고용체 강화

1. 정의

합금원소가 모재에 용해되어 어느 정도 격자왜곡이 발생하여 합금의 강도가 높아지는 현상.

2. 원리

고용체에 용해된 용질 원자는 격자 뒤틀림을 유발하여 전위 이동의 저항을 증가시키고 미끄러짐을 어렵게 하며 합금 고용체의 강도와 경도를 증가시킵니다. 특정 용질 원소를 용해시켜 고용체를 형성함으로써 금속을 강화시키는 이러한 현상을 고용강화라고 합니다. 용질원자의 농도가 적당하면 재료의 강도와 경도는 높아지나 인성이나 가소성은 감소한다.

3. 영향 요인

용질 원자의 원자 분율이 높을수록 강화 효과가 커지고, 특히 원자 분율이 매우 낮을 때 강화 효과가 더욱 커집니다.

용질 원자와 모재 금속의 원자 크기의 차이가 클수록 강화 효과가 커집니다.

격자간 용질 원자는 대체 원자보다 고용체 강화 효과가 더 크며, 체심 입방 결정에서 격자 간 원자의 격자 왜곡이 비대칭이기 때문에 강화 효과가 면심 입방 결정의 강화 효과보다 큽니다. 하지만 격자간 원자의 고용도는 매우 제한적이므로 실제 강화 효과도 제한됩니다.

용질 원자와 모재 금속 사이의 원자가 전자 수의 차이가 클수록 고용 강화 효과가 더욱 뚜렷해집니다. 즉, 원자가 전자 농도가 증가함에 따라 고용체의 항복 강도가 증가합니다.

4. 고용체 강화 정도는 주로 다음 요소에 따라 달라집니다.

매트릭스 원자와 용질 원자 사이의 크기 차이. 크기 차이가 클수록 원래의 결정 구조에 대한 간섭이 커지고 전위 미끄러짐이 더 어려워집니다.

합금 원소의 양. 더 많은 합금 원소를 첨가할수록 강화 효과는 더 커집니다. 너무 많은 원자가 너무 크거나 너무 작으면 용해도가 초과됩니다. 여기에는 또 다른 강화 메커니즘인 분산상 강화가 포함됩니다.

격자간 용질 원자는 대체 원자보다 고용체 강화 효과가 더 큽니다.

용질 원자와 모재 금속 사이의 원자가 전자 수의 차이가 클수록 고용 강화 효과가 더 중요합니다.

5. 효과

항복 강도, 인장 강도 및 경도는 순수 금속보다 강합니다.

대부분의 경우 연성은 순금속보다 낮습니다.

전도성은 순수 금속보다 훨씬 낮습니다.

내크리프성, 즉 고온에서의 강도 손실은 고용 강화를 통해 개선될 수 있습니다.

가공경화

1. 정의

냉간변형 정도가 증가할수록 금속재료의 강도와 경도는 증가하지만, 가소성과 인성은 감소한다.

2. 소개

금속재료가 재결정온도 이하에서 소성변형을 하게 되면 강도와 경도가 증가하고, 가소성과 인성이 감소하는 현상. 냉간 가공 경화라고도 합니다. 그 이유는 금속을 소성변형시키면 결정립이 미끄러지거나 전위가 엉켜 결정립이 신장, 파손, 섬유화되어 금속에 잔류응력이 발생하기 때문이다. 가공 경화 정도는 일반적으로 가공 전 표면층의 미세 경도와 가공 후 표면층의 미세 경도 비율 및 경화층의 깊이로 표현됩니다.

3. 전위이론의 관점에서의 해석

(1) 탈구 사이에 교차가 발생하고 그 결과로 발생한 절단이 탈구의 이동을 방해합니다.

(2) 전위 사이에 반응이 일어나고, 형성된 고정 전위가 전위의 이동을 방해한다.

(3) 전위의 확산이 발생하고, 전위 밀도의 증가는 전위 이동에 대한 저항을 더욱 증가시킨다.

4. 해로움

가공 경화로 인해 금속 부품의 추가 가공이 어려워집니다. 예를 들어 강판을 냉간 압연하는 과정에서 압연이 점점 더 어려워지기 때문에 가열에 의한 가공 경화를 없애기 위해 가공 과정에서 중간 어닐링을 마련해야 합니다. 또 다른 예는 절삭 과정에서 공작물의 표면을 부서지기 쉽고 단단하게 만들어 공구 마모를 가속화하고 절삭력을 높이는 것입니다.

5. 혜택

이는 금속의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시킬 수 있으며, 특히 열처리로 향상시킬 수 없는 순수 금속 및 특정 합금의 경우 더욱 그렇습니다. 예를 들어 냉간 인발 고강도 강선 및 냉간 코일 스프링 등은 냉간 가공 변형을 사용하여 강도와 탄성 한계를 향상시킵니다. 또 다른 예는 탱크, 트랙터 트랙, 분쇄기 조 및 철도 분기기의 경도와 내마모성을 개선하기 위해 가공 경화를 사용하는 것입니다.

6. 기계공학에서의 역할

냉간 인발, 압연, 쇼트 피닝(표면 강화 참조) 및 기타 공정 후에 금속 재료, 부품 및 부품의 표면 강도가 크게 향상될 수 있습니다.

부품에 응력이 가해진 후 특정 부품의 국부 응력이 재료의 항복 한계를 초과하여 소성 변형을 일으키는 경우가 많습니다. 가공 경화로 인해 소성 변형의 지속적인 발전이 제한되어 부품 및 부품의 안전성이 향상될 수 있습니다.

금속 부품이나 부품을 스탬핑할 때 소성 변형이 강화되어 주변의 가공되지 않은 경화 부품으로 변형이 전달됩니다. 이러한 반복적인 교번 작업 후에 균일한 단면 변형을 갖는 냉간 스탬핑 부품을 얻을 수 있습니다.

저탄소강의 절삭 성능을 향상시키고 칩을 쉽게 분리할 수 있습니다. 그러나 가공 경화는 금속 부품의 추가 가공에도 어려움을 가져옵니다. 예를 들어, 냉간 압연 강선은 가공 경화로 인해 추가 인발에 많은 에너지를 소비하고 파손될 수도 있습니다. 그러므로, 인발 전에 가공 경화를 제거하기 위해 어닐링을 해야 합니다. 또 다른 예는 절단 중에 공작물의 표면을 부서지기 쉽고 단단하게 만들기 위해 재절단 시 절삭력이 증가하고 공구 마모가 가속화되는 것입니다.

미세입자 강화

1. 정의

결정립을 미세화하여 금속재료의 기계적 성질을 향상시키는 방법을 결정세련강화라고 한다. 업계에서는 결정립을 미세화해 소재의 강도를 높인다.

2. 원리

금속은 일반적으로 많은 결정립으로 구성된 다결정입니다. 결정립의 크기는 단위 부피당 결정립의 수로 표현될 수 있다. 숫자가 많을수록 결정립이 더 미세해집니다. 실험에 따르면 상온에서 세립 금속은 거친 금속보다 강도, 경도, 가소성 및 인성이 더 높습니다. 이는 미세 입자가 외력에 의해 소성 변형을 겪고 더 많은 입자에 분산될 수 있고 소성 변형이 더 균일하며 응력 집중이 적기 때문입니다. 또한 결정립이 미세할수록 결정립계 영역이 커지고 결정립 경계가 더 구불구불해집니다. 균열의 확산은 더욱 불리합니다. 따라서 결정립을 미세화하여 소재의 강도를 향상시키는 방법을 업계에서는 결정립 미세화 강화라고 부른다.

3. 효과

입자 크기가 작을수록 전위 클러스터의 전위 수(n)가 작아집니다. τ=nτ0에 따르면 응력 집중이 작을수록 재료의 강도는 높아집니다.

세립 강화의 강화 법칙은 결정립 경계가 많을수록 결정립이 미세해진다는 것입니다. Hall-Peiqi 관계에 따르면 입자의 평균값(d)이 작을수록 재료의 항복강도가 높아집니다.

4. 결정립 미세화 방법

과냉각도를 높이십시오.

악화치료;

진동 및 교반;

냉간 변형된 금속의 경우 변형 정도와 어닐링 온도를 제어하여 결정립을 미세화할 수 있습니다.

2단계 강화

1. 정의

단상 합금과 비교하여 다상 합금은 매트릭스 상 외에 두 번째 상을 갖습니다. 두 번째 상이 미세한 입자로 분산된 매트릭스 상에 균일하게 분포되면 상당한 강화 효과를 갖게 됩니다. 이러한 강화 효과를 2단계 강화라고 합니다.

2. 분류

전위 이동의 경우 합금에 포함된 두 번째 상은 다음과 같은 두 가지 상황을 갖습니다.

(1) 변형 불가능한 입자의 강화(바이패스 메커니즘).

(2) 변형 가능한 입자의 강화(컷스루 메커니즘).

분산 강화와 석출 강화는 모두 2단계 강화의 특별한 경우입니다.

3. 효과

두 번째 상이 강화되는 주된 이유는 이들과 전위 사이의 상호 작용으로, 이는 전위의 이동을 방해하고 합금의 변형 저항을 향상시킵니다.

요약하자면

강도에 영향을 미치는 가장 중요한 요소는 재료 자체의 구성, 구조 및 표면 상태입니다. 두 번째는 힘의 속도, 하중을 가하는 방법, 단순 스트레칭 또는 반복적인 힘과 같은 힘의 상태가 서로 다른 강도를 나타냅니다. 또한 시료와 시험 매체의 형상과 크기도 큰 영향을 미치며 때로는 결정적인 영향을 미치기도 합니다. 예를 들어, 수소 분위기에서 초고장력 강철의 인장 강도는 기하급수적으로 떨어질 수 있습니다.

금속 재료를 강화하는 방법은 두 가지뿐입니다. 하나는 합금의 원자간 결합력을 높여 이론강도를 높이고 위스커 등 결함이 없는 완전한 결정을 준비하는 것이다. 철수염의 강도는 이론치에 가까운 것으로 알려져 있습니다. 이는 수염에 전위가 없거나, 변형 과정에서 증식할 수 없는 전위가 극히 적기 때문이라고 생각할 수 있다. 불행하게도 위스커의 직경이 커지면 강도가 급격히 떨어집니다. 또 다른 강화 접근법은 전위, 점 결함, 이종 원자, 결정립 경계, 고도로 분산된 입자 또는 불균일성(예: 분리) 등과 같은 다수의 결정 결함을 결정에 도입하는 것입니다. 이러한 결함은 전위의 이동을 방해하고 또한 금속의 강도를 대폭 향상시킵니다. 이것이 금속의 강도를 높이는 가장 효과적인 방법이라는 사실이 입증되었습니다. 엔지니어링 재료의 경우 일반적으로 포괄적인 강화 효과를 통해 더 나은 포괄적인 성능을 달성합니다.