Nadat een materiaal meegeeft, wordt het fenomeen waarbij de sterkte en hardheid ervan toenemen, terwijl de plasticiteit en taaiheid ervan afnemen bij toenemende vervorming, spanningsharden of werkhardening genoemd.
02
Mechanisme
Naarmate de plastische vervorming vordert, neemt de dislocatiedichtheid voortdurend toe. Daarom wordt het kruisen van dislocaties tijdens beweging intenser, wat resulteert in vaste breuklijnen, dislocatieverstrengelingen en andere obstakels. Dit verhoogt de weerstand tegen dislocatiebewegingen, wat leidt tot een grotere vervormingsweerstand en verdere plastische vervorming moeilijk maakt, waardoor de sterkte van het metaal toeneemt.
Regel: Naarmate de mate van vervorming toeneemt, nemen de sterkte en hardheid van het materiaal toe, terwijl de plasticiteit en taaiheid afnemen. De dislocatiedichtheid neemt voortdurend toe. Volgens het formulediagram is de sterkte rechtevenredig met de eerste macht van de dislocatiedichtheid ρ. Hoe groter de Burgersvector b van de dislocaties, hoe groter het versterkende effect.
03
Methoden
Koude vervorming, zoals koudpersen, walsen, kogelstralen, enz.
04
Voorbeeld
Koud-getrokken staaldraad kan zijn sterkte meerdere keren vergroten.
05
De praktische betekenis van spanningsversterking (voor- en nadelen)
(1) Voordelen:
① Trekversterking is een effectieve methode voor het versterken van metalen. Voor materialen die niet door warmtebehandeling kunnen worden versterkt, kan spanningsversterking hun sterkte meerdere malen vergroten.
② Het is een belangrijke factor bij het vormen van bepaalde werkstukken of halffabrikaten, waardoor een uniforme vervorming van het metaal mogelijk wordt en het vormen van werkstukken of halffabrikaten mogelijk wordt, zoals koud-getrokken staaldraad en het stansen van onderdelen.
③ Trekversterking kan ook de veiligheid van onderdelen of componenten tijdens gebruik verbeteren. Wanneer spanningsconcentratie of overbelasting optreedt in bepaalde delen van een onderdeel, treedt op die locatie plastische vervorming op. Door verharding stopt de vervorming van het overbelaste onderdeel, waardoor de veiligheid wordt verbeterd.
(2) Nadelen:
① Spanningsversterking brengt ook problemen met zich mee bij de productie en het gebruik van materialen. Vervorming vergroot de sterkte maar vermindert de plasticiteit, waardoor verdere vervorming moeilijk wordt en meer kracht vereist.
② Om ervoor te zorgen dat het materiaal blijft vervormen, is tussendoor herkristallisatie-gloeien vereist om het materiaal te laten blijven vervormen zonder te barsten, waardoor de productiekosten stijgen. Afbeelding Afbeelding II. Versterking van vaste oplossingen Afbeelding 01 Definitie Versterking van vaste oplossingen is het fenomeen dat de sterkte en hardheid van een vaste oplossing toenemen, terwijl de plasticiteit en taaiheid ervan afnemen naarmate het gehalte aan opgeloste atomen toeneemt.. 02 Mechanisme (1) Het oplossen van opgeloste atomen vervormt het kristalrooster van de vaste oplossing, waardoor de beweging van dislocaties op slipoppervlakken wordt belemmerd. (2) Cotillard-atmosferen gevormd door opgeloste atomen die segregeren op dislocatielijnen, pinnen dislocaties vast, waardoor de weerstand tegen dislocatiebewegingen toeneemt. (3) De segregatie van opgeloste atomen in stapelbreukgebieden belemmert de beweging van uitgebreide dislocaties. Alle factoren die de dislocatiebeweging belemmeren en de weerstand tegen dislocatiebeweging vergroten, kunnen de sterkte vergroten.. 03 Regels ① Binnen het oplosbaarheidsbereik van de vaste oplossing geldt: hoe groter de massafractie van het legeringselement, hoe groter het versterkende effect. ② Hoe groter het verschil in grootte tussen opgeloste atomen en oplosmiddelatomen, hoe groter het versterkende effect. ③ Het versterkende effect van opgeloste elementen die interstitiële vaste oplossingen vormen is groter dan dat van elementen die vervangende vaste oplossingen vormen.
④ Hoe groter het verschil in het aantal valentie-elektronen tussen opgeloste atomen en oplosmiddelatomen, hoe groter het versterkende effect.
04
Methode
Legeren, dwz het toevoegen van legeringselementen.
05
Voorbeeld
De sterkte van koper-nikkellegeringen is groter dan die van zuivere koper- en nikkelmetalen.
Afbeelding afbeelding
III. Graanverfijning Versterking
Afbeelding 01
Definitie
Het fenomeen dat de sterkte, hardheid, plasticiteit en taaiheid van een materiaal toenemen naarmate de korrelgrootte kleiner wordt, wordt versterking van de korrelverfijning genoemd.
02
Mechanisme
Het principe ligt in het belemmerende effect van korrelgrenzen op dislocatieslip. Voor polykristallijne materialen moet dislocatiebeweging de weerstand van korrelgrenzen overwinnen. Dit komt omdat de oriëntaties van dislocaties aan beide zijden van een korrelgrens verschillend zijn. Daarom kan een glijdende dislocatie bij een bepaalde korrel niet rechtstreeks de korrelgrens naar een aangrenzende korrel overschrijden. Pas nadat een groot aantal dislocaties zich heeft opgehoopt aan de korrelgrens, waardoor spanningsconcentratie ontstaat, kan de beweging van bestaande dislocaties in aangrenzende korrels worden gestimuleerd om slip te veroorzaken. Daarom geldt: hoe fijner de korrelgrootte, hoe hoger de materiaalsterkte.
03
Regel
Fijnere korrels resulteren in grotere korrelgrensgebieden. Volgens de Hall-Page-formule geldt: hoe kleiner de gemiddelde korreldiameter d, hoe hoger de vloeigrens σs van het materiaal.
04
Methoden voor het raffineren van granen
① Tijdens kristallisatie kunnen korrels worden verfijnd door de onderkoeling, modificatiebehandeling, trillingen en roeren te verhogen om de kiemvormingssnelheid te verhogen.
② Voor koude-vervormde metalen kunnen korrels worden verfijnd door de mate van vervorming en de gloeitemperatuur te regelen.
③ Korrels kunnen worden verfijnd door middel van normaliserende en uitgloeiende warmtebehandelingen.
④ Legeringselementen kunnen aan staal worden toegevoegd om nieuwe fasen te vormen, waardoor de korrelgroei wordt geremd.
Afbeelding afbeelding
IV. Versterking van de tweede fase
Afbeelding 01
Definitie
De aanwezigheid van een of meer andere fasen in de metaalmatrix verhoogt de sterkte van het metaal. Afhankelijk van het proces ter verkrijging van de tweede fase wordt de versterking van de tweede fase onderverdeeld in: ① Neerslagversterking: het verkrijgen van de tweede fase door middel van fasetransformatie-warmtebehandeling; ② Dispersieversterking: verkrijgen van de tweede fase door poedersintering of interne oxidatie.
02
Mechanisme
Wanneer een dislocatie tijdens zijn beweging een tweede fase tegenkomt, moet deze de tweede fase omzeilen of doorsnijden. De tweede fase belemmert dus de beweging van de dislocatie, waardoor de sterkte van het materiaal toeneemt.
03
Voorbeeld
De aanwezigheid van cementiet in staal verhoogt de sterkte ervan.
