Vier Möglichkeiten, Metallwerkstoffe zu verstärken

Die Festigung metallischer Werkstoffe ist ein Prozess zur Verbesserung der Festigkeit und Härte von Metallen durch eine Reihe von Verfahren und Methoden. Diese Festigungsmechanismen basieren auf der Mikrostruktur und den Eigenschaften von Metallen und werden durch deren gezielte Regulierung erreicht.

Die Festigung metallischer Werkstoffe hat folgende Hauptanwendungen:

1. Verbesserung der mechanischen Eigenschaften: Durch eine Festigungsbehandlung werden die Festigkeit und Härte metallischer Werkstoffe verbessert, wodurch ihre Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bei der Anwendung direkt erhöht werden.
2. Optimierung der Produkteigenschaften: Verschiedene Festigungstechnologien können die Eigenschaften von Werkstoffen für unterschiedliche industrielle Anwendungen optimieren, beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, im Automobilbau und bei Hochleistungsmaschinen.
3. Erhöhung der Sicherheit: An Stellen, an denen Spannungen konzentriert auftreten oder Überlastungen vorliegen, können festigere Werkstoffe eine weitere Verformung verhindern und dadurch die Sicherheit bei der Nutzung erhöhen.
4. Förderung der industriellen Entwicklung: Die Entwicklung und Anwendung von Festigungstechnologien fördert nicht nur den Fortschritt der Werkstoffwissenschaft, sondern schafft auch eine solide Grundlage für verschiedene industrielle Anwendungen.
5. Steigerung des wirtschaftlichen Werts: Durch die Verbesserung der Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit von Werkstoffen trägt die Festigungstechnologie dazu bei, Wartungskosten zu senken und die Produktionseffizienz zu erhöhen, wodurch wirtschaftliche Vorteile entstehen.

Mischkristallverfestigung

1. Definition Das Phänomen, dass sich Legierungselemente im Grundmetall lösen und dadurch eine bestimmte Gitterverzerrung verursachen, wodurch die Festigkeit der Legierung erhöht wird.
2. Prinzip Die im Mischkristall gelösten Atome verursachen eine Gitterverzerrung, wodurch der Widerstand gegen die Bewegung von Versetzungen zunimmt und das Gleiten erschwert wird. Dadurch steigen Festigkeit und Härte des Mischkristalls. Dieses Phänomen der Metallverfestigung durch das Lösen eines bestimmten gelösten Elements zur Bildung eines Mischkristalls wird als Mischkristallverfestigung bezeichnet. Bei einer geeigneten Konzentration gelöster Atome können Festigkeit und Härte des Werkstoffs verbessert werden, während Zähigkeit und Plastizität abnehmen.
3. Einflussfaktoren Je höher der Atomanteil der gelösten Atome ist, desto größer ist der Verfestigungseffekt. Dies gilt insbesondere bei sehr kleinen Atomanteilen, bei denen der Verfestigungseffekt deutlicher ausfällt. Je größer der Unterschied der Atomgrößen zwischen den gelösten Atomen und dem Matrixmetall ist, desto größer ist der Verfestigungseffekt. Zwischengitteratome haben einen größeren Mischkristallverfestigungseffekt als Substitutionsatome. Da die Gitterverzerrung von Zwischengitteratomen in kubisch-raumzentrierten Kristallen asymmetrisch ist, ist ihr Verfestigungseffekt größer als in kubisch-flächenzentrierten Kristallen. Die Löslichkeit von Zwischengitteratomen ist jedoch sehr begrenzt, weshalb auch der tatsächliche Verfestigungseffekt begrenzt ist. Je größer der Unterschied zwischen der Anzahl der Valenzelektronen der gelösten Atome und des Matrixmetalls ist, desto ausgeprägter ist der Mischkristallverfestigungseffekt. Das heißt, die Streckgrenze des Mischkristalls steigt mit zunehmender Konzentration der Valenzelektronen.
4. Der Grad der Mischkristallverfestigung hängt hauptsächlich von folgenden Faktoren ab: dem Größenunterschied zwischen den Matrixatomen und den gelösten Atomen. Je größer der Größenunterschied ist, desto stärker wird die ursprüngliche Kristallstruktur gestört und desto schwieriger wird das Versetzungsgleiten. Ein weiterer Faktor ist die Menge der Legierungselemente. Je mehr Legierungselemente hinzugefügt werden, desto größer ist der Verfestigungseffekt. Werden jedoch zu viele Atome hinzugefügt, die zu groß oder zu klein sind, wird die Löslichkeitsgrenze überschritten. Dies betrifft einen anderen Verfestigungsmechanismus, die Teilchenverfestigung. Zwischengitteratome haben einen größeren Mischkristallverfestigungseffekt als Substitutionsatome. Je größer der Unterschied zwischen der Anzahl der Valenzelektronen der gelösten Atome und des Matrixmetalls ist, desto deutlicher ist der Mischkristallverfestigungseffekt.
5. Auswirkungen Streckgrenze, Zugfestigkeit und Härte sind höher als bei reinen Metallen. In den meisten Fällen ist die Duktilität geringer als bei reinen Metallen. Die elektrische Leitfähigkeit ist deutlich niedriger als bei reinen Metallen. Die Kriechfestigkeit beziehungsweise der Festigkeitsverlust bei hohen Temperaturen kann durch Mischkristallverfestigung verbessert werden.

Kaltverfestigung

1. Definition Mit zunehmendem Grad der Kaltverformung steigen Festigkeit und Härte metallischer Werkstoffe, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen.
2. Einleitung Das Phänomen, dass Festigkeit und Härte metallischer Werkstoffe bei plastischer Verformung unterhalb der Rekristallisationstemperatur zunehmen, während Plastizität und Zähigkeit abnehmen. Es wird auch als Kaltverfestigung bezeichnet. Ursache ist, dass bei der plastischen Verformung von Metallen die Körner gleiten, sich Versetzungen verknäueln und die Körner verlängert, zerbrochen und faserig werden; außerdem entstehen im Metall Eigenspannungen. Der Grad der Kaltverfestigung wird gewöhnlich durch das Verhältnis der Mikrohärte der Randschicht vor und nach der Bearbeitung sowie durch die Tiefe der verfestigten Schicht angegeben.
3. Erklärung aus der Sicht der Versetzungstheorie

(1) Zwischen Versetzungen kommt es zu Überschneidungen, und die dabei entstehenden Stufen behindern die Bewegung der Versetzungen;

(2) Zwischen Versetzungen treten Reaktionen auf, und die entstehenden blockierten Versetzungen behindern die Bewegung weiterer Versetzungen;

(3) Versetzungen vermehren sich, und die zunehmende Versetzungsdichte erhöht den Widerstand gegen die Bewegung von Versetzungen weiter.

4. Nachteile Kaltverfestigung erschwert die weitere Bearbeitung von Metallteilen. Beim Kaltwalzen von Stahlblechen werden die Bleche beispielsweise immer härter, bis sie nicht mehr gewalzt werden können. Daher muss während der Bearbeitung eine Zwischenweichglühung vorgesehen werden, um die Kaltverfestigung durch Erwärmung zu beseitigen. Ein weiteres Beispiel ist der Zerspanungsprozess: Die Oberfläche des Werkstücks wird spröde und hart, wodurch der Werkzeugverschleiß beschleunigt und die Schnittkraft erhöht wird.
5. Vorteile Sie kann die Festigkeit, Härte und Verschleißbeständigkeit von Metallen verbessern, insbesondere bei reinen Metallen und bestimmten Legierungen, deren Eigenschaften nicht durch eine Wärmebehandlung verbessert werden können. Beispielsweise nutzen kaltgezogener hochfester Stahldraht und kaltgewalzte Federn die Kaltverformung, um ihre Festigkeit und Elastizitätsgrenze zu erhöhen. Auch die Laufketten von Panzern und Traktoren, die Backenplatten von Brechern und Eisenbahnweichen nutzen die Kaltverfestigung zur Verbesserung ihrer Härte und Verschleißbeständigkeit.
6. Bedeutung im Maschinenbau Durch Verfahren wie Kaltziehen, Walzen und Kugelstrahlen (siehe Oberflächenverfestigung) kann die Oberflächenfestigkeit metallischer Werkstoffe, Teile und Bauteile deutlich verbessert werden. Nachdem Teile einer Belastung ausgesetzt wurden, überschreitet die lokale Spannung an einigen Stellen häufig die Streckgrenze des Werkstoffs und verursacht eine plastische Verformung. Da die Kaltverfestigung die weitere Entwicklung der plastischen Verformung begrenzt, kann die Sicherheit von Teilen und Bauteilen erhöht werden. Werden Metallteile oder Bauteile umgeformt, geht ihre plastische Verformung mit einer Verfestigung einher, sodass die Verformung auf die umliegenden, nicht verfestigten Bereiche übertragen wird. Nach solchen wiederholten Wechselvorgängen können Kaltpressteile mit gleichmäßiger Querschnittsverformung hergestellt werden. Außerdem kann die Zerspanbarkeit von kohlenstoffarmem Stahl verbessert werden, wodurch sich Späne leichter trennen lassen. Die Kaltverfestigung erschwert jedoch auch die weitere Bearbeitung von Metallteilen. Beispielsweise erfordert das weitere Ziehen von kaltgezogenem Stahldraht aufgrund der Kaltverfestigung viel Energie und kann sogar zum Reißen führen. Daher muss der Draht vor dem Ziehen zwischendurch geglüht werden, um die Kaltverfestigung zu beseitigen. Ein weiteres Beispiel ist die Zerspanung: Um die Oberfläche des Werkstücks spröde und hart zu machen, wird die Schnittkraft während der Bearbeitung erhöht und der Werkzeugverschleiß beschleunigt.

Kornfeinungsverfestigung

1. Definition Das Verfahren zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften metallischer Werkstoffe durch die Verfeinerung der Körner wird als Kornfeinungsverfestigung bezeichnet. In der Industrie wird die Kornfeinung zur Verbesserung der Werkstofffestigkeit eingesetzt.
2. Prinzip Metalle sind gewöhnlich polykristallin und bestehen aus vielen Körnern. Die Größe der Körner kann durch die Anzahl der Körner pro Volumeneinheit ausgedrückt werden. Je höher diese Anzahl ist, desto feiner sind die Körner. Versuche zeigen, dass feinkörnige Metalle bei Raumtemperatur eine höhere Festigkeit, Härte, Plastizität und Zähigkeit als grobkörnige Metalle aufweisen. Der Grund dafür ist, dass sich die plastische Verformung feiner Körner unter äußeren Kräften auf mehr Körner verteilen kann, wodurch die plastische Verformung gleichmäßiger und die Spannungskonzentration geringer wird. Außerdem ist bei feineren Körnern die Korngrenzfläche größer, die Korngrenzen verlaufen stärker gewunden und die Rissausbreitung wird stärker behindert. Daher wird das Verfahren zur Verbesserung der Werkstofffestigkeit durch Kornfeinung in der Industrie als Kornfeinungsverfestigung bezeichnet.
3. Wirkung Je feiner die Körner sind, desto kleiner ist die Anzahl der Versetzungen (n) im Versetzungscluster. Nach τ=nτ0 ist die Spannungskonzentration geringer und somit die Werkstofffestigkeit höher. Nach dem Festigungsgesetz der Feinkornverfestigung gilt: Je mehr Korngrenzen vorhanden sind, desto feiner sind die Körner. Nach der Hall-Petch-Beziehung gilt: Je kleiner der Mittelwert der Korngröße (d) ist, desto höher ist die Streckgrenze des Werkstoffs.
4. Verfahren zur Kornfeinung Erhöhung des Unterkühlungsgrads; Modifizierung; Vibration und Rühren; Bei kaltverformten Metallen können die Körner durch die Steuerung des Verformungsgrads und der Glühtemperatur verfeinert werden.

Zweitphasenverfestigung

1. Definition Im Vergleich zu einphasigen Legierungen enthalten mehrphasige Legierungen neben der Matrixphase eine zweite Phase. Wenn die zweite Phase gleichmäßig in Form feiner, dispers verteilter Teilchen in der Matrixphase verteilt ist, entsteht ein deutlicher Verfestigungseffekt. Dieser Verfestigungseffekt wird als Zweitphasenverfestigung bezeichnet.
2. Klassifizierung Für die Bewegung von Versetzungen ergeben sich bei der in der Legierung enthaltenen zweiten Phase die folgenden zwei Fälle: (1) Verfestigungseffekt nicht verformbarer Teilchen (Umgehungsmechanismus).(2) Verfestigungseffekt verformbarer Teilchen (Schneidmechanismus). Dispersionsverfestigung und Ausscheidungshärtung sind jeweils Sonderfälle der Zweitphasenverfestigung.

3. Wirkung Der Hauptgrund für die Verfestigung durch die zweite Phase ist die Wechselwirkung zwischen der zweiten Phase und den Versetzungen, wodurch die Bewegung der Versetzungen behindert und der Verformungswiderstand der Legierung erhöht wird. Zusammenfassung

Die wichtigsten Faktoren, die die Festigkeit beeinflussen, sind die Zusammensetzung, die Struktur und der Oberflächenzustand des Werkstoffs selbst. An zweiter Stelle steht der Spannungszustand, beispielsweise die Geschwindigkeit der Krafteinleitung, die Belastungsart und die Frage, ob es sich um eine einfache Zugbelastung oder eine wiederholte Belastung handelt. Diese Faktoren führen zu unterschiedlichen Festigkeiten. Darüber hinaus haben auch die Geometrie und Größe der Probe sowie das Prüfmedium einen großen, manchmal sogar entscheidenden Einfluss. So kann beispielsweise die Zugfestigkeit von ultrahochfestem Stahl in einer Wasserstoffatmosphäre exponentiell abnehmen.

Es gibt nur zwei Möglichkeiten, metallische Werkstoffe zu verfestigen. Die erste besteht darin, die interatomaren Bindungskräfte der Legierung zu erhöhen, ihre theoretische Festigkeit zu verbessern und fehlerfreie, vollständige Kristalle wie Whisker herzustellen. Es ist bekannt, dass die Festigkeit von Eisen-Whiskern nahe am theoretischen Wert liegt. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass die Whisker keine Versetzungen oder nur eine geringe Anzahl von Versetzungen enthalten, die sich während der Verformung nicht vervielfachen können. Leider nimmt die Festigkeit stark ab, wenn der Durchmesser der Whisker groß ist.

Eine weitere Verfestigungsmethode besteht darin, eine große Anzahl von Kristallfehlern in den Kristall einzubringen, beispielsweise Versetzungen, Punktfehler, Fremdatome, Korngrenzen, stark dispergierte Teilchen oder Inhomogenitäten wie Seigerungen. Diese Fehler behindern die Bewegung von Versetzungen und können die Festigkeit des Metalls ebenfalls deutlich erhöhen. Die Tatsachen haben gezeigt, dass dies der effektivste Weg zur Erhöhung der Metallfestigkeit ist. Bei technischen Werkstoffen werden im Allgemeinen durch kombinierte Verfestigungseffekte bessere Gesamteigenschaften erzielt.