01. חיזוק פתרון מוצק
הַגדָרָה
חיזוק תמיסה מוצקה היא התופעה שבה יסודות סגסוגת מתמוססים למתכת הבסיסית, גורמים לעיוות סריג ולהגברת חוזק הסגסוגת.
עִקָרוֹן
אטומים מומסים שמתמוססים לתוך התמיסה המוצקה יוצרים עיוות סריג, מה שמגביר את ההתנגדות לתנועת נקע, ומקשה על החלקה. כתוצאה מכך, החוזק והקשיות של תמיסת הסגסוגת המוצקה גדלים. מנגנון חיזוק זה מסתמך על המסת אטומים מומסים ליצירת תמיסה מוצקה. עם ריכוז מומס מתאים, חוזק החומר וקשיותו משתפרים, אם כי קשיחותו וגמישותו עשויים לרדת.
גורמים משפיעים
ככל שהשבר האטומי של אטומים מומסים גבוה יותר, כך האפקט המחזק חזק יותר, במיוחד בריכוזים נמוכים.
ככל שההבדל בגודל גדול יותר בין אטומי מתכת מומסת ובסיסית, כך החיזוק משמעותי יותר.
לאטומים מומסים בין תאי יש אפקט חיזוק חזק יותר מאלה תחליפיים. בגבישים מעוקבים במרכז-גוף, אטומים בין-סטיציאליים גורמים לעיוות סריג א-סימטרי, וכתוצאה מכך לחיזוק גדול יותר מאשר בגבישים מעוקבים במרכז-פנים. עם זאת, המסיסות של אטומים אינטרסטיציאליים מוגבלת.
ככל שההבדל במספרי האלקטרונים הערכיים בין אטומי המומסים והבסיסים גדול יותר, כך ההשפעה המחזקת חזקה יותר. חוזק התפוקה עולה עם ריכוז האלקטרונים.
דרגת התחזקות תלויה:
הבדל גודל בין אטומי מומס ובסיס: אי התאמה גדולה יותר של גודל מגבירה את ההתנגדות לנקע.
כמות אלמנטים מסגסוגים: יותר אפקט סגסוג=חזק יותר, אך כמויות מוגזמות עלולות לחרוג ממגבלת המסיסות ולדרוש שיטות חיזוק אחרות כמו חיזוק שלב שני.
אטומים אינטרסטיציאליים מתחזקים יותר מאשר אטומים תחליפיים.
הבדל אלקטרון ערכי בין מתכת מומסת למתכת מטריצה משפר את ההתחזקות.
אפקטים
חוזק התפוקה, חוזק המתיחה והקשיות עולים על אלו של מתכות טהורות.
בדרך כלל משיכות נמוכה יותר בהשוואה למתכות טהורות.
מוליכות חשמלית נמוכה יותר ממתכות טהורות.
עמידות משופרת לזחילה וחוזק-בטמפרטורה גבוהה.
02. הקשחת עבודה (הקשחת מתח)
הַגדָרָה
ככל שהדפורמציה הקרה עולה, החוזק והקשיחות של מתכת עולים, בעוד שהפלסטיות והקשיחות פוחתות.
סקירה כללית
כאשר מתכות מעוותות פלסטית מתחת לטמפרטורת ההתגבשות שלהן, הן נעשות חזקות יותר וקשות יותר אך פחות גמישות וקשוחות. ידוע גם בשם התקשות בעבודה קרה. במהלך דפורמציה פלסטית, נקעים מסתבכים, גרגירים מתארכים, נשברים והופכים לסיביים. לחץ שאריות מוצג. דרגת ההתקשות נמדדת בדרך כלל על ידי היחס בין מיקרו קשיות פני השטח לפני ואחרי דפורמציה ועומק השכבה המוקשה.
הסבר תורת הנקע
נקעים מצטלבים ויוצרים צעד-כמו מכשולים לתנועה.
נקעים מגיבים ליצירת נקעים חסרי תנועה המעכבים את התנועה.
כפל נקע מגביר את הצפיפות, ומעכב עוד יותר את התנועה.
חסרונות
התקשות העבודה מסבכת עיבוד נוסף. לדוגמה, פלדה מגולגלת קרה- הופכת ליותר ויותר קשה ובלתי ניתנת לעבודה, ודורשת חישול ביניים כדי להתרכך. בעיבוד שבבי, התקשות פני השטח מגבירה את כוח החיתוך ואת בלאי הכלים.
הטבות
משפר את חוזק מתכת, קשיות ועמידות בפני שחיקה, במיוחד עבור מתכות וסגסוגות טהורות שאינן ניתנות לחיזוק על ידי טיפול בחום (לדוגמה, חוטים קרים-נמשוכים בחוזק גבוה,-קפיצים מגולגלים קרים, פסי טנקים, לסתות מגרסה, מתגי רכבת).
יישומים בהנדסת מכונות
ציור קר, גלגול והצללה מגדילים מאוד את חוזק פני השטח של חומרים ורכיבים.
עיוות פלסטי מקומי תחת לחץ יכול להיות מוגבל עקב התקשות העבודה, שיפור בטיחות הרכיבים.
בהטבעה, אזורים מוקשים מפנים דפורמציה לאזורים רכים יותר, ומאפשרים דפורמציה אחידה על פני חלקים.
משפר את יכולת העיבוד של פלדות פחמן נמוכות- על ידי הפיכת שבבים קל יותר להפרדה. עם זאת, זה מגדיל את צריכת האנרגיה בעיבוד נוסף ובלאי כלים בעיבוד שבבי.
03. חיזוק חידוד תבואה
הַגדָרָה
חיזוק חידוד התבואה משפר את התכונות המכניות על ידי הפחתת גודל הגרגרים.
עִקָרוֹן
מתכות הן רב גבישיות. גרגרים קטנים יותר (כלומר, יותר גרגרים ליחידת נפח) מביאים לחוזק, קשיות, פלסטיות וקשיחות גבוהים יותר. גרגרים עדינים יותר מפיצים עיוות בצורה שווה יותר, מפחיתים את ריכוז הלחץ ומעכבים את התפשטות הסדקים. לפיכך, זיקוק דגנים משפר את החוזק.
אפקטים
גרגירים עדינים יותר מפחיתים את הלחץ ה-מתערם, ומגדילים את החוזק.
על פי היחס Hall-Petch, גודל גרגר קטן יותר ddd מוביל לחוזק תפוקה גבוה יותר.
שיטות לעידון דגנים
הגבר את התת-קירור.
טיפול חיסון.
רטט וערבול במהלך התמצקות.
במתכות מעוותות-קרות: בקרת דרגת העיוות וטמפרטורת החישול.
04. חיזוק שלב שני
הַגדָרָה
בסגסוגות רב-פאזיות, מלבד שלב המטריצה, קיים שלב שני. כאשר חלקיקי השלב השני- מפוזרים בצורה אחידה במטריצה, הם מחזקים את הסגסוגת באופן משמעותי. זה ידוע בתור חיזוק-השלב השני.
סוגים
מנקודת המבט של תנועת נקע, חלקיקי השלב השני- מסווגים ל:
חלקיקים לא-ניתנים לעיוות: חיזוק באמצעות מנגנון מעקף (מנגנון אוראואן).
חלקיקים ניתנים לעיוות: חיזוק באמצעות מנגנון חיתוך.
חיזוק פיזור והתקשות משקעים הן צורות ספציפיות של חיזוק-שלב שני.
אפקטים
חלקיקי השלב השני- מקיימים אינטראקציה עם נקעים, מעכבים את תנועתם ומגבירים את עמידות הסגסוגת בפני דפורמציה.
גורמים אחרים המשפיעים על חוזק
הרכב הסגסוגת, מבנה המיקרו ומצב פני השטח.
מצב הטעינה: קצב, מצב (מתיחה לעומת מחזורית).
גיאומטריה לדוגמא וסביבת בדיקה (למשל, התפרקות מימן יכולה להפחית באופן דרסטי את החוזק).
סיכום גישות חיזוק
שני דרכים עיקריות לחיזוק מתכות:
הגבר את כוח הקשר האטומי וצור גבישים ללא פגמים-(למשל, שפם).
הכנס פגמים (נקעים, אטומים מומסים, גבולות גרגרים וכו') כדי לעכב את תנועת הנקע - שהוכחה כשיטה היעילה ביותר.
חומרים הנדסיים מסתמכים בדרך כלל על שילוב של מנגנוני חיזוק להשגת ביצועים מיטביים.
