Renforcement de la solution solide

1. Définition

Un phénomène dans lequel des éléments d'alliage sont dissous dans le métal de base pour provoquer un certain degré de distorsion du réseau et ainsi augmenter la résistance de l'alliage.

2. Principe

Les atomes de soluté dissous dans la solution solide provoquent une distorsion du réseau, ce qui augmente la résistance au mouvement de dislocation, rend le glissement difficile et augmente la résistance et la dureté de la solution solide d'alliage.Ce phénomène de renforcement du métal en dissolvant un certain élément soluté pour former une solution solide est appelé renforcement en solution solide.Lorsque la concentration d'atomes de soluté est appropriée, la résistance et la dureté du matériau peuvent être augmentées, mais sa ténacité et sa plasticité ont diminué.

3. Facteurs d'influence

Plus la fraction atomique des atomes de soluté est élevée, plus l'effet de renforcement est important, en particulier lorsque la fraction atomique est très faible, l'effet de renforcement est plus important.

Plus la différence entre les atomes de soluté et la taille atomique du métal de base est grande, plus l'effet de renforcement est important.

Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de solution solide plus important que les atomes de remplacement, et comme la distorsion du réseau des atomes interstitiels dans les cristaux cubiques centrés sur le corps est asymétrique, leur effet de renforcement est supérieur à celui des cristaux cubiques à faces centrées;mais atomes interstitiels La solubilité solide est très limitée, de sorte que l'effet de renforcement réel est également limité.

Plus la différence de nombre d'électrons de valence entre les atomes de soluté et le métal de base est grande, plus l'effet de renforcement de la solution solide est évident, c'est-à-dire que la limite d'élasticité de la solution solide augmente avec l'augmentation de la concentration en électrons de valence.

4. Le degré de renforcement de la solution solide dépend principalement des facteurs suivants

La différence de taille entre les atomes de matrice et les atomes de soluté.Plus la différence de taille est grande, plus l'interférence avec la structure cristalline d'origine est grande et plus il est difficile pour le glissement de dislocation.

La quantité d'éléments d'alliage.Plus il y a d'éléments d'alliage ajoutés, plus l'effet de renforcement est important.Si trop d'atomes sont trop gros ou trop petits, la solubilité sera dépassée.Cela implique un autre mécanisme de renforcement, le renforcement en phase dispersée.

Les atomes de soluté interstitiels ont un effet de renforcement de solution solide plus important que les atomes de remplacement.

Plus la différence de nombre d'électrons de valence entre les atomes de soluté et le métal de base est grande, plus l'effet de renforcement de la solution solide est important.

5. Effet

La limite d'élasticité, la résistance à la traction et la dureté sont plus fortes que les métaux purs;

Dans la plupart des cas, la ductilité est inférieure à celle du métal pur ;

La conductivité est bien inférieure à celle du métal pur;

La résistance au fluage, ou la perte de résistance à des températures élevées, peut être améliorée par un renforcement en solution solide.

Ecrouissage

1. Définition

À mesure que le degré de déformation à froid augmente, la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent, mais la plasticité et la ténacité diminuent.

2. Présentation

Phénomène dans lequel la résistance et la dureté des matériaux métalliques augmentent lorsqu'ils sont déformés plastiquement en dessous de la température de recristallisation, tandis que la plasticité et la ténacité diminuent.Aussi appelé écrouissage à froid.La raison en est que lorsque le métal est déformé plastiquement, les grains de cristal glissent et les dislocations sont enchevêtrées, ce qui provoque l'allongement, la rupture et la fibre des grains de cristal, et des contraintes résiduelles sont générées dans le métal.Le degré d'écrouissage est généralement exprimé par le rapport entre la microdureté de la couche superficielle après traitement et celle avant traitement et la profondeur de la couche durcie.

3. Interprétation du point de vue de la théorie des dislocations

(1) L'intersection se produit entre les luxations et les coupures qui en résultent entravent le mouvement des luxations ;

(2) Une réaction se produit entre les luxations et la luxation fixe formée entrave le mouvement de la luxation ;

(3) La prolifération des luxations se produit et l'augmentation de la densité des luxations augmente encore la résistance au mouvement des luxations.

4. Dommage

L'écrouissage apporte des difficultés au traitement ultérieur des pièces métalliques.Par exemple, lors du laminage à froid de la tôle d'acier, elle deviendra de plus en plus difficile à laminer, il est donc nécessaire d'organiser un recuit intermédiaire pendant le processus de traitement pour éliminer son écrouissage par chauffage.Un autre exemple consiste à rendre la surface de la pièce cassante et dure lors du processus de coupe, accélérant ainsi l'usure de l'outil et augmentant la force de coupe.

5. Avantages

Il peut améliorer la résistance, la dureté et la résistance à l'usure des métaux, en particulier pour les métaux purs et certains alliages qui ne peuvent pas être améliorés par un traitement thermique.Par exemple, le fil d'acier à haute résistance étiré à froid et le ressort enroulé à froid, etc., utilisent la déformation de travail à froid pour améliorer sa résistance et sa limite élastique.Un autre exemple est l'utilisation de l'écrouissage pour améliorer la dureté et la résistance à l'usure des réservoirs, des voies de tracteur, des mâchoires de concasseur et des aiguillages ferroviaires.

6. Rôle en génie mécanique

Après étirage à froid, laminage et grenaillage (voir renforcement de surface) et d'autres processus, la résistance de surface des matériaux, pièces et composants métalliques peut être considérablement améliorée ;

Une fois les pièces sollicitées, la contrainte locale de certaines pièces dépasse souvent la limite d'élasticité du matériau, provoquant une déformation plastique.En raison de l'écrouissage, le développement continu de la déformation plastique est limité, ce qui peut améliorer la sécurité des pièces et composants ;

Lorsqu'une pièce ou un composant métallique est embouti, sa déformation plastique s'accompagne d'un renforcement, de sorte que la déformation est transférée à la pièce trempée non travaillée qui l'entoure.Après de telles actions alternées répétées, des pièces estampées à froid avec une déformation transversale uniforme peuvent être obtenues;

Il peut améliorer les performances de coupe de l'acier à faible teneur en carbone et faciliter la séparation des copeaux.Mais l'écrouissage apporte également des difficultés au traitement ultérieur des pièces métalliques.Par exemple, le fil d'acier étiré à froid consomme beaucoup d'énergie pour un étirage supplémentaire en raison de l'écrouissage et peut même être cassé.Par conséquent, il doit être recuit pour éliminer l'écrouissage avant l'étirage.Un autre exemple est que pour rendre la surface de la pièce cassante et dure pendant la coupe, la force de coupe est augmentée pendant la recoupe et l'usure de l'outil est accélérée.

Renforcement grain fin

1. Définition

La méthode d'amélioration des propriétés mécaniques des matériaux métalliques par affinage des grains cristallins est appelée renforcement par affinage cristallin.Dans l'industrie, la résistance du matériau est améliorée en affinant les grains de cristal.

2. Principe

Les métaux sont généralement des polycristaux composés de nombreux grains de cristal.La taille des grains cristallins peut être exprimée par le nombre de grains cristallins par unité de volume.Plus le nombre est élevé, plus les grains de cristal sont fins.Les expériences montrent que les métaux à grains fins à température ambiante ont une résistance, une dureté, une plasticité et une ténacité supérieures à celles des métaux à grains grossiers.En effet, les grains fins subissent une déformation plastique sous une force externe et peuvent être dispersés en plusieurs grains, la déformation plastique est plus uniforme et la concentration de contraintes est moindre.de plus, plus les grains sont fins, plus la surface des joints de grains est grande et plus les joints de grains sont tortueux.Plus la propagation des fissures est défavorable.Par conséquent, la méthode d'amélioration de la résistance du matériau en raffinant les grains de cristal est appelée renforcement par raffinement des grains dans l'industrie.

3. Effet

Plus la taille des grains est petite, plus le nombre de dislocations (n) dans le cluster de dislocations est petit.Selon τ=nτ0, plus la concentration de contraintes est faible, plus la résistance du matériau est élevée ;

La loi de renforcement du renforcement des grains fins est que plus il y a de joints de grains, plus les grains sont fins.Selon la relation de Hall-Peiqi, plus la valeur moyenne (d) des grains est petite, plus la limite d'élasticité du matériau est élevée.

4. La méthode de raffinement du grain

Augmenter le degré de sous-refroidissement ;

Traitement de détérioration ;

Vibration et agitation ;

Pour les métaux déformés à froid, les grains cristallins peuvent être affinés en contrôlant le degré de déformation et la température de recuit.

Renforcement de deuxième phase

1. Définition

Par rapport aux alliages monophasés, les alliages multiphasés ont une deuxième phase en plus de la phase matricielle.Lorsque la deuxième phase est uniformément répartie dans la phase de matrice avec de fines particules dispersées, elle aura un effet de renforcement significatif.Cet effet de renforcement est appelé le renforcement de la deuxième phase.

2. Classement

Pour le mouvement des dislocations, la seconde phase contenue dans l'alliage a les deux situations suivantes :

(1) Renforcement des particules indéformables (mécanisme de dérivation).

(2) Renforcement des particules déformables (mécanisme de coupure).

Le renforcement de la dispersion et le renforcement de la précipitation sont des cas particuliers du renforcement de la seconde phase.

3. Effet

La raison principale du renforcement de la deuxième phase est l'interaction entre elles et la dislocation, qui entrave le mouvement de la dislocation et améliore la résistance à la déformation de l'alliage.

Pour résumer

Les facteurs les plus importants affectant la résistance sont la composition, la structure et l'état de surface du matériau lui-même ;le second est l'état de la force, tel que la vitesse de la force, la méthode de chargement, l'étirement simple ou la force répétée, montrera différentes forces;De plus, la géométrie et la taille de l'échantillon et le milieu de test ont également une grande influence, parfois même décisive.Par exemple, la résistance à la traction de l'acier à ultra-haute résistance dans une atmosphère d'hydrogène peut chuter de façon exponentielle.

Il n'y a que deux façons de renforcer les matériaux métalliques.L'une consiste à augmenter la force de liaison interatomique de l'alliage, à augmenter sa résistance théorique et à préparer un cristal complet sans défauts, tels que des moustaches.On sait que la résistance des barbes de fer est proche de la valeur théorique.On peut considérer que cela est dû au fait qu'il n'y a pas de dislocations dans les moustaches, ou seulement une petite quantité de dislocations qui ne peuvent pas proliférer pendant le processus de déformation.Malheureusement, lorsque le diamètre de la moustache est plus grand, la force chute fortement.Une autre approche de renforcement consiste à introduire un grand nombre de défauts cristallins dans le cristal, tels que des dislocations, des défauts ponctuels, des atomes hétérogènes, des joints de grains, des particules hautement dispersées ou des inhomogénéités (telles que la ségrégation), etc. Ces défauts entravent le mouvement des dislocations et améliore également considérablement la résistance du métal.Les faits ont prouvé que c'est le moyen le plus efficace d'augmenter la résistance des métaux.Pour les matériaux d'ingénierie, c'est généralement grâce à des effets de renforcement complets que l'on obtient de meilleures performances globales.