Katı çözelti güçlendirme - Solid solution strengthening

Katı çözelti güçlendirme , saf bir metalin mukavemetini artırmak için kullanılabilen bir alaşım türüdür . Teknik, bir elementin (alaşım elementi) atomlarını başka bir elementin (baz metal) kristal kafesine ekleyerek katı bir çözelti oluşturarak çalışır . Alaşım elementinden kaynaklanan kafesdeki yerel düzensizlik, gerilme alanları boyunca yerinden çıkma hareketini engelleyerek plastik deformasyonu daha zor hale getirir . Bunun aksine, çözünürlük sınırlarının çok ötesinde alaşım (örneğin başka mekanizmalar yoluyla güçlendirilmesine yol açan ikinci bir faz oluşturmak için çökeltme ve intermetalik bileşiklerin).

Türler

Kafes içinde ikame çözünen

Alaşım elementinin boyutuna bağlı olarak, ikame bir katı çözelti veya bir ara katı çözelti oluşabilir. Her iki durumda da atomlar, genel kristal yapının esasen değişmeden olduğu sert küreler olarak görselleştirilir. Kristal geometrinin atom çözünürlüğü tahminine mantığı, Hume-Rothery kurallarında ve Pauling'in kurallarında özetlenmiştir .

Sübstitüsyonel katı çözelti kuvvetlendirmesi, çözünen atomun kafes pozisyonlarında çözücü atomlarının yerini alabilecek kadar büyük olduğu zaman meydana gelir. Bazı alaşım elementleri sadece küçük miktarlarda çözünürken, bazı çözücü ve çözünen çiftleri tüm ikili bileşimler aralığında bir çözelti oluşturur. Genel olarak, çözücü ve çözünen atomlar atomik boyut olarak benzer olduğunda ( Hume-Rothery kurallarına göre% 15 ) ve saf formda aynı kristal yapıyı benimsediğinde daha yüksek çözünürlük görülür . Tamamen karışabilir ikili sistemlerin örnekleri, Cu-Ni ve Ag-Au yüz merkezli kübik (FCC) ikili sistemler ve Mo-W vücut merkezli kübik (BCC) ikili sistemdir.

Kafes içinde ara çözücüler

Geçişli katı çözeltiler , çözünen atom çözücü atomları arasındaki ara bölgelere sığacak kadar küçük olduğunda (ana atomların yarıçapının% 57'sine kadar yarıçap) oluşur. Atomlar, çözücü atomların bağlarının sıkışmasına ve böylece deforme olmasına neden olarak ara bölgelere yığılır (bu mantık Pauling'in kuralları ile açıklanabilir ). Geçişli katı solüsyonlar oluşturmak için yaygın olarak kullanılan elementler arasında H, Li, Na, N, C ve O bulunur. Demir (çelik) içindeki karbon, ara katı solüsyonun bir örneğidir.

Mekanizma

Bir malzemenin gücü, kristal kafesindeki yerinden çıkmaların ne kadar kolay yayılabileceğine bağlıdır. Bu çıkıklar, karakterlerine bağlı olarak malzeme içinde stres alanları yaratır. Çözünen atomlar eklendiğinde, dislokasyonlarınkilerle etkileşime giren, hareketlerini engelleyen ve malzemenin akma geriliminde bir artışa neden olan , bu da malzemenin mukavemetinde bir artış anlamına gelen yerel stres alanları oluşur . Bu kazanç, hem kafes distorsiyonunun hem de modül etkisinin bir sonucudur .

Çözünen ve çözücü atomların boyutları farklı olduğunda, çevrelerindeki dislokasyonları çekebilen veya itebilen yerel stres alanları yaratılır. Bu, boyut etkisi olarak bilinir. Kafesteki gerilme veya sıkıştırıcı gerilmeyi hafifleterek, çözünen boyut uyuşmazlığı dislokasyonu daha düşük bir enerji durumuna getirebilir. İkame katı çözümlerde, bu gerilme alanları küresel olarak simetriktir, yani kayma gerilmesi bileşeni yoktur. Bu nedenle, ikame edici çözünen atomlar, vida dislokasyonlarının karakteristik kayma gerilimi alanları ile etkileşime girmez. Tersine, interstisyel katı çözeltilerde çözünen atomlar, kenar, vida ve karışık dislokasyonlarla etkileşime girebilen bir kayma alanı oluşturan dörtgen bir distorsiyona neden olur. Çözünen atomun dislokasyonunun çekilmesi veya itilmesi, atomun kayma düzleminin üstünde mi yoksa altında mı oturduğuna bağlıdır. Örneğin, kayma düzleminin üzerinde daha küçük bir çözünen atomla karşılaşan bir kenar dislokasyonunu düşünün . Bu durumda, etkileşim enerjisi negatiftir ve dislokasyonun çözünen maddeye çekilmesi ile sonuçlanır. Bunun nedeni, dislokasyon çekirdeğinin üzerinde yatan sıkıştırılmış hacim tarafından azaltılmış dislokasyon enerjisidir. Çözünen atomu kayma düzleminin altına yerleştirilmiş olsaydı, dislokasyon çözünen madde tarafından püskürtülürdü. Bununla birlikte, bir kenar dislokasyonu ve daha küçük bir çözünen madde arasındaki genel etkileşim enerjisi negatiftir çünkü dislokasyon çekici enerjiye sahip alanlarda daha fazla zaman harcar. Bu aynı zamanda çözücü atomundan daha büyük boyutlu çözünen atom için de geçerlidir. Bu nedenle, boyut etkisi tarafından dikte edilen etkileşim enerjisi genellikle negatiftir.

Elastik modülü çözünen atomunun da güçlendirilmesi derecesini belirler. Çözücünün elastik modülünden daha düşük esneklik modülüne sahip "yumuşak" bir çözünen için, modül uyumsuzluğundan ( U _modülü ) kaynaklanan etkileşim enerjisi negatiftir, bu da boyut etkileşim enerjisini ( U _boyutu ) güçlendirir . Bunun aksine, U _modülü , "sert" bir çözünen için pozitiftir, bu da yumuşak bir atoma göre daha düşük toplam etkileşim enerjisi ile sonuçlanır. Çıkık çözünen maddeye yaklaşırken her iki durumda da etkileşim kuvveti negatif (çekici) olsa da. En düşük enerji durumundan (yani çözünen atom) dislokasyonu yırtmak için gerekli maksimum kuvvet ( F _max ), yumuşak çözünen için sert olandan daha büyüktür. Sonuç olarak, yumuşak bir çözünen, hem boyut hem de modül etkilerini birleştirerek sinerjik güçlendirme nedeniyle bir kristali sert bir çözünen maddeden daha fazla güçlendirecektir.

Elastik etkileşim etkileri (yani boyut ve modül etkileri) çoğu kristalli malzeme için katı çözelti kuvvetlendirmesine hakimdir. Bununla birlikte, şarj ve istifleme hatası efektleri gibi diğer efektler de bir rol oynayabilir. Elektrostatik etkileşimin bağ gücünü belirlediği iyonik katılar için, yük etkisi de önemlidir. Örneğin, tek değerlikli bir malzemeye iki değerlikli iyon eklenmesi, çözünen madde ile bir dislokasyonu içeren yüklü matris atomları arasındaki elektrostatik etkileşimi güçlendirebilir. Ancak bu güçlendirme, elastik güçlendirme etkilerinden daha azdır. Daha yüksek yoğunlukta yığın hataları içeren malzemeler için , çözünen atomlar istifleme hataları ile çekici veya itici bir şekilde etkileşime girebilir. Bu, istifleme hatası enerjisini düşürerek kısmi çıkıkların itilmesine yol açar ve böylece malzemeyi daha güçlü hale getirir.

Yüzey karbonlama veya yüzey sertleştirme , çözünmüş karbon atomlarının yoğunluğunun çeliğin yüzeyine yakın bir yerde artırıldığı ve malzeme boyunca bir karbon atomu gradyanı ile sonuçlandığı katı çözelti güçlendirmesinin bir örneğidir. Bu, bileşen için daha yüksek maliyetli bir malzeme kullanmak zorunda kalmadan çeliğin yüzeyine üstün mekanik özellikler sağlar.

Yönetim denklemleri

Katı çözelti güçlendirme , dislokasyonları hareket ettirmek için kesme gerilimini artırarak malzemenin akma dayanımını artırır : ${\ displaystyle \ tau}$

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

burada c çözünen atomlarının konsantrasyonu, G, bir kesme modülü , b büyüklüğüdür Burger vektör ve bağlı çözücü için kafes suşudur. Bu, biri kafes distorsiyonunu ve diğeri yerel modül değişimini açıklayan iki terimden oluşur. ${\ displaystyle \ epsilon}$

${\ displaystyle \ epsilon = | \ epsilon _ {G} - \ beta \ epsilon _ {a} |}$ Burada, çözünen atomlara bağlı sabit olan ve yerel modül değişimini yakalayan terim , kafes distorsiyonu terimidir. ${\ displaystyle \ epsilon _ {G}}$ ${\ displaystyle \ beta}$ ${\ displaystyle \ epsilon _ {a}}$

Kafes distorsiyon terimi şu şekilde tanımlanabilir:

${\ displaystyle \ epsilon _ {a} = {\ dfrac {\ Delta a} {a \ Delta c}}}$ , burada a , malzemenin kafes parametresidir.

Bu arada, yerel modül değişimi aşağıdaki ifadede yakalanır:

${\ displaystyle \ epsilon _ {G} = {\ dfrac {\ Delta G} {G \ Delta c}}}$ burada G , çözünen malzemenin kayma modülüdür.

Çıkarımlar

Çözelti güçlendirme yoluyla gözle görülür bir malzeme güçlendirmesi elde etmek için, daha yüksek kayma modülüne sahip çözünen maddelerle alaşım yapılmalıdır, bu nedenle malzemedeki yerel kesme modülü arttırılır. Ek olarak, farklı denge kafes sabitlerine sahip elemanlarla alaşım yapılmalıdır. Kafes parametresindeki fark ne kadar büyükse, alaşımlamanın getirdiği yerel gerilim alanları o kadar yüksek olur. Daha yüksek kayma modülüne veya çok farklı kafes parametrelerine sahip elemanlarla alaşımlama, rijitliği artıracak ve sırasıyla yerel gerilme alanlarını ortaya çıkaracaktır. Her iki durumda da, dislokasyon yayılması bu bölgelerde engellenecek, plastikliği engelleyecek ve çözünen konsantrasyon ile orantılı olarak akma mukavemetini artıracaktır.

Katı çözelti güçlendirme şunlara bağlıdır:

Çözünen atomların konsantrasyonu
Çözünen atomların kayma modülü
Çözünen atomların boyutu
Çözünen atomların geçerliliği (iyonik malzemeler için)

Pek çok yaygın alaşım için, aşağıdaki şekilde sağlanan güçlendirme ilavesi için kaba deneysel uyumlar bulunabilir:

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

burada katı bir çözelti güçlendirme katsayısı ve atomik fraksiyonlar içinde çözünen konsantrasyonudur. ${\ displaystyle k_ {s}}$ ${\ displaystyle c}$

Yine de, yeni bir evreyi hızlandıracak kadar fazla çözünen madde eklenmemelidir. Bu, çözünen maddenin konsantrasyonu ikili sistem faz diyagramı tarafından verilen belirli bir kritik noktaya ulaştığında meydana gelir. Bu kritik konsantrasyon, bu nedenle, belirli bir malzeme ile elde edilebilecek katı çözelti güçlendirme miktarına bir sınır koyar.

Ayrıca bakınız

Referanslar

^ ^a ^b Pelleg, Joshua (2013). Malzemelerin Mekanik Özellikleri . New York: Springer. sayfa 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .
^ ^a ^b ^c ^d Soboyejo, Wole O. (2003). "8.3 Katı Çözelti Güçlendirmesi". Mühendislik malzemelerinin mekanik özellikleri . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8 . OCLC 300921090 .
^ ^a ^b ^c Courtney, Thomas H. (2005). Malzemelerin Mekanik Davranışı . Illinois: Waveland Press, Inc. s. 186–195. ISBN 978-1-57766-425-3 .

Dış bağlantılar

Demir ve Çeliğin Güçlendirilmesi

[:0-1] Pelleg, Joshua (2013). Malzemelerin Mekanik Özellikleri . New York: Springer. sayfa 236–239. ISBN 978-94-007-4341-0 .

[:2-2] Soboyejo, Wole O. (2003). "8.3 Katı Çözelti Güçlendirmesi". Mühendislik malzemelerinin mekanik özellikleri . Marcel Dekker. ISBN 0-8247-8900-8 . OCLC 300921090 .

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

Languages

In other projects