Härdning (metallurgi) - Hardening (metallurgy)
Härdning är en metallurgisk metallbearbetningsprocess som används för att öka hårdheten hos en metall. Metallens hårdhet är direkt proportionell mot den uniaxiala sträckgränsen vid platsen för den påförda stammen. En hårdare metall kommer att ha ett högre motstånd mot plastisk deformation än en mindre hård metall.
Processer
De fem härdningsprocesserna är:
- Den Hall-Petch -metoden, eller korngränsförstärkning, är att erhålla små korn. Mindre korn ökar sannolikheten för att dislokationer kommer in i spannmålsgränser efter kortare sträckor, vilket är mycket starka dislokationsbarriärer. I allmänhet kommer mindre kornstorlek att göra materialet hårdare. När kornstorleken närmar sig submikronstorlekar kan dock vissa material bli mjukare. Detta är helt enkelt en effekt av en annan deformationsmekanism som blir lättare, det vill säga korngränsglidning. Vid denna tidpunkt blir alla dislokationsrelaterade härdningsmekanismer irrelevanta.
- Vid arbetshärdning (även kallad töjningshärdning) ansträngs materialet förbi sin flyktpunkt, t.ex. genom kallbearbetning . Duktil metall blir hårdare och starkare när den deformeras fysiskt. Plastbelastningen genererar nya dislokationer. När dislokationstätheten ökar blir ytterligare dislokationsrörelser svårare eftersom de hindrar varandra, vilket innebär att materialhårdheten ökar.
- Vid förstärkning av fast lösning tillsätts ett lösligt legeringselement till det material som önskas förstärkas, och tillsammans bildar de en "fast lösning". En fast lösning kan ses som en "normal" flytande lösning, t.ex. salt i vatten, förutom att den är fast. Beroende på storleken på det lösta legeringselementets jon jämfört med matrismetallens löses den antingen substitutionellt (stort legeringselement som ersätter en atom i kristallen) eller interstitiellt (små legeringselement tar plats mellan atomer i kristallen gitter). I båda fallen gör storleksskillnaden för de främmande elementen att de fungerar som sandkorn i sandpapper och motstår dislokationer som försöker glida förbi, vilket resulterar i högre materialhållfasthet. Vid härdning av lösningar fälls inte legeringselementet ut från lösningen.
- Nederbördshärdning (även kallad åldringshärdning ) är en process där en andra fas som börjar i fast lösning med matrismetallen fälls ut ur lösningen med metallen när den släcks och lämnar partiklar från den fasen fördelade över för att orsaka motstånd mot glidförskjutningar . Detta uppnås genom att först värma metallen till en temperatur där elementen som bildar partiklarna är lösliga och sedan släcka den och fånga dem i en fast lösning. Hade det varit en flytande lösning skulle elementen bilda fällningar, precis som övermättat saltvatten skulle fälla ut små saltkristaller, men atomdiffusion i ett fast ämne är mycket långsam vid rumstemperatur. En andra värmebehandling vid en lämplig temperatur krävs sedan för att åldra materialet. Den förhöjda temperaturen gör att de upplösta elementen kan diffundera mycket snabbare och bilda de önskade utfällda partiklarna. Släckningen krävs eftersom materialet annars skulle starta fällningen redan under den långsamma kylningen. Denna typ av nederbörd resulterar i få stora partiklar i stället för den allmänt önskade överflödet av små fällningar. Nederbördshärdning är en av de vanligaste teknikerna för härdning av metalllegeringar.
- Martensitisk transformation , mer allmänt känd som släckning och härdning , är en härdningsmekanism som är specifik för stål. Stålet måste värmas till en temperatur där järnfasen övergår från ferrit till austenit, dvs ändrar kristallstrukturen från BCC ( kroppscentrerad kubik ) till FCC ( ansiktscentrerad kubik ). I austenitisk form kan stål lösa upp mycket mer kol. När kolet har lösts släcks materialet. Det är viktigt att släcka med hög kylhastighet så att kolet inte hinner bilda fällningar av karbider. När temperaturen är tillräckligt låg försöker stålet återgå till lågtemperaturkristallstrukturen BCC. Denna förändring är mycket snabb eftersom den inte är beroende av diffusion och kallas en martensitisk transformation. På grund av den extrema övermättnaden av fast lösningskol blir kristallgitteret istället BCT ( kroppscentrerat tetragonalt ). Denna fas kallas martensit och är extremt hård på grund av en kombinerad effekt av den förvrängda kristallstrukturen och den extrema fasta lösningsförstärkningen, som båda motstår glidförskjutning.
Alla härdningsmekanismer introducerar kristallgitterdefekter som fungerar som hinder för förskjutning av glidning.
Ansökningar
Materialhärdning krävs för många applikationer:
- Maskinskärningsverktyg (borr, kranar, svarvverktyg) måste vara mycket hårdare än materialet de använder för att vara effektiva.
- Knivblad - ett blad med hög hårdhet håller en skarp kant.
- Lager - nödvändigt för att ha en mycket hård yta som tål fortsatta påfrestningar.
- Pansarplätering - Hög hållfasthet är oerhört viktig både för skottsäkra plattor och för tunga containrar för gruvdrift och konstruktion.
- Antitrötthet - Martensitic case härdning kan drastiskt förbättra livslängden för mekaniska komponenter vid upprepad lastning/lossning, till exempel axlar och kuggar.