การเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็ง

1. คำจำกัดความ

ปรากฏการณ์ที่ธาตุผสมละลายเข้าไปในโลหะพื้นฐาน ทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของโครงสร้างผลึกในระดับหนึ่ง ส่งผลให้ความแข็งแรงของโลหะผสมเพิ่มขึ้น

2. หลักการ

อะตอมของตัวละลายที่ละลายอยู่ในสารละลายของแข็งทำให้เกิดการบิดเบี้ยวของโครงสร้างผลึก ซึ่งเพิ่มความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน ทำให้การเลื่อนหลุดทำได้ยากขึ้น และเพิ่มความแข็งแรงและความแข็งของโลหะผสมในสารละลายของแข็ง ปรากฏการณ์การเสริมความแข็งแรงของโลหะโดยการละลายธาตุตัวละลายบางชนิดเพื่อสร้างสารละลายของแข็งนี้เรียกว่า การเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง เมื่อความเข้มข้นของอะตอมตัวละลายเหมาะสม ความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุจะเพิ่มขึ้น แต่ความเหนียวและความยืดหยุ่นจะลดลง

3. ปัจจัยที่มีอิทธิพล

ยิ่งสัดส่วนอะตอมของตัวละลายสูงเท่าไร ผลการเสริมความแข็งแกร่งก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อสัดส่วนอะตอมต่ำมาก ผลการเสริมความแข็งแกร่งก็จะยิ่งเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น

ยิ่งความแตกต่างระหว่างขนาดอะตอมของตัวละลายกับขนาดอะตอมของโลหะพื้นฐานมากเท่าใด ผลในการเสริมความแข็งแรงก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น

อะตอมตัวละลายแทรกมีผลในการเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งมากกว่าอะตอมที่เข้ามาแทนที่ และเนื่องจากการบิดเบี้ยวของโครงสร้างผลึกของอะตอมแทรกในผลึกทรงลูกบาศก์แบบมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ตัวนั้นไม่สมมาตร ผลในการเสริมความแข็งแรงจึงมากกว่าผลึกทรงลูกบาศก์แบบมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่หน้า แต่เนื่องจากความสามารถในการละลายของอะตอมแทรกในสารละลายของแข็งมีจำกัดมาก ดังนั้นผลการเสริมความแข็งแรงที่แท้จริงจึงมีจำกัดเช่นกัน

ยิ่งความแตกต่างของจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ระหว่างอะตอมของตัวละลายและโลหะพื้นฐานมีมากเท่าใด ผลการเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งก็จะยิ่งชัดเจนมากขึ้นเท่านั้น กล่าวคือ ความแข็งแรงคราของสารละลายของแข็งจะเพิ่มขึ้นตามความเข้มข้นของอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่เพิ่มขึ้น

4. ระดับการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็งส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับปัจจัยต่อไปนี้

ความแตกต่างของขนาดระหว่างอะตอมของเมทริกซ์และอะตอมของตัวถูกละลาย ยิ่งความแตกต่างของขนาดมากเท่าไร การรบกวนโครงสร้างผลึกเดิมก็จะยิ่งมากขึ้นเท่านั้น และการเลื่อนตัวของดิสโลเคชันก็จะยิ่งยากขึ้นเท่านั้น

ปริมาณของธาตุผสม ยิ่งเติมธาตุผสมมากเท่าไหร่ ก็ยิ่งเสริมความแข็งแรงมากขึ้นเท่านั้น แต่ถ้ามีอะตอมขนาดใหญ่หรือเล็กเกินไปมากเกินไป ความสามารถในการละลายก็จะเกินขีดจำกัด ซึ่งเกี่ยวข้องกับกลไกการเสริมความแข็งแรงอีกอย่างหนึ่ง คือ การเสริมความแข็งแรงจากเฟสที่กระจายตัวอยู่

อะตอมของสารละลายที่แทรกอยู่ระหว่างอะตอมหลักมีผลในการเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งมากกว่าอะตอมที่เข้ามาแทนที่

ยิ่งความแตกต่างของจำนวนอิเล็กตรอนวาเลนซ์ระหว่างอะตอมของสารละลายและโลหะพื้นฐานมีมากเท่าใด ผลการเสริมความแข็งแรงของสารละลายของแข็งก็จะยิ่งมีนัยสำคัญมากขึ้นเท่านั้น

5. ผลกระทบ

ความแข็งแรงคราก ความแข็งแรงดึง และความแข็งนั้นสูงกว่าโลหะบริสุทธิ์

โดยส่วนใหญ่แล้ว ความยืดหยุ่นจะต่ำกว่าโลหะบริสุทธิ์

ค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่าโลหะบริสุทธิ์มาก

ความต้านทานต่อการคืบตัว หรือการสูญเสียความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูง สามารถปรับปรุงได้โดยการเสริมความแข็งแรงด้วยสารละลายของแข็ง

การเสริมสร้างความแข็งแรงของงาน

1. คำจำกัดความ

เมื่อระดับการเสียรูปเย็นเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุโลหะจะเพิ่มขึ้น แต่ความยืดหยุ่นและความเหนียวจะลดลง

2. บทนำ

ปรากฏการณ์ที่ความแข็งแรงและความแข็งของวัสดุโลหะเพิ่มขึ้นเมื่อถูกเปลี่ยนรูปพลาสติกที่อุณหภูมิต่ำกว่าอุณหภูมิการตกผลึกใหม่ ในขณะที่ความยืดหยุ่นและความเหนียวลดลง เรียกอีกอย่างว่า การเพิ่มความแข็งจากการทำงานเย็น (cold work hardening) สาเหตุคือ เมื่อโลหะถูกเปลี่ยนรูปพลาสติก ผลึกจะเลื่อนและดิสโลเคชันจะพันกัน ทำให้ผลึกยืดออก แตก และกลายเป็นเส้นใย และเกิดความเค้นตกค้างในโลหะ ระดับการเพิ่มความแข็งจากการทำงานมักแสดงด้วยอัตราส่วนของความแข็งระดับจุลภาคของชั้นผิวหลังการแปรรูปต่อความแข็งก่อนการแปรรูป และความลึกของชั้นที่แข็งตัว

3. การตีความจากมุมมองของทฤษฎีการเคลื่อนตัวของแกนโลก

(1) การตัดกันเกิดขึ้นระหว่างการเคลื่อนที่ และการตัดที่เกิดขึ้นจะขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่

(2) เกิดปฏิกิริยาระหว่างดิสโลเคชัน และดิสโลเคชันคงที่ที่เกิดขึ้นจะขัดขวางการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน

(3) การแพร่กระจายของดิสโลเคชันเกิดขึ้น และการเพิ่มขึ้นของความหนาแน่นของดิสโลเคชันจะยิ่งเพิ่มความต้านทานต่อการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันมากขึ้น

4. อันตราย

การเกิดความแข็งจากการทำงาน (Work hardening) ทำให้เกิดความยากลำบากในการแปรรูปชิ้นส่วนโลหะต่อไป ตัวอย่างเช่น ในกระบวนการรีดเย็นแผ่นเหล็ก เหล็กจะแข็งขึ้นเรื่อยๆ จนรีดยาก จึงจำเป็นต้องมีการอบอ่อนระหว่างกระบวนการเพื่อกำจัดความแข็งจากการทำงานโดยการให้ความร้อน อีกตัวอย่างหนึ่งคือ การทำให้พื้นผิวของชิ้นงานเปราะและแข็งขึ้นในกระบวนการตัด ซึ่งจะทำให้เครื่องมือสึกหรอเร็วขึ้นและเพิ่มแรงตัด

5. ประโยชน์

การขึ้นรูปเย็นสามารถช่วยเพิ่มความแข็งแรง ความแข็ง และความทนทานต่อการสึกหรอของโลหะ โดยเฉพาะอย่างยิ่งโลหะบริสุทธิ์และโลหะผสมบางชนิดที่ไม่สามารถปรับปรุงได้ด้วยการอบชุบความร้อน ตัวอย่างเช่น ลวดเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงที่ดึงเย็นและสปริงที่ม้วนเย็น เป็นต้น การใช้การขึ้นรูปเย็นช่วยเพิ่มความแข็งแรงและขีดจำกัดความยืดหยุ่น อีกตัวอย่างหนึ่งคือการใช้การขึ้นรูปเย็นเพื่อเพิ่มความแข็งและความทนทานต่อการสึกหรอของถัง รางรถแทรกเตอร์ กรามเครื่องบด และรางสับเปลี่ยนทางรถไฟ

6. บทบาทในวิศวกรรมเครื่องกล

หลังจากผ่านกระบวนการดึงเย็น การรีด และการยิงลูกปืน (ดูการเสริมความแข็งแรงของพื้นผิว) และกระบวนการอื่นๆ ความแข็งแรงของพื้นผิวของวัสดุโลหะ ชิ้นส่วน และส่วนประกอบต่างๆ สามารถเพิ่มขึ้นได้อย่างมาก

หลังจากชิ้นส่วนได้รับแรงเค้น แรงเค้นเฉพาะจุดของบางส่วนมักจะเกินขีดจำกัดความแข็งแรงของวัสดุ ทำให้เกิดการเสียรูปพลาสติก เนื่องจากกระบวนการเพิ่มความแข็งแรงจากการทำงาน (work hardening) การเสียรูปพลาสติกที่เกิดขึ้นอย่างต่อเนื่องจึงถูกจำกัด ซึ่งสามารถเพิ่มความปลอดภัยของชิ้นส่วนและส่วนประกอบได้

เมื่อชิ้นส่วนหรือส่วนประกอบโลหะถูกขึ้นรูปด้วยการปั๊มขึ้นรูป การเสียรูปพลาสติกของชิ้นส่วนนั้นจะมาพร้อมกับการเสริมความแข็งแรง ทำให้การเสียรูปนั้นถูกถ่ายทอดไปยังส่วนที่แข็งตัวแล้วซึ่งไม่ได้ผ่านการขึ้นรูปโดยรอบ หลังจากกระบวนการสลับกันซ้ำๆ เช่นนี้ จะได้ชิ้นส่วนขึ้นรูปเย็นที่มีการเสียรูปตามหน้าตัดที่สม่ำเสมอ

การขึ้นรูปแข็งด้วยการทำงาน (Work hardening) สามารถช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการตัดของเหล็กกล้าคาร์บอนต่ำและทำให้เศษโลหะแยกตัวได้ง่ายขึ้น แต่การขึ้นรูปแข็งด้วยการทำงานก็ก่อให้เกิดปัญหาในการแปรรูปชิ้นส่วนโลหะต่อไปด้วย ตัวอย่างเช่น ลวดเหล็กดึงเย็นต้องใช้พลังงานมากในการดึงต่อไปเนื่องจากการขึ้นรูปแข็งด้วยการทำงาน และอาจแตกหักได้ ดังนั้นจึงต้องอบอ่อนเพื่อกำจัดความแข็งด้วยการทำงานก่อนดึง อีกตัวอย่างหนึ่งคือ เพื่อทำให้พื้นผิวของชิ้นงานเปราะและแข็งในระหว่างการตัด จะต้องเพิ่มแรงตัดในระหว่างการตัดซ้ำ ซึ่งจะทำให้การสึกหรอของเครื่องมือเร็วขึ้น

การเสริมความแข็งแรงด้วยเม็ดละเอียด

1. คำจำกัดความ

วิธีการปรับปรุงคุณสมบัติทางกลของวัสดุโลหะโดยการปรับขนาดผลึกให้ละเอียดขึ้น เรียกว่า การเสริมความแข็งแรงด้วยการปรับขนาดผลึกให้ละเอียดขึ้น ในอุตสาหกรรม การปรับขนาดผลึกให้ละเอียดขึ้นจะช่วยเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุ

2. หลักการ

โลหะโดยทั่วไปเป็นผลึกหลายเม็ดที่ประกอบด้วยผลึกขนาดเล็กจำนวนมาก ขนาดของผลึกสามารถแสดงได้ด้วยจำนวนผลึกต่อหน่วยปริมาตร ยิ่งจำนวนมาก ผลึกก็จะยิ่งละเอียด การทดลองแสดงให้เห็นว่าโลหะที่มีผลึกละเอียดที่อุณหภูมิห้องมีความแข็งแรง ความแข็ง ความยืดหยุ่น และความเหนียวสูงกว่าโลหะที่มีผลึกหยาบ นี่เป็นเพราะผลึกละเอียดสามารถเกิดการเสียรูปพลาสติกภายใต้แรงภายนอกและกระจายตัวได้ในผลึกจำนวนมากขึ้น การเสียรูปพลาสติกจึงสม่ำเสมอมากขึ้น และการกระจุกตัวของความเค้นก็น้อยลง นอกจากนี้ ยิ่งผลึกละเอียด พื้นที่ขอบผลึกก็จะยิ่งใหญ่ขึ้น และขอบผลึกก็จะยิ่งคดเคี้ยวมากขึ้น ซึ่งยิ่งไม่เอื้อต่อการแพร่กระจายของรอยแตก ดังนั้น วิธีการเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุโดยการทำให้ผลึกละเอียดขึ้นจึงเรียกว่าการเสริมความแข็งแรงด้วยการทำให้ผลึกละเอียดขึ้นในอุตสาหกรรม

3. ผลกระทบ

ยิ่งขนาดเกรนเล็กเท่าไร จำนวนดิสโลเคชัน (n) ในกลุ่มดิสโลเคชันก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น ตามสมการ τ=nτ0 ยิ่งความเข้มข้นของความเค้นน้อยลงเท่าไร ความแข็งแรงของวัสดุก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

กฎการเสริมความแข็งแรงของวัสดุที่มีเกรนละเอียดคือ ยิ่งมีขอบเขตของเกรนมากเท่าไร เกรนก็จะยิ่งละเอียดมากขึ้นเท่านั้น ตามความสัมพันธ์ของฮอลล์-เป่ยฉี ยิ่งค่าเฉลี่ย (d) ของเกรนน้อยลงเท่าไร ความแข็งแรงคราของวัสดุก็จะยิ่งสูงขึ้นเท่านั้น

4. วิธีการปรับปรุงโครงสร้างผลึก

เพิ่มระดับการลดอุณหภูมิลงให้ต่ำกว่าจุดเยือกแข็ง

การรักษาภาวะเสื่อมสภาพ;

การสั่นสะเทือนและการกวน;

สำหรับโลหะที่ผ่านการขึ้นรูปเย็น สามารถทำให้โครงสร้างผลึกละเอียดขึ้นได้โดยการควบคุมระดับการขึ้นรูปและอุณหภูมิการอบอ่อน

การเสริมแรงระยะที่สอง

1. คำจำกัดความ

เมื่อเปรียบเทียบกับโลหะผสมเฟสเดียว โลหะผสมหลายเฟสจะมีเฟสที่สองนอกเหนือจากเฟสหลัก เมื่อเฟสที่สองกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในเฟสหลักด้วยอนุภาคละเอียด จะส่งผลให้ความแข็งแรงเพิ่มขึ้นอย่างมาก ผลการเสริมความแข็งแรงนี้เรียกว่า การเสริมความแข็งแรงจากเฟสที่สอง

2. การจำแนกประเภท

สำหรับการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน เฟสที่สองที่อยู่ในโลหะผสมมีสถานการณ์สองอย่างดังต่อไปนี้:

(1) การเสริมแรงอนุภาคที่ไม่สามารถเปลี่ยนรูปได้ (กลไกบายพาส)

(2) การเสริมแรงอนุภาคที่สามารถเปลี่ยนรูปได้ (กลไกการตัดผ่าน)

ทั้งการเสริมความแข็งแกร่งจากการกระจายตัวและการเสริมความแข็งแกร่งจากปริมาณน้ำฝน ล้วนเป็นกรณีพิเศษของการเสริมความแข็งแกร่งในระยะที่สอง

3. ผลกระทบ

เหตุผลหลักที่ทำให้เฟสที่สองมีความแข็งแกร่งขึ้นคือ ปฏิสัมพันธ์ระหว่างเฟสเหล่านั้นกับดิสโลเคชัน ซึ่งขัดขวางการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันและช่วยเพิ่มความต้านทานต่อการเสียรูปของโลหะผสม

สรุปได้ว่า

ปัจจัยสำคัญที่สุดที่ส่งผลต่อความแข็งแรงคือ องค์ประกอบ โครงสร้าง และสภาพพื้นผิวของวัสดุเอง ปัจจัยรองลงมาคือ สภาพของแรง เช่น ความเร็วของแรง วิธีการรับแรง การยืดแบบธรรมดาหรือการรับแรงซ้ำๆ จะแสดงความแข็งแรงที่แตกต่างกัน นอกจากนี้ รูปทรงและขนาดของชิ้นงานทดสอบและตัวกลางในการทดสอบก็มีอิทธิพลอย่างมาก บางครั้งอาจเป็นปัจจัยชี้ขาดด้วยซ้ำ ตัวอย่างเช่น ความแข็งแรงดึงของเหล็กกล้าความแข็งแรงสูงพิเศษในบรรยากาศไฮโดรเจนอาจลดลงอย่างรวดเร็ว

มีเพียงสองวิธีเท่านั้นที่จะเพิ่มความแข็งแรงให้กับวัสดุโลหะ วิธีแรกคือการเพิ่มแรงยึดเหนี่ยวระหว่างอะตอมของโลหะผสม เพิ่มความแข็งแรงตามทฤษฎี และเตรียมผลึกที่สมบูรณ์โดยปราศจากข้อบกพร่อง เช่น เส้นใยโลหะ เป็นที่ทราบกันดีว่าความแข็งแรงของเส้นใยเหล็กนั้นใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎี อาจกล่าวได้ว่าเป็นเพราะไม่มีการเคลื่อนที่ของอะตอมในเส้นใย หรือมีการเคลื่อนที่ของอะตอมเพียงเล็กน้อยที่ไม่สามารถขยายตัวได้ในระหว่างกระบวนการเสียรูป อย่างไรก็ตาม เมื่อเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยใหญ่ขึ้น ความแข็งแรงจะลดลงอย่างรวดเร็ว อีกวิธีหนึ่งคือการสร้างข้อบกพร่องในผลึกจำนวนมาก เช่น การเคลื่อนที่ของอะตอม ข้อบกพร่องแบบจุด อะตอมที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน ขอบเกรน อนุภาคที่กระจายตัวสูง หรือความไม่สม่ำเสมอ (เช่น การแยกตัว) เป็นต้น ข้อบกพร่องเหล่านี้จะขัดขวางการเคลื่อนที่ของการเคลื่อนที่ของอะตอมและยังช่วยเพิ่มความแข็งแรงของโลหะได้อย่างมาก ข้อเท็จจริงได้พิสูจน์แล้วว่านี่เป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพที่สุดในการเพิ่มความแข็งแรงของโลหะ สำหรับวัสดุทางวิศวกรรม โดยทั่วไปแล้วจะใช้หลักการเสริมความแข็งแรงแบบองค์รวมเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพโดยรวมที่ดีขึ้น