Solid lösningsförstärkning

Inom metallurgi är solid lösningsförstärkning en typ av legering som kan användas för att förbättra styrkan hos en ren metall . Tekniken fungerar genom att lägga till atomer av ett element (legeringselementet) till det kristallina gittret av ett annat element (oädelmetallen), vilket bildar en fast lösning . Den lokala ojämnheten i gittret på grund av legeringselementet gör plastisk deformation svårare genom att hindra dislokationsrörelse genom spänningsfält . Däremot kan legering utanför löslighetsgränsen bilda en andra fas , vilket leder till förstärkning via andra mekanismer (t.ex. utfällning av intermetalliska föreningar).

Typer

Substitutionellt löst ämne i gitter

Beroende på storleken på legeringselementet kan en substitutionell fast lösning eller en interstitiell fast lösning bildas. I båda fallen visualiseras atomer som stela sfärer där den övergripande kristallstrukturen är väsentligen oförändrad. Grunden för kristallgeometri till förutsägelse av atomlöslighet sammanfattas i Hume-Rothery-reglerna och Paulings regler .

Substitutionell fast lösningsförstärkning inträffar när den lösta atomen är tillräckligt stor för att den kan ersätta lösningsmedelsatomer i deras gitterpositioner. Vissa legeringsämnen är endast lösliga i små mängder, medan vissa lösningsmedel och lösta ämnen bildar en lösning över hela intervallet av binära sammansättningar. Generellt sett ses högre löslighet när lösningsmedel och lösta atomer är lika i atomstorlek (15 % enligt Hume-Rothery-reglerna ) och antar samma kristallstruktur i sin rena form. Exempel på fullständigt blandbara binära system är Cu-Ni och Ag-Au face-centered cubic (FCC) binära system, och Mo-W body-centered cubic (BCC) binära system.

Mellanliggande lösta ämnen i gitter

Interstitiell fasta lösningar bildas när den lösta atomen är tillräckligt liten (radier upp till 57 % radierna för moderatomerna) för att passa på mellanliggande ställen mellan lösningsmedelsatomerna. Atomerna tränger sig in i de interstitiella platserna, vilket får lösningsmedelsatomernas bindningar att komprimeras och därmed deformeras (denna logik kan förklaras med Paulings regler ). Element som vanligtvis används för att bilda fasta interstitiella lösningar inkluderar H, Li, Na, N, C och O. Kol i järn (stål) är ett exempel på mellanliggande fast lösning.

Mekanism

Styrkan hos ett material är beroende av hur lätt dislokationer i dess kristallgitter kan förökas. Dessa dislokationer skapar spänningsfält i materialet beroende på deras karaktär. När lösta atomer introduceras bildas lokala spänningsfält som interagerar med dislokationernas, vilket hindrar deras rörelse och orsakar en ökning av materialets sträckgräns , vilket innebär en ökning av hållfastheten hos materialet. Denna förstärkning är ett resultat av både gitterdistorsion och moduleffekten.

När lösta ämnen och lösningsmedelsatomer skiljer sig åt i storlek skapas lokala stressfält som kan attrahera eller stöta bort dislokationer i deras närhet. Detta är känt som storlekseffekten. Genom att avlasta drag- eller tryckpåkänning i gittret kan den lösta storleksmissanpassningen sätta dislokationen i ett lägre energitillstånd. I substitutionella fasta lösningar är dessa spänningsfält sfäriskt symmetriska, vilket innebär att de inte har någon skjuvspänningskomponent. Som sådana interagerar substitutionella lösta atomer inte med skjuvspänningsfälten som är karakteristiska för skruvdislokationer. Omvänt, i interstitiell fasta lösningar orsakar lösta atomer en tetragonal distorsion, vilket genererar ett skjuvfält som kan interagera med kant, skruv och blandade dislokationer. Attraktionen eller avstötningen av dislokationen till den lösta atomen beror på om atomen sitter ovanför eller under glidplanet. Tänk till exempel på en kantdislokation som möter en mindre löst atom ovanför dess glidplan. I detta fall är interaktionsenergin negativ, vilket leder till attraktion av dislokationen till det lösta ämnet. Detta beror på den reducerade dislokationsenergin av den komprimerade volymen som ligger ovanför dislokationskärnan. Om den lösta atomen var placerad under glidplanet skulle dislokationen stötas bort av det lösta ämnet. Den totala interaktionsenergin mellan en kantdislokation och ett mindre löst ämne är dock negativ eftersom dislokationen tillbringar mer tid på platser med attraktiv energi. Detta gäller också för lösta atomer med storlek större än lösningsmedelsatomen. Således är interaktionsenergin som dikteras av storlekseffekten i allmänhet negativ.

Den lösta atomens elasticitetsmodul kan också bestämma graden av förstärkning. För ett "mjukt" löst ämne med lägre elasticitetsmodul än lösningsmedlets, är interaktionsenergin på grund av modulospassning ( U - _modul ) negativ, vilket förstärker storleksinteraktionsenergin ( U _-storlek ). Däremot U- _modulen positiv för ett "hårt" löst ämne, vilket resulterar i lägre total interaktionsenergi än en mjuk atom. Även om interaktionskraften är negativ (attraktiv) i båda fallen när dislokationen närmar sig det lösta ämnet. Den maximala kraften ( F _max ) som krävs för att riva dislokationen bort från det lägsta energitillståndet (dvs. den lösta atomen) är större för det mjuka lösta ämnet än det hårda. Som ett resultat kommer ett mjukt löst ämne att stärka en kristall mer än ett hårt löst ämne på grund av den synergistiska förstärkningen genom att kombinera både storlek och moduleffekter.

De elastiska interaktionseffekterna (dvs. storlek och moduleffekter) dominerar förstärkning av fast lösning för de flesta kristallina material. Men andra effekter, inklusive laddnings- och staplingsfeleffekter, kan också spela en roll. För joniska fasta ämnen där elektrostatisk interaktion dikterar bindningsstyrka, är laddningseffekten också viktig. Till exempel kan tillsats av tvåvärd jon till ett envärt material stärka den elektrostatiska interaktionen mellan det lösta ämnet och de laddade matrisatomerna som utgör en dislokation. Denna förstärkning är dock i mindre utsträckning än de elastiska förstärkningseffekterna. För material som innehåller en högre täthet av staplingsfel kan lösta atomer interagera med staplingsfelen antingen attraktivt eller avstötande. Detta sänker staplingsfelsenergin, vilket leder till repulsion av de partiella dislokationerna , vilket gör materialet starkare.

Ytförkolning, eller fallhärdning , är ett exempel på förstärkning av fast lösning där densiteten av lösta kolatomer ökas nära stålets yta, vilket resulterar i en gradient av kolatomer genom hela materialet. Detta ger överlägsna mekaniska egenskaper till stålets yta utan att behöva använda ett dyrare material för komponenten.

Styrande ekvationer

Förstärkning av fast lösning ökar materialets sträckgräns genom att öka skjuvspänningen, $\tau$ , för att flytta dislokationer:

$\Delta \tau =Gb\epsilon ^{\tfrac {3}{2}}{\sqrt {c}}$

där c är koncentrationen av de lösta atomerna, G är skjuvmodulen , b är storleken på Burgers vektor och $\epsilon$ är gitterstammen som beror på det lösta ämnet. Detta är sammansatt av två termer, en som beskriver gitterdistorsion och den andra lokal modulförändring.

$\epsilon =|\epsilon _{G}-\beta \epsilon _{a}|$ Här, $\epsilon _{G}$ termen som fångar den lokala modulförändringen, ${\ displaystyle \beta }$ en konstant beroende av de lösta atomerna och $\epsilon _{a}$ är gitterdistorsionstermen.

Gitterförvrängningstermen kan beskrivas som:

${\displaystyle \epsilon _{a}={\dfrac {\Delta a}{a\Delta c}}} ,$ där a är materialets gitterparameter.

Under tiden fångas den lokala modulförändringen i följande uttryck:

${\displaystyle \epsilon _{G}={\dfrac {\Delta G}{G\Delta c}}} ,$ där G är skjuvmodulen för det lösta materialet.

Implikationer

För att uppnå märkbar materialförstärkning via lösningsförstärkning bör man legera med lösta ämnen med högre skjuvmodul, vilket ökar den lokala skjuvmodulen i materialet. Dessutom bör man legera med element med olika jämviktsgitterkonstanter. Ju större skillnaden är i gitterparameter, desto högre är de lokala spänningsfälten som introduceras genom legering. Legering med element med högre skjuvmodul eller med mycket olika gitterparametrar kommer att öka styvheten respektive introducera lokala spänningsfält. I båda fallen kommer dislokationsutbredningen att hindras vid dessa platser, vilket hindrar plasticiteten och ökar sträckgränsen proportionellt med koncentrationen av lösta ämnen.

Förstärkning av fast lösning beror på:

Koncentration av lösta atomer
Skjuvmodul för lösta atomer
Storleken på lösta atomer
Valens av lösta atomer (för joniska material)

För många vanliga legeringar kan grova experimentella passningar hittas för tillsatsen i förstärkning som tillhandahålls i form av:

$\Delta \sigma _{s}=k_{s}{\sqrt {c}}$

där $k_{s}$ är en solid lösningsförstärkningskoefficient och $c$ är koncentrationen av löst ämne i atomfraktioner.

Ändå bör man inte tillsätta så mycket löst ämne att man fäller ut en ny fas. Detta inträffar om koncentrationen av det lösta ämnet når en viss kritisk punkt som ges av det binära systemets fasdiagram. Denna kritiska koncentration sätter därför en gräns för mängden fast lösningsförstärkning som kan uppnås med ett givet material.

Se även

^ ^a ^b Pelleg, Joshua (2013). Materialens mekaniska egenskaper . New York: Springer. s. 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .
^ ^a ^b ^c ^d Soboyejo, Wole O. (2003). "8.3 Förstärkning av fast lösning". Mekaniska egenskaper hos tekniska material . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8 . OCLC 300921090 .
^ ^a ^b ^c Courtney, Thomas H. (2005). Materialens mekaniska beteende . Illinois: Waveland Press, Inc. s. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3 .

externa länkar

Förstärkningen av järn och stål

[:0-1] Pelleg, Joshua (2013). Materialens mekaniska egenskaper . New York: Springer. s. 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .

[:2-2] Soboyejo, Wole O. (2003). "8.3 Förstärkning av fast lösning". Mekaniska egenskaper hos tekniska material . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8 . OCLC 300921090 .

[:1-3] Courtney, Thomas H. (2005). Materialens mekaniska beteende . Illinois: Waveland Press, Inc. s. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3 .