Penguatan larutan padat

1. Definisi

Suatu fenomena di mana unsur-unsur paduan dilarutkan dalam logam dasar untuk menyebabkan tingkat distorsi kisi tertentu dan dengan demikian meningkatkan kekuatan paduan.

2. Prinsip

Atom-atom zat terlarut yang terlarut dalam larutan padat menyebabkan distorsi kisi, yang meningkatkan resistensi pergerakan dislokasi, mempersulit pergeseran, dan meningkatkan kekuatan serta kekerasan larutan padat paduan. Fenomena penguatan logam dengan melarutkan unsur terlarut tertentu untuk membentuk larutan padat ini disebut penguatan larutan padat. Ketika konsentrasi atom terlarut sesuai, kekuatan dan kekerasan material dapat ditingkatkan, tetapi ketangguhan dan plastisitasnya menurun.

3. Faktor-faktor yang mempengaruhi

Semakin tinggi fraksi atom zat terlarut, semakin besar efek penguatannya, terutama ketika fraksi atomnya sangat rendah, efek penguatannya akan lebih signifikan.

Semakin besar perbedaan antara ukuran atom zat terlarut dan ukuran atom logam dasar, semakin besar efek penguatannya.

Atom terlarut interstisial memiliki efek penguatan larutan padat yang lebih besar daripada atom pengganti, dan karena distorsi kisi atom interstisial dalam kristal kubik berpusat badan bersifat asimetris, efek penguatannya lebih besar daripada kristal kubik berpusat muka; tetapi kelarutan padat atom interstisial sangat terbatas, sehingga efek penguatan aktual juga terbatas.

Semakin besar perbedaan jumlah elektron valensi antara atom zat terlarut dan logam dasar, semakin jelas efek penguatan larutan padat, yaitu, kekuatan luluh larutan padat meningkat seiring dengan peningkatan konsentrasi elektron valensi.

4. Tingkat penguatan larutan padat terutama bergantung pada faktor-faktor berikut ini

Perbedaan ukuran antara atom matriks dan atom terlarut. Semakin besar perbedaan ukuran, semakin besar gangguan terhadap struktur kristal asli, dan semakin sulit terjadinya pergeseran dislokasi.

Jumlah unsur paduan. Semakin banyak unsur paduan yang ditambahkan, semakin besar efek penguatannya. Jika terlalu banyak atom yang terlalu besar atau terlalu kecil, kelarutan akan terlampaui. Hal ini melibatkan mekanisme penguatan lain, yaitu penguatan fase terdispersi.

Atom zat terlarut interstisial memiliki efek penguatan larutan padat yang lebih besar daripada atom pengganti.

Semakin besar perbedaan jumlah elektron valensi antara atom zat terlarut dan logam dasar, semakin signifikan efek penguatan larutan padatnya.

5. Efek

Kekuatan luluh, kekuatan tarik, dan kekerasannya lebih tinggi daripada logam murni;

Dalam kebanyakan kasus, keuletannya lebih rendah daripada logam murni;

Konduktivitasnya jauh lebih rendah daripada logam murni;

Ketahanan terhadap creep, atau hilangnya kekuatan pada suhu tinggi, dapat ditingkatkan dengan penguatan larutan padat.

Pengerasan kerja

1. Definisi

Seiring meningkatnya derajat deformasi dingin, kekuatan dan kekerasan material logam meningkat, tetapi plastisitas dan ketangguhannya menurun.

2. Pendahuluan

Suatu fenomena di mana kekuatan dan kekerasan material logam meningkat ketika mengalami deformasi plastis di bawah suhu rekristalisasi, sementara plastisitas dan ketangguhannya menurun. Juga dikenal sebagai pengerasan kerja dingin. Alasannya adalah ketika logam mengalami deformasi plastis, butiran kristal bergeser dan dislokasi saling terkait, yang menyebabkan butiran kristal memanjang, pecah, dan membentuk serat, serta tegangan sisa dihasilkan dalam logam. Tingkat pengerasan kerja biasanya dinyatakan dengan rasio kekerasan mikro lapisan permukaan setelah pemrosesan terhadap kekerasan mikro sebelum pemrosesan dan kedalaman lapisan yang mengeras.

3. Interpretasi dari perspektif teori dislokasi

(1) Perpotongan terjadi antara dislokasi, dan potongan yang dihasilkan menghambat pergerakan dislokasi;

(2) Terjadi reaksi antara dislokasi, dan dislokasi tetap yang terbentuk menghambat pergerakan dislokasi;

(3) Terjadi proliferasi dislokasi, dan peningkatan kepadatan dislokasi selanjutnya meningkatkan resistensi terhadap pergerakan dislokasi.

4. Bahaya

Pengerasan akibat kerja (work hardening) menimbulkan kesulitan dalam pemrosesan lebih lanjut dari bagian-bagian logam. Misalnya, dalam proses penggulungan dingin pelat baja, pelat tersebut akan menjadi semakin keras dan sulit digulung, sehingga perlu dilakukan anil perantara selama proses pemrosesan untuk menghilangkan pengerasan akibat kerja dengan pemanasan. Contoh lain adalah membuat permukaan benda kerja menjadi rapuh dan keras dalam proses pemotongan, sehingga mempercepat keausan pahat dan meningkatkan gaya pemotongan.

5. Manfaat

Proses ini dapat meningkatkan kekuatan, kekerasan, dan ketahanan aus logam, terutama untuk logam murni dan paduan tertentu yang tidak dapat ditingkatkan melalui perlakuan panas. Misalnya, kawat baja berkekuatan tinggi yang ditarik dingin dan pegas yang digulung dingin, dll., menggunakan deformasi pengerjaan dingin untuk meningkatkan kekuatan dan batas elastisnya. Contoh lain adalah penggunaan pengerasan kerja untuk meningkatkan kekerasan dan ketahanan aus pada tank, trek traktor, rahang penghancur, dan wesel kereta api.

6. Peran dalam teknik mesin

Setelah proses penarikan dingin, penggulungan, dan penembakan butiran (lihat penguatan permukaan) dan proses lainnya, kekuatan permukaan material logam, bagian, dan komponen dapat ditingkatkan secara signifikan;

Setelah bagian-bagian tersebut mengalami tekanan, tegangan lokal pada bagian-bagian tertentu seringkali melebihi batas luluh material, menyebabkan deformasi plastis. Karena pengerasan kerja, perkembangan deformasi plastis yang berkelanjutan dibatasi, yang dapat meningkatkan keamanan bagian dan komponen;

Ketika suatu bagian atau komponen logam ditempa, deformasi plastiknya disertai dengan penguatan, sehingga deformasi tersebut ditransfer ke bagian yang mengeras dan tidak dikerjakan di sekitarnya. Setelah tindakan bolak-balik yang berulang tersebut, bagian hasil penempaan dingin dengan deformasi penampang yang seragam dapat diperoleh;

Proses pengerasan kerja dapat meningkatkan kinerja pemotongan baja karbon rendah dan memudahkan pemisahan serpihan. Namun, pengerasan kerja juga menimbulkan kesulitan dalam pemrosesan lebih lanjut komponen logam. Misalnya, kawat baja yang ditarik dingin membutuhkan banyak energi untuk penarikan lebih lanjut karena pengerasan kerja, dan bahkan dapat patah. Oleh karena itu, kawat tersebut harus dianil untuk menghilangkan pengerasan kerja sebelum ditarik. Contoh lain adalah, untuk membuat permukaan benda kerja menjadi rapuh dan keras selama pemotongan, gaya pemotongan ditingkatkan selama pemotongan ulang, dan keausan alat dipercepat.

Penguatan butiran halus

1. Definisi

Metode untuk meningkatkan sifat mekanik material logam dengan cara memperhalus butiran kristal disebut penguatan dengan pemurnian kristal. Dalam industri, kekuatan material ditingkatkan dengan cara memperhalus butiran kristal.

2. Prinsip

Logam biasanya berupa polikristal yang terdiri dari banyak butir kristal. Ukuran butir kristal dapat dinyatakan dengan jumlah butir kristal per satuan volume. Semakin banyak jumlahnya, semakin halus butir kristalnya. Percobaan menunjukkan bahwa logam berbutir halus pada suhu kamar memiliki kekuatan, kekerasan, plastisitas, dan ketangguhan yang lebih tinggi daripada logam berbutir kasar. Hal ini karena butir-butir halus mengalami deformasi plastis di bawah gaya eksternal dan dapat tersebar dalam lebih banyak butir, deformasi plastis lebih seragam, dan konsentrasi tegangan lebih rendah; selain itu, semakin halus butirnya, semakin besar luas batas butir dan semakin berliku-liku batas butirnya. Semakin tidak menguntungkan penyebaran retakan. Oleh karena itu, metode peningkatan kekuatan material dengan memperhalus butir kristal disebut penguatan penghalusan butir dalam industri.

3. Efek

Semakin kecil ukuran butir, semakin kecil jumlah dislokasi (n) dalam gugus dislokasi. Menurut τ=nτ0, semakin kecil konsentrasi tegangan, semakin tinggi kekuatan material;

Hukum penguatan butiran halus adalah semakin banyak batas butiran, semakin halus butirannya. Menurut hubungan Hall-Peiqi, semakin kecil nilai rata-rata (d) butiran, semakin tinggi kekuatan luluh material tersebut.

4. Metode pemurnian butiran

Tingkatkan derajat pendinginan berlebih;

Perawatan kerusakan;

Getaran dan pengadukan;

Untuk logam yang mengalami deformasi dingin, butiran kristal dapat diperhalus dengan mengontrol tingkat deformasi dan suhu anil.

Penguatan fase kedua

1. Definisi

Dibandingkan dengan paduan satu fasa, paduan multi-fasa memiliki fasa kedua selain fasa matriks. Ketika fasa kedua terdistribusi secara merata dalam fasa matriks dengan partikel terdispersi halus, ia akan memiliki efek penguatan yang signifikan. Efek penguatan ini disebut penguatan fasa kedua.

2. Klasifikasi

Untuk pergerakan dislokasi, fase kedua yang terkandung dalam paduan memiliki dua situasi berikut:

(1) Penguatan partikel yang tidak dapat berubah bentuk (mekanisme bypass).

(2) Penguatan partikel yang dapat berubah bentuk (mekanisme pemotongan).

Penguatan dispersi dan penguatan presipitasi merupakan kasus khusus dari penguatan fase kedua.

3. Efek

Alasan utama penguatan fase kedua adalah interaksi antara keduanya dan dislokasi, yang menghambat pergerakan dislokasi dan meningkatkan ketahanan deformasi paduan.

sebagai kesimpulan

Faktor terpenting yang memengaruhi kekuatan adalah komposisi, struktur, dan kondisi permukaan material itu sendiri; yang kedua adalah kondisi gaya, seperti kecepatan gaya, metode pembebanan, peregangan sederhana atau gaya berulang, akan menunjukkan kekuatan yang berbeda; Selain itu, geometri dan ukuran sampel serta media pengujian juga memiliki pengaruh besar, terkadang bahkan menentukan. Misalnya, kekuatan tarik baja berkekuatan sangat tinggi dalam atmosfer hidrogen dapat turun secara eksponensial.

Hanya ada dua cara untuk memperkuat material logam. Pertama, dengan meningkatkan gaya ikatan antaratom paduan, meningkatkan kekuatan teoritisnya, dan menyiapkan kristal lengkap tanpa cacat, seperti whisker. Diketahui bahwa kekuatan whisker besi mendekati nilai teoritis. Hal ini dapat dianggap karena tidak adanya dislokasi dalam whisker, atau hanya sedikit dislokasi yang tidak dapat berkembang biak selama proses deformasi. Sayangnya, ketika diameter whisker lebih besar, kekuatannya menurun tajam. Pendekatan penguatan lainnya adalah dengan memasukkan sejumlah besar cacat kristal ke dalam kristal, seperti dislokasi, cacat titik, atom heterogen, batas butir, partikel yang sangat terdispersi atau ketidakseragaman (seperti segregasi), dll. Cacat-cacat ini menghambat pergerakan dislokasi dan juga secara signifikan meningkatkan kekuatan logam. Fakta telah membuktikan bahwa ini adalah cara paling efektif untuk meningkatkan kekuatan logam. Untuk material teknik, umumnya melalui efek penguatan komprehensif untuk mencapai kinerja komprehensif yang lebih baik.