итак, как нам сбалансировать компромиссы между прочностью и другими физическими свойствами в будущих технологиях металлообработки?
