Erhöhung der Metallfestigkeit: 4 bewährte Verfahren

01. Mischkristallverfestigung Definition Das Phänomen der Mischkristallverfestigung von Legierungselementen im Matrixmetall, das einen bestimmten Grad an Gitterverzerrung verursacht, verbessert die Festigkeit der Legierung. Prinzip Die im Mischkristall gelösten Atome verursachen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand gegen die Versetzungsbewegung erhöht und das Gleiten [...]

Metalle stärker machen

Inhaltsverzeichnis

01. Stärkung der festen Lösung

Definieren Sieition

Das Phänomen der festen Lösung von Legierungselementen im Matrixmetall, das einen gewissen Grad an Gitterverzerrung verursacht, verbessert die Festigkeit der Legierung.

Grundsatz

Die im Mischkristall gelösten Atome verursachen eine Gitterverzerrung, die den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen erhöht und das Gleiten erschwert. Infolgedessen werden Festigkeit und Härte des Mischkristalls der Legierung erhöht. Dieses Phänomen der Metallverfestigung durch die Bildung eines Mischkristalls durch Auflösung eines bestimmten gelösten Elements wird als Mischkristallverfestigung bezeichnet.

Wenn die Konzentration des gelösten Atoms optimal ist, wird der Stoff Festigkeit und Härte kann verbessert werden, aber seine Zähigkeit und Plastizität nehmen ab.

Metalle stärker machen

Beeinflussende Faktoren

Je höher die Konzentration der gelösten Atome ist, desto ausgeprägter ist der Verstärkungseffekt, insbesondere bei niedrigen Konzentrationen, wo der Effekt am stärksten ist.

Je größer der Unterschied in der atomaren Größe zwischen dem gelösten Atom und dem Matrixmetall ist, desto stärker ist die Verstärkungswirkung.

Zwischengitteratome haben eine stärkere festigende Wirkung auf die feste Lösung als Ersatzatome. Außerdem ist die durch Zwischengitteratome verursachte Gitterverzerrung in kubisch-raumzentrierten Kristallen asymmetrisch, was zu einer stärkeren Verstärkungswirkung führt als in kubisch-flächenzentrierten Kristallen. Allerdings ist die Löslichkeit der Zwischengitteratome im Festkörper sehr begrenzt, so dass die tatsächliche Verstärkungswirkung ebenfalls begrenzt ist.

Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem gelösten Atom und dem Matrixmetall ist, desto ausgeprägter ist der Effekt der Mischkristallverstärkung. Mit anderen Worten, die Streckgrenze des Mischkristalls steigt mit zunehmender Konzentration der Valenzelektronen.

Der Grad der Mischkristallverfestigung hängt hauptsächlich von den folgenden Faktoren ab:

(1) Der Größenunterschied zwischen Matrixatomen und gelösten Atomen:

Je größer der Größenunterschied ist, desto mehr wird die ursprüngliche Kristallstruktur gestört und desto schwieriger wird es für Versetzungen, zu gleiten.

(2) Der Betrag von Legierungselemente:

Je mehr Legierungselemente hinzugefügt werden, desto stärker ist die Verstärkungswirkung.

Wenn zu viele Atome, die entweder zu groß oder zu klein sind, hinzugefügt werden, wird die Löslichkeit überschritten. Dies führt zu einem weiteren Verstärkungsmechanismus, der als Dispersionsphasenverstärkung bekannt ist.

(3) Die festigkeitssteigernde Wirkung der gelösten Zwischengitteratome ist größer als die der Ersatzatome.

(4) Je größer der Unterschied in der Anzahl der Valenzelektronen zwischen dem gelösten Atom und dem Matrixmetall ist, desto ausgeprägter ist der Effekt der Mischkristallverfestigung.

Wirkung

Die Streckgrenze, die Zugfestigkeit und die Härte sind im Vergleich zu reinem Metall höher.

In den meisten Fällen ist die Duktilität im Vergleich zu reinem Metall geringer.

Die elektrische Leitfähigkeit ist deutlich geringer als die von reinem Metall.

Die Mischkristallverfestigung kann die Beständigkeit gegen Kriechen oder den Verlust der Festigkeit bei hohen Temperaturen verbessern.

02. Kaltverfestigung

Definition

Mit zunehmender Kaltverformung nehmen die Festigkeit und die Härte von Metallwerkstoffen zu, die Plastizität und die Zähigkeit nehmen jedoch ab.

Kurze Einführung

Das Phänomen der erhöhten Stärke und Härte des Metalls Die Verfestigung von Werkstoffen, die mit einer Abnahme der Plastizität und Zähigkeit während der plastischen Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur einhergeht, wird als Kaltverfestigung bezeichnet.

Der Grund dafür ist, dass während der plastischen Verformung des Metalls ein Korngleiten auftritt und sich Versetzungen verwickeln, wodurch das Korn gedehnt wird, bricht und faserig wird, was zu einer Eigenspannung innerhalb des Metalls.

Der Grad der Kaltverfestigung wird üblicherweise durch das Verhältnis der Mikrohärte der Oberflächenschicht nach der Bearbeitung zu derjenigen vor der Bearbeitung und die Tiefe der gehärteten Schicht ausgedrückt.

Aus der Perspektive der Versetzungstheorie:

(1) Die Überschneidung von Versetzungen behindert deren Bewegung durch die Bildung von abgeschnittenen Versetzungen;

(2) Durch die Reaktion zwischen den Versetzungen entstehen feste Versetzungen, die ihre Bewegung weiter behindern;

(3) Die Vermehrung von Versetzungen führt zu einem Anstieg der Versetzungsdichte, was den Widerstand gegen Versetzungsbewegungen weiter erhöht.

Schaden

Die Kaltverfestigung macht die Weiterverarbeitung von Metallteilen schwierig.

Beim Kaltwalzen zum Beispiel wird die Stahlplatte wird zunehmend härter, bis es nicht mehr gerollt werden kann. Daher ist es notwendig, Zwischenschritte einzuplanen Glühen im Verarbeitungsprozess, um die Kaltverfestigung durch Erhitzung zu beseitigen.

Beispielsweise wird die Oberfläche des Werkstücks beim Schneiden spröde und hart, was zu einem beschleunigten Werkzeugverschleiß, einer erhöhten Schnittkraft usw. führt.

Vorteile

Das Kaltverfestigen kann die Festigkeit, die Härte und die Verschleißfestigkeit von Metallen verbessern, insbesondere bei reinen Metallen und einigen Legierungen, die durch Wärmebehandlung nicht verfestigt werden können.

Beispiele hierfür sind kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewickelte Federn, die durch Kaltverformung ihre Festigkeit und Elastizitätsgrenze erhöhen.

So werden z. B. die Raupen von Panzern und Traktoren, die Backenplatten von Brechern und die Weichen von Eisenbahnschienen ebenfalls durch Kaltverfestigung gehärtet, um ihre Härte und Verschleißfestigkeit zu verbessern.

Role im Maschinenbau

Die Oberflächenfestigkeit von metallischen Werkstoffen, Teilen und Komponenten kann durch Kaltziehen, Walzen und Schießen erheblich verbessert werden. Hämmern (wie unter Oberflächenverfestigung beschrieben).

Wenn Teile unter Spannung stehen, kann die lokale Spannung in einigen Bereichen oft die Streckgrenze des Materials überschreiten, was zu plastischer Verformung führt. Das Kaltverfestigen schränkt jedoch die weitere Entwicklung der plastischen Verformung ein und verbessert so die Sicherheit von Teilen und Komponenten.

Wenn ein Metallteil oder eine Komponente gestanzt wird, geht die plastische Verformung mit einer Verfestigung einher, wodurch die Verformung auf das umgebende unbearbeitete, gehärtete Teil übertragen wird.

Durch wiederholte Wechselwirkungen können kaltgestanzte Teile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung erhalten werden, und die Schneidleistung von kohlenstoffarmem Stahl kann verbessert werden, was die Spantrennung erleichtert.

Die Kaltverfestigung macht jedoch auch die Weiterverarbeitung von Metallteilen schwierig. Kaltgezogener Stahldraht beispielsweise lässt sich aufgrund der Kaltverfestigung nur schwer weiterziehen, erfordert einen erheblichen Energieaufwand und kann sogar brechen. Daher muss er geglüht werden, um die Kaltverfestigung zu beseitigen, bevor er weiter gezogen werden kann.

Ähnlich verhält es sich beim Zerspanungsprozess: Wird die Oberfläche des Werkstücks durch Kaltverfestigung spröde und hart, erhöht sich die Schnittkraft und der Werkzeugverschleiß beim Nachschneiden wird beschleunigt.

03. Feinkörnige Verstärkung

Definition

Das Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von metallische Werkstoffe durch Kornverfeinerung wird als Feinkornverfestigung bezeichnet.

In der Industrie wird das Raffinieren von Körnern zur Verbesserung der Festigkeit von Werkstoffen.

Grundsatz

Metalle bestehen in der Regel aus vielen Körnern und werden als Polykristalle bezeichnet. Die Größe der Körner kann durch die Anzahl der Körner pro Volumeneinheit ausgedrückt werden, wobei eine größere Anzahl feinere Körner anzeigt.

Experimente zeigen, dass feinkörnige Metalle im Vergleich zu grobkörnigen Metallen bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit aufweisen. Dies liegt daran, dass die durch äußere Kräfte verursachte plastische Verformung in feinen Körnern auf mehr Körner verteilt werden kann, was zu einer gleichmäßigeren plastischen Verformung und einer geringeren Spannungskonzentration führt.

Je feiner das Korn ist, desto größer ist die Korngrenzenfläche und desto gewundener ist die Korngrenze, was die Rissausbreitung erschwert.

Daher wird die Methode zur Erhöhung der Materialfestigkeit durch Kornverfeinerung in der Industrie als Feinkornverfestigung bezeichnet.

Wirkung

Je feiner das Korn, desto weniger Versetzungen (n) sind im Versetzungscluster vorhanden, was zu einer geringeren Spannungskonzentration und einer höheren Materialfestigkeit führt.

Das Gesetz der Feinkornverfestigung besagt, dass die Körner umso feiner sind, je mehr Korngrenzen vorhanden sind.

Nach der Hall-Petch-Beziehung gilt: Je kleiner die durchschnittliche Korngröße (d), desto höher die Streckgrenze des Materials.

Die Methode der Kornfeinung:

Zu den Methoden der Kornfeinung von kaltverformten Metallen gehören:

  1. Zunehmende Unterkühlung
  2. Modifikationsbehandlung
  3. Vibration und Rühren

Die Korngröße kann durch Anpassung des Verformungsgrads und der Glühtemperatur gesteuert werden.

04. Zweite Phase der Stärkung

Definition

Im Vergleich zu einphasigen Legierungen enthalten mehrphasige Legierungen neben der Matrixphase eine zweite Phase.

Wenn die zweite Phase gleichmäßig als feine Partikel in der Matrixphase dispergiert ist, führt dies zu einer erheblichen Verfestigungswirkung, die als Verfestigung durch die zweite Phase bezeichnet wird.

Clichkeit

Die zweite in der Legierung enthaltene Phase hat die folgenden beiden Auswirkungen auf die Bewegung von Versetzungen:

(1) Verstärkende Wirkung von nicht verformbaren Partikeln (Bypass-Mechanismus).

(2) Verstärkende Wirkung der verformbaren Partikel (Schneidemechanismus).

Sowohl die Dispersionsverfestigung als auch die Ausscheidungsverfestigung sind Sonderfälle der Verfestigung in der zweiten Phase.

Wirkung

Die Verfestigung der zweiten Phase ist in erster Linie auf die Wechselwirkung zwischen der zweiten Phase und den Versetzungen zurückzuführen, die die Versetzungsbewegung behindert und die Verformungsbeständigkeit der Legierung erhöht.

Schlussfolgerung

Die Festigkeit von metallischen Werkstoffen wird in erster Linie durch ihre Zusammensetzung, ihr Gefüge und ihren Oberflächenzustand beeinflusst.

Der zweite Faktor ist der Beanspruchungszustand, wie z. B. die Geschwindigkeit der Krafteinwirkung und die Art der Belastung, die zu unterschiedlichen Festigkeiten führen kann, z. B. kann die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl abnehmen, wenn er in einer Wasserstoffatmosphäre geprüft wird.

Auch die geometrische Form und Größe der Probe sowie das Prüfmedium haben einen erheblichen Einfluss und können manchmal entscheidend sein.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, metallische Werkstoffe zu verstärken:

  • Verbesserung der interatomaren Bindungskraft der Legierung und Herstellung defektfreier vollständiger Kristalle, z. B. Whisker. Whisker aus Eisen haben eine Festigkeit, die nahe am theoretischen Wert liegt, da es keine oder nur wenige Versetzungen gibt, die sich bei der Verformung nicht vermehren. Ihre Festigkeit nimmt jedoch mit zunehmendem Durchmesser rasch ab.
  • Einbringen einer großen Anzahl von Kristalldefekten in den Kristall, wie z. B. Versetzungen, Punktdefekte, heterogene Atome, Korngrenzen, stark dispergierte Teilchen oder Inhomogenitäten (z. B. Entmischung). Diese Defekte behindern die Bewegung von Versetzungen und erhöhen die Festigkeit des Metalls erheblich. Dies ist der effektivste Weg zur Verbesserung der Metallfestigkeit.

Bei technischen Werkstoffen wird die Festigkeit im Allgemeinen durch eine umfassende Verstärkung verbessert, um bessere Gesamteigenschaften zu erzielen.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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