Переработка зерна

Улучшение зерна - это один из способов повышения прочности металлических материалов . Это включает создание более мелкого и мелкого зерна в структуре посредством подходящей термической обработки или обработки (модифицирования) расплава . Мелкозернистое упрочнение - единственный процесс упрочнения, основанный на дефектах решетки (в данном случае на границах зерен ), при котором повышаются как прочность, так и пластичность.

важность

Дислокации накапливаются на границах зерен, поскольку в соседнем зерне обычно нет подходящей плоскости скольжения. Следовательно, предел текучести увеличивается с увеличением границ зерен.

Уменьшение размера зерна увеличивает прочность металлических материалов (без снижения ударной вязкости ) за счет снижения температуры их перехода . Одно из возможных объяснений этого заключается в том, что уменьшение модуля сдвига на границах зерен способствует образованию дислокаций. Другой предполагает, что трещина должна менять направление на каждой границе зерен. Это, например, снижает склонность стали к образованию горячих трещин.

Кроме того, повышается пластичность материалов из- за более мелкого размера зерна , в результате чего более мелкое зерно, вероятность того, что больше плоскостей скольжения ниже направления сдвиговой нагрузки, составляет (45 °, закон Шмида ). Это приводит к увеличению количества возможных процессов скольжения. Утончение зерна особенно полезно для твердых и очень хрупких материалов, поскольку это способ сделать эти материалы менее хрупкими.

Несмотря на множество препятствий, возникающих внутри материала из-за более мелких зерен, материал легко деформируется . По этим причинам мелкозернистые стальные листы z. Б. используется в автомобильной промышленности. Более высокая прочность позволяет использовать более тонкие листы (и, таким образом, также снизить вес).

Однако следует отметить, что более мелкие кристаллиты приводят к большему количеству границ зерен и, таким образом, к большей подверженности коррозии . Каждый материал стремится достичь состояния равновесия с минимально возможным содержанием энергии. Однако более высокая прочность означает высокое энергосодержание, которое материал разрушает в результате коррозии. Поэтому из-за высокой подверженности коррозии необходимо принимать меры для защиты от коррозии . По этой причине кузов часто бывает оцинкованным . Кроме того, материалы с мелкозернистой структурой не подходят для высокотемпературных применений, где может возникнуть ползучесть ; здесь упор делается на крупное зерно.

расчет

Так называемое соотношение Холла-Петча применяется к зависимости предела текучести от размера зерна (или среднего диаметра зерна) : ${\ displaystyle R_ {e}}$${\ displaystyle d _ {\ rm {K}}}$

${\ displaystyle R_ {e} = \ sigma _ {0} + {K \ over {\ sqrt {d _ {\ rm {K}}}}}}}$

с двумя константами, которые зависят от состояния материала и условий испытаний:

• ${\ displaystyle \ sigma _ {0}}$начальное напряжение для движения дислокации («напряжение трения», предел текучести монокристалла с благоприятной ориентацией)
• ${\ displaystyle K}$сопротивление границ зерен, постоянное с единицей измерения .${\ displaystyle \ mathrm {МПа \ cdot {\ sqrt {мм}}}}$

Чем меньше средний диаметр зерен, тем больше разница в прочности (см. Также диаграмму зависимости деформации от напряжения ):

${\ displaystyle \ Delta \ sigma = {K \ over {\ sqrt {d _ {\ rm {K}}}}}.}$

Индивидуальные доказательства

1. ↑ ^б Christoph Broeckmann, Пол Укус: Materials Science I . Институт применения материалов в машиностроении при RWTH Ахенского университета , Аахен, 2014 г.
2. ↑ Вольфганг Блек (ред.): Проверка материалов в учебе и практике: [Рабочий документ для лекции и стажировки в Институте металлургии в RWTH Aachen . 12., перераб. Издание. Майнц, Аахен 1999, ISBN 3-89653-563-3 , стр. 82 f . 
3. ^ Gottstein: Материаловедение и технология материалов . Ред .: Готтштейн. С. 265 . 
4. ^ Йошисато Кимура, Дэвид П. Поуп: Пластичность и прочность интерметаллидов . В кн . : Интерметаллиды . лента 6 , вып. 7 , 1 января 1998 г., стр. 567-571 , DOI : 10.1016 / S0966-9795 (98) 00061-2 . 
5. ↑ Институт применения материалов в машиностроении при RWTH Aachen University : Пример решения, 9-е упражнение / Материаловедение I / WS 08/09 ( Memento от 16 февраля 2016 г. в Интернет-архиве ), доступ осуществлен 16 февраля 2016 г.