Definition
Nachdem ein Material nachgibt, wird das Phänomen, bei dem seine Festigkeit und Härte zunehmen, während seine Plastizität und Zähigkeit mit zunehmendem Verformungsgrad abnehmen, als Verformungsverfestigung oder Kaltverfestigung bezeichnet.
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Mechanismus
Mit fortschreitender plastischer Verformung nimmt die Versetzungsdichte zu, was zu komplexeren Wechselwirkungen zwischen Versetzungen während der Bewegung führt. Dies führt zur Bildung fester Stufen und Versetzungsbündel, die den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöhen, den Verformungswiderstand erhöhen und eine weitere plastische Verformung erschweren, wodurch die Festigkeit des Metalls erhöht wird.
Physikalisches Muster: Mit zunehmendem Verformungsgrad nehmen die Festigkeit und Härte des Materials zu, während seine Plastizität und Zähigkeit abnehmen. Die Versetzungsdichte nimmt weiter zu. Nach Formel und Abbildung ist die Stärke proportional zum Quadrat der Versetzungsdichte ρ. Je größer der Burgers-Vektor b der Versetzungen ist, desto deutlicher ist der verstärkende Effekt.
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Methoden
Kaltverformung wie Kaltpressen, Walzen und Kugelstrahlen.
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Beispiel
Kaltgezogener Stahldraht kann seine Festigkeit exponentiell erhöhen.
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Die praktische Bedeutung der Verformungsverstärkung (Vor- und Nachteile)
(1) Vorteile:
① Verformungsverstärkung ist eine wirksame Methode zur Verstärkung von Metallen. Bei einigen Materialien, die nicht durch Wärmebehandlung gestärkt werden können, kann eine Verformungsverstärkung zur Erhöhung der Festigkeit des Materials eingesetzt werden, wodurch die Festigkeit exponentiell erhöht werden kann.
② Es ist ein wichtiger Faktor bei der Bearbeitung und Umformung bestimmter Werkstücke oder Halbzeuge. Dadurch verformt sich das Metall gleichmäßig und ermöglicht so die Umformung von Werkstücken oder Halbzeugen, wie z. B. kaltgezogener Stahldraht und das Stanzen von Teilen.
③ Durch Verformungsverstärkung kann auch die Sicherheit von Teilen oder Komponenten während des Gebrauchs verbessert werden. Wenn in bestimmten Teilen der Teile eine Spannungskonzentration oder Überlastung auftritt, kommt es an diesem Teil zu einer plastischen Verformung. Durch die Kaltverfestigung wird die Verformung des überlasteten Teils gestoppt und so die Sicherheit erhöht.
(2) Nachteile:
① Verformungsverstärkung bringt auch Probleme bei der Herstellung und Verwendung von Materialien mit sich. Die Verformung erhöht die Festigkeit und verringert die Plastizität, was eine weitere Verformung erschwert und einen höheren Energieverbrauch erfordert.
② Damit sich das Material weiter verformen kann, ist in der Mitte ein Rekristallisationsglühen erforderlich, damit sich das Material ohne Rissbildung weiter verformen kann, was die Produktionskosten erhöht.
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II. Festlösungsverstärkung
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Definition
Das Phänomen, dass die Festigkeit und Härte der festen Lösung zunimmt, während die Plastizität und Zähigkeit mit zunehmendem Gehalt an gelösten Atomen abnimmt, wird als Festigung der festen Lösung bezeichnet.
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Mechanismus
(1) Die Auflösung gelöster Atome verzerrt das Gitter der festen Lösung, was einen behindernden Effekt auf die Bewegung von Versetzungen auf der Gleitebene hat.
(2) Das Coriolisgas, das von den auf der Versetzungslinie getrennten gelösten Atomen gebildet wird, fixiert die Versetzung und erhöht den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung.
(3) Die Segregation gelöster Atome im Stapelfehlerbereich behindert die Bewegung ausgedehnter Versetzungen. Alle Faktoren, die die Luxationsbewegung behindern und den Widerstand gegen die Luxationsbewegung erhöhen, können die Kraft erhöhen.
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Gesetz
①Im Bereich der Mischkristalllöslichkeit gilt: Je größer der Massenanteil des Legierungselements, desto größer die Verstärkungswirkung
②Je größer der Größenunterschied zwischen den Atomen des gelösten Stoffes und den Atomen des Lösungsmittels ist, desto signifikanter ist der verstärkende Effekt.
③ Die verstärkende Wirkung gelöster Elemente, die interstitielle feste Lösungen bilden, ist größer als die von Elementen, die substitutionelle feste Lösungen bilden.
④ Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen gelösten Atomen und Lösungsmittelatomen ist, desto größer ist der verstärkende Effekt.
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Methoden
Legieren, also das Hinzufügen von Legierungselementen.
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Beispiel
Die Festigkeit von Kupfer-Nickel-Legierungen ist höher als die von reinem Kupfer und Nickel.
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III. Stärkung der Kornverfeinerung
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Definition
Kornverfeinerung ist das Phänomen, bei dem die Festigkeit und Härte eines Materials zunimmt, während sich mit abnehmender Korngröße auch seine Plastizität und Zähigkeit verbessern.
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Mechanismus
Das Prinzip dieses Effekts ist die Verzögerung des Versetzungsgleitens durch Korngrenzen. In polykristallinen Materialien muss die Versetzungsbewegung den Widerstand der Korngrenzen überwinden. Dies liegt daran, dass die Versetzungen auf beiden Seiten einer Korngrenze unterschiedliche Orientierungen haben. Daher kann eine Gleitversetzung in einem bestimmten Korn die Korngrenze nicht direkt in ein benachbartes Korn überqueren. Nur wenn sich eine große Anzahl von Versetzungen an der Korngrenze ansammeln und eine Spannungskonzentration verursachen, kann die Bewegung vorhandener Versetzungen in benachbarten Körnern angeregt werden, um einen Schlupf zu verursachen. Je feiner die Körnung ist, desto höher ist die Festigkeit des Materials.
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Regel
Je feiner die Körner sind, desto größer ist die Korngrenzenfläche. Gemäß der Hall-Page-Gleichung ist die Streckgrenze σs des Materials umso höher, je kleiner der durchschnittliche Korndurchmesser d ist.
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Methoden der Kornverfeinerung
① Während des Kristallisationsprozesses kann eine Kornverfeinerung erreicht werden, indem der Grad der Unterkühlung erhöht, Modifikationen durchgeführt, vibriert und gerührt werden, um die Keimbildungsrate zu erhöhen.
② Bei kalt{0}}verformten Metallen kann eine Kornverfeinerung durch Steuerung des Verformungsgrads und der Glühtemperatur erreicht werden.
③ Eine Kornverfeinerung kann durch Wärmebehandlungen wie Normalisieren und Glühen erreicht werden.
④ Legierungselemente können dem Stahl zugesetzt werden, um neue Phasen zu bilden und dadurch das Kornwachstum zu hemmen.
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IV. Zweite Phase der Stärkung
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Definition
Das Vorhandensein einer oder mehrerer zusätzlicher Phasen in der Metallmatrix erhöht die Festigkeit des Metalls. Je nachdem, welches Verfahren zum Erhalten der zweiten Phase verwendet wird, kann die Zweitphasenverfestigung wie folgt kategorisiert werden: ① Ausfällungsverfestigung: Erzielung der zweiten Phase durch Phasenumwandlungswärmebehandlung. ② Dispersionsverstärkung: Erhalten der zweiten Phase durch Pulversintern oder innere Oxidation.
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Mechanismus
Während der Versetzungsbewegung treffen Versetzungen auf eine Sekundärphase und müssen diese umgehen oder durchschneiden. Diese sekundäre Phase behindert die Versetzungsbewegung und erhöht so die Festigkeit des Materials.
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Beispiel
Das Vorhandensein von Zementit im Stahl erhöht seine Festigkeit.
