MEKANISME PENGUATAN

MEKANISME PENGUATAN

Deformasi plastis terjadi ketika banyak dislokasi bergerak dan berkembang biak sehingga mengakibatkan deformasi makroskopik. Dengan kata lain, itu adalah gerakan dislokasi dalam materi yang memungkinkan untuk deformasi. Jika kita ingin untuk meningkatkan sifat mekanik bahan (yaitu meningkatkan hasil dan kekuatan tarik), kita hanya perlu memperkenalkan suatu mekanisme yang melarang mobilitas dislokasi ini. Apa pun mekanisme mungkin, (bekerja pengerasan, ukuran butir, pengurangan, dll) mereka semua dislokasi menghambat gerak dan membuat materi lebih kuat daripada sebelumnya.
Tekanan yang diperlukan untuk menimbulkan gerakan dislokasi lipat lebih rendah daripada tegangan teoritis yang diperlukan untuk memindahkan seluruh bidang atom, sehingga mode ini stres lega adalah menguntungkan dengan penuh semangat. Oleh karena itu, kekerasan dan kekuatan (baik hasil dan tarik) secara kritis tergantung pada kemudahan yang bergerak dislokasi. Menjepit poin, atau lokasi dalam kristal yang menentang gerakan dislokasi dapat diperkenalkan ke dalam kisi untuk mengurangi mobilitas dislokasi , dengan demikian meningkatkan kekuatan mekanik.
Dislokasi dapat disematkan karena lapangan stres interaksi dengan dislokasi dan partikel terlarut, atau hambatan fisik dari batas butir dan tahap kedua presipitat. Ada empat utama mekanisme penguatan logam, namun konsep kunci yang harus diingat tentang penguatan bahan logam adalah bahwa hal itu adalah tentang gerak dan mencegah dislokasi propagasi; Anda tidak menguntungkan sehingga bersemangat untuk dislokasi bergerak atau menyebarkan. Untuk materi yang telah diperkuat, dengan beberapa metode pengolahan, jumlah gaya yang dibutuhkan untuk memulai ireversibel (plastik) deformasi lebih besar daripada itu untuk bahan asli.
Dalam amorf bahan-bahan seperti polimer, keramik amorf (kaca), dan logam amorf, tidak adanya tatanan rentang panjang mengarah ke menghasilkan melalui mekanisme seperti patah getas, krasing, dan geser band pembentukan. Dalam sistem ini, penguatan mekanisme tidak melibatkan dislokasi, melainkan terdiri dari modifikasi struktur kimia dan pengolahan bahan utamanya.
Sayangnya, kekuatan bahan baku tidak dapat jauh meningkat. Masing-masing dari mekanisme diuraikan di bawah ini melibatkan beberapa trade off dengan yang lain properti materi dikompromikan dalam proses penguatan.

Penguatan Mekanisme di Metals
Kerja pengerasan
Artikel utama: Pekerjaan pengerasan
Spesies utama yang bertanggung jawab untuk bekerja pengerasan adalah dislokasi. Dislokasi berinteraksi satu sama lain dengan menghasilkan medan tegangan dalam materi. Interaksi antara medan tegangan dislokasi dislokasi dapat menghambat gerak oleh menjijikkan atau interaksi menarik. Selain itu, jika dua dislokasi lintas, garis dislokasi belitan terjadi, menyebabkan pembentukan jogging yang menentang pergerakan dislokasi. Jog keterbelitan ini dan bertindak sebagai poin menjepit, yang menentang gerak dislokasi. Sebagai proses kedua lebih mungkin terjadi ketika lebih dislokasi hadir, ada korelasi antara kerapatan dislokasi dan kekuatan luluh,
di mana G adalah modulus geser, b adalah vektor Burgers, dan adalah kerapatan dislokasi.
Meningkatkan kerapatan dislokasi meningkatkan kekuatan luluh yang menghasilkan tegangan geser yang lebih tinggi diperlukan untuk memindahkan dislokasi. Proses ini mudah diamati saat bekerja suatu material. Secara teoritis, kekuatan dari suatu material tanpa dislokasi akan sangat tinggi (τ = G / 2) karena deformasi plastis akan memerlukan pemecahan banyak ikatan secara bersamaan. Namun, pada nilai-nilai kerapatan dislokasi moderat sekitar 10 7 -10 9 dislokasi / m 2, material akan memperlihatkan jauh lebih rendah kekuatan mekanik. Analog, lebih mudah untuk memindahkan karpet karet di permukaan dengan menyebarkan beriak kecil daripada dengan menyeret seluruh karpet. Pada kepadatan dislokasi 10 14 dislokasi / m 2 atau lebih tinggi, kekuatan bahan menjadi tinggi sekali lagi. Perlu dicatat bahwa kerapatan dislokasi tidak bisa jauh tinggi karena materi maka akan kehilangan struktur kristal.



Gambar 1: Ini adalah skema menggambarkan bagaimana kisi tegang dengan penambahan zat terlarut substitusi dan interstisial. Perhatikan ketegangan dalam kisi bahwa atom terlarut penyebabnya. Interstisial terlarut dapat karbon dalam besi misalnya. Atom karbon dalam situs interstisial kisi menciptakan lapangan stres yang menghambat gerakan dislokasi.

Solid Solution Penguatan / paduan
Artikel utama: penguatan larutan padat
Untuk memperkuat mekanisme ini, terlarut atom dari satu elemen yang ditambahkan ke yang lain, sehingga baik substitusi atau interstisial cacat titik dalam kristal (lihat Gambar 1). Atom terlarut kisi menyebabkan dislokasi distorsi yang menghalangi gerak, meningkatkan tegangan luluh bahan. Terlarut atom memiliki ladang di sekitar mereka stres yang dapat berinteraksi dengan orang-orang dislokasi. Kehadiran atom terlarut menanamkan tegangan tekan atau tarik ke kisi, tergantung pada ukuran zat terlarut, yang mengganggu dengan dislokasi dekat, yang menyebabkan atom terlarut bertindak sebagai hambatan potensial dislokasi propagasi dan / atau perkalian.

Tegangan geser yang diperlukan untuk bergerak dislokasi dalam suatu material adalah:

di mana c adalah konsentrasi zat terlarut dan ε adalah regangan pada bahan yang disebabkan oleh zat terlarut.
Meningkatkan konsentrasi atom terlarut akan meningkatkan kekuatan luluh material, namun ada batasan untuk jumlah zat terlarut yang dapat ditambahkan, dan satu harus melihat pada diagram fase untuk material dan paduan untuk memastikan bahwa fase kedua tidak diciptakan.
Secara umum, penguatan larutan padat tergantung pada konsentrasi zat terlarut atom, modulus geser terlarut atom, ukuran atom terlarut, valensi atom terlarut (untuk bahan ionik), dan simetri stres terlarut lapangan. Perhatikan bahwa besarnya penguatan yang lebih tinggi untuk non-simetris bidang stres karena zat terlarut ini dapat berinteraksi dengan kedua tepi dan dislokasi ulir sedangkan medan tegangan simetris, yang hanya menyebabkan perubahan volume dan bentuk tidak berubah, hanya dapat berinteraksi dengan dislokasi sisi.




Gambar 2: Ini adalah skema menggambarkan bagaimana dislokasi dapat berinteraksi dengan sebuah partikel. Ini dapat menembus partikel atau busur sekitar partikel dan membuat loop dislokasi ketika bergerak atas partikel.

Air hujan Pengerasan
Artikel utama: Air hujan penguatan
Pada kebanyakan sistem biner, paduan atas konsentrasi yang diberikan oleh diagram fase akan menyebabkan pembentukan tahap kedua. Tahap kedua juga dapat diciptakan oleh mekanik atau termal perawatan. Partikel yang membentuk presipitat tahap kedua bertindak sebagai poin menjepit dengan cara yang sama untuk zat terlarut, meskipun tidak selalu partikel atom tunggal.
Dislokasi dalam suatu material dapat berinteraksi dengan atom presipitat dalam salah satu dari dua cara (lihat Gambar 2). presipitat atom kecil, dislokasi akan memotong melalui mereka. Akibatnya, permukaan baru (b pada Gambar 2) dari partikel akan terkena matriks dan partikel / energi antarmuka matriks akan meningkat. Mengendapkan partikel yang lebih besar, memutar atau membungkuk dislokasi akan terjadi yang mengakibatkan dislokasi semakin panjang. Oleh karena itu, pada jari-jari kritis sekitar 5 nm, dislokasi akan lebih baik melintasi rintangan sedangkan untuk radius 30 nm, akan mudah dislokasi membungkuk atau loop untuk mengatasi rintangan.
Deskripsi matematika adalah sebagai berikut:
Untuk Particle Membungkuk -
Untuk Particle Cutting -




Gambar 3: Ini adalah kira-kira skema yang menggambarkan konsep dislokasi menumpuk dan bagaimana efek kekuatan material. Sebuah material dengan ukuran butir lebih besar dapat memiliki lebih banyak dislokasi menumpuk menuju kekuatan pendorong yang lebih besar untuk dislokasi untuk berpindah dari satu butir yang lain. Dengan demikian Anda akan memiliki kurang menerapkan kekuatan untuk memindahkan dislokasi dari yang lebih besar daripada dari biji-bijian yang lebih kecil, bahan terkemuka dengan biji-bijian yang lebih kecil untuk memperlihatkan hasil yang lebih tinggi stres.

Grain Boundary Penguatan
Artikel utama: Penguatan batas butir
Dalam polikristalin logam, ukuran butir mempunyai pengaruh yang sangat besar pada sifat mekanik. Karena biji-bijian biasanya memiliki orientasi kristalografi yang berbeda-beda, batas butir muncul. Sementara yang mengalami deformasi, slip gerakan akan terjadi. Batas butir bertindak sebagai penghambat gerakan dislokasi untuk dua alasan berikut:
1. Dislokasi harus mengubah arah gerak karena orientasi yang berbeda butir.
2. Diskontinuitas slip pesawat dari butir 1 sampai butir 2.
Tegangan yang diperlukan untuk memindahkan sebuah dislokasi dari satu butir lain untuk terdeformasi plastis bahan tergantung pada ukuran butir. Jumlah rata-rata per butir dislokasi berkurang dengan rata-rata ukuran butir (lihat Gambar 3). Jumlah yang lebih rendah dislokasi per butir hasil dislokasi yang lebih rendah 'tekanan' membangun pada batas butir. Hal ini membuat lebih sulit bagi dislokasi untuk pindah ke butir berdekatan. Hubungan ini adalah Hall-Petch Hubungan dan dapat matematis digambarkan sebagai berikut:
, ,
di mana k adalah konstanta, d adalah diameter butir rata-rata dan σ y, 0 adalah hasil asli stres.
Kenyataan bahwa kekuatan luluh meningkat dengan penurunan ukuran butir tersebut dibarengi dengan peringatan bahwa ukuran butir tidak dapat berkurang jauh. Sebagai ukuran butir menurun, lebih bebas dihasilkan volume kisi mengakibatkan ketidakcocokan. Namun, di bawah ini kira-kira 10 nm, batas butir akan cenderung slide instead; sebuah fenomena yang dikenal sebagai butir-batas geser. Jika ukuran butir terlalu kecil, menjadi lebih sulit untuk sesuai dengan dislokasi dalam gandum dan stres diperlukan untuk memindahkan mereka kurang. Tidak mungkin untuk memproduksi bahan-bahan dengan ukuran butir di bawah 10 nm sampai baru-baru ini, sehingga penemuan bahwa kekuatan berkurang di bawah ukuran butir kritis masih menarik.