Analizirati metode ojačavanja materijala od legura bakra
Uobičajene metode ojačanja za bakar i bakrene legure uključuju: ojačanje deformacijom, ojačanje finim zrnom, ojačanje čvrstom otopinom, ojačanje taloženjem starenja (taloženjem), disperzijsko ojačanje, ojačanje kompozitnog materijala i dodavanjem elemenata u tragovima.
1. Deformacijsko ojačanje
Ojačanje deformacijom je poboljšanje čvrstoće i tvrdoće bakrene legure kroz plastičnu deformaciju. To je jedna od najčešće korištenih metoda ojačanja bakrenih legura. Budući da defekti kristala nastali hladnom obradom imaju mali učinak na vodljivost materijala, ova metoda ojačavanja poboljšava čvrstoću, a pritom čini leguru visoko vodljivom. Karakteristika deformacijskog ojačanja je da uz povećanje čvrstoće materijala njegova plastičnost brzo opada, a električna vodljivost će se također neznatno smanjiti zbog povećanja gustoće dislokacija. Osim toga, kada radna temperatura poraste, materijal će proći procese oporavka i rekristalizacije i omekšati, a ojačanje jednom deformacijom može povećati čvrstoću legure samo u ograničenoj mjeri, pa se često koristi zajedno s drugim metodama ojačanja.
2. Ojačanje finog zrna
Ojačavanje finim zrnima je korištenje brzih mjera skrućivanja ili metoda toplinske obrade za dobivanje finih zrna tijekom lijevanja. Određeni elementi legure u tragovima također se mogu dodati za pročišćavanje zrna. Smanjuje se veličina zrna, povećava se čvrstoća legure i malo utječe na električnu vodljivost legure. Stoga je ojačanje finim zrnom postalo jedna od glavnih metoda ojačavanja bakrenih legura. Izvanredna prednost finozrnastog ojačavanja je u tome što može poboljšati plastičnost materijala dok istovremeno poboljšava čvrstoću materijala. To je zato što se nakon usitnjavanja zrna koncentracija naprezanja uzrokovana nakupljanjem dislokacija na granici zrna kada se materijal deformira može učinkovito ublažiti, odgađajući početak pukotina, a veća količina deformacije može se postići prije nego što materijal pukne. Pročišćavanje zrna naširoko se koristi zbog ove prednosti.
3. Ojačanje čvrste otopine
Fenomen povećanja čvrstoće i tvrdoće metala ugradnjom određenih otopljenih elemenata u čvrstu otopinu naziva se ojačanje čvrste otopine. Do jačanja čvrste otopine dolazi jer otapanje atoma otopljene tvari uzrokuje izobličenje u kristalnoj rešetki metala otapala, čime se povećava otpor kretanju dislokacija. Praksa je dokazala da pravilna kontrola sadržaja otopljene tvari u krutoj otopini može značajno poboljšati čvrstoću i tvrdoću materijala uz zadržavanje dobre plastičnosti i žilavosti. Na primjer: dodavanje 19% nikla bakru može povećati phib legure s 220MPa na 380~400MPa, i tvrdoću s HB44 na HB70, dok plastičnost i dalje održava ψ=50%. Kad bi bakar postigao isti učinak ojačavanja na druge načine (kao što je otvrdnjavanje tijekom hladne deformacije), njegova plastičnost bi bila gotovo potpuno izgubljena. Ojačavanje krute otopine je metoda jačanja koja koristi interakciju između atoma otopljene tvari i pokretnih dislokacija u krutoj otopini kako bi izazvala povećanje naprezanja tečenja. Dodavanjem odgovarajuće količine legirajućih elemenata u bazu da se dobije čvrsta otopina, čvrstoća legure općenito će se poboljšati. Prema Mott-Nabbaro teoriji, za tanke čvrste otopine, promjena granice tečenja s koncentracijom elemenata otopljene tvari može se izraziti kao: b=bo+kCm. U formuli, b je granica razvlačenja legure; bo granica razvlačenja čistog metala; C atomska masena koncentracija otopljene tvari; k i m su konstante određene svojstvima elemenata matrice i legure, gdje je vrijednost m između 0,5 i 1.
4. Starenje oborina (oborina) jačanje
Osnovni princip taložnog ojačavanja starenjem je dodavanje legirajućih elemenata bakru koji imaju vrlo malu topljivost u čvrstom stanju na sobnoj temperaturi i veliku topljivost u čvrstom stanju na visokim temperaturama. Obradom krute otopine na visokoj temperaturi, legirajući elementi stvaraju prezasićenu krutu otopinu u bazi. Ova čvrstoća je poboljšana u usporedbi s čistim bakrom. Zatim se kroz starenje prezasićena čvrsta otopina razgrađuje, elementi legure se talože u određenom obliku, te se raspršuju i raspoređuju u bazi kako bi formirali fazu taloženja. Istaložena faza može učinkovito spriječiti pomicanje granica zrna i dislokacije, čime se znatno poboljšava čvrstoća legure. Legirni elementi koji proizvode taložno ojačanje trebaju ispunjavati sljedeća dva uvjeta: prvo, kruta topljivost u bakru na visokim i niskim temperaturama prilično je različita, tako da se tijekom starenja može proizvesti dovoljno faza ojačanja; drugo, čvrsta topljivost u bakru na sobnoj temperaturi vrlo je različita. Topivost je izuzetno mala kako bi se osigurala visoka vodljivost matrice. Precipitacijsko ojačanje je najčešće korištena metoda ojačanja bakrenih legura visoke čvrstoće i visoke vodljivosti. U bakrenim legurama, kako bi se proizveo učinak taložnog ojačanja starenjem, dodani elementi uključuju Ti, Co, P, Ni, Si, Mg, Cr, Zr, Be, Fe, itd. Najveća prednost taložnog ojačanja starenjem je da uvelike poboljšava čvrstoću materijala dok smanjuje štetu na električnu vodljivost.
5. Poboljšanje difuzije
Disperzijsko ojačanje je materijal pripremljen metalurgijom praha i drugim metodama nakon potpunog miješanja praha faze disperzijskog ojačanja određenog oblika i veličine s bakrenim prahom. Čestice druge faze (Al2O3, ThO2, Zro2, itd.) su raspršene i raspoređene u bakrenoj matrici, a čvrstoća bakrene legure je poboljšana zbog učinka ojačanja disperzije. Ova metoda ima mali utjecaj na električnu i toplinsku vodljivost bakra, dok poboljšava čvrstoću. Kako bi se dobile disperzno raspoređene čestice druge faze u bakrenoj matrici, može se smatrati da se čestice druge faze dodaju u bakrenu matricu ili da se disperzno raspoređene čestice druge faze generiraju in situ u bakrenoj matrici kroz određeni proces. Specifične metode uključuju: metodu mehaničkog miješanja, metodu suprecipitacije, metodu unutarnje oksidacije, metodu obrnutog taloženja gela, metodu elektrolitičkog taloženja itd. Glavni mehanizmi disperzijskog ojačavanja uključuju Olowanov mehanizam i Ansel-Lenierov mehanizam.
(1) Orowanov mehanizam. Tijekom plastične deformacije dislokacijska linija ne može izravno presjeći česticu druge faze, ali pod djelovanjem vanjske sile dislokacijska linija se može savijati oko čestice druge faze, i konačno dislokacijski prsten ostaje oko čestice druge faze i ustupa mjesto . Pogrešna propusnica. Savijanje dislokacija će povećati energiju izobličenja rešetke u području zahvaćenom dislokacijom, što povećava otpor gibanju dislokacijskih linija i povećava otpor klizanju.
(2) (2) Ansel-Lenier mehanizam. GS Ansell i sur. predložio je još jedan dislokacijski model za popuštanje disperzijski ojačanih legura. Kao kriterij prinosa upotrijebili su lom dispergiranih čestica druge faze uslijed nakupljanja dislokacija. Kada je smično naprezanje na česticama jednako naprezanju loma raspršenih čestica, legura ojačana disperzijom popušta.
6. In-situ kompozitno ojačanje vlaknima
Ova se metoda uglavnom odnosi na dodavanje viška legirajućih elemenata (Cr, Fe, V, Nb, itd.) bakru kako bi se dobio dvofazni kompleks. Višak elemenata postoji u skrućenoj leguri u obliku jedne faze i dendritske strukture. Nakon toga legura se rasteže uz veliku deformaciju, tako da se dendritična struktura elemenata legure transformira u strukturu vlakana. Prisutnost vlakana povećava otpornost na kretanje dislokacija, čime se ojačava materijal.
7. Dodajte elemente u tragovima
Dodavanje određenih elemenata u tragovima u bazu legure ne samo da može ojačati leguru, već je i učinkovito sredstvo za razvoj materijala otpornih na koroziju. Neki od tih elemenata u tragovima ojačavaju leguru stvaranjem dispergiranih faza, a neki pročišćavanjem strukture matrice, ali niti jedan od njih značajno ne smanjuje njezinu otpornost na koroziju, čime se poboljšava ukupna učinkovitost legure.
