Phân tích các phương pháp tăng cường vật liệu hợp kim đồng
Các phương pháp tăng cường thường được sử dụng cho đồng và hợp kim đồng bao gồm: tăng cường biến dạng, tăng cường hạt mịn, tăng cường dung dịch rắn, tăng cường lượng mưa (lượng mưa), tăng cường phân tán, tăng cường vật liệu composite và thêm các nguyên tố vi lượng.
1. Tăng cường biến dạng
Tăng cường biến dạng là cải thiện độ bền và độ cứng của hợp kim đồng thông qua biến dạng dẻo. Đây là một trong những phương pháp tăng cường hợp kim đồng được sử dụng phổ biến nhất. Do các khuyết tật tinh thể tạo ra khi gia công nguội ít ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật liệu nên phương pháp tăng cường này giúp cải thiện độ bền trong khi vẫn làm cho hợp kim có tính dẫn điện cao. Đặc điểm của việc tăng cường biến dạng là trong khi độ bền của vật liệu tăng lên thì độ dẻo của nó giảm nhanh và độ dẫn điện cũng sẽ giảm nhẹ do mật độ trật khớp tăng lên. Ngoài ra, khi nhiệt độ sử dụng tăng lên, vật liệu sẽ trải qua quá trình phục hồi, kết tinh lại và làm mềm, và việc tăng cường biến dạng đơn lẻ chỉ có thể tăng cường độ của hợp kim ở một mức độ hạn chế, do đó nó thường được sử dụng cùng với các phương pháp tăng cường khác.
2. Tăng cường hạt mịn
Tăng cường hạt mịn là sử dụng các biện pháp hóa rắn nhanh hoặc phương pháp xử lý nhiệt để thu được hạt mịn trong quá trình đúc. Một số nguyên tố hợp kim vi lượng cũng có thể được thêm vào để tinh chế hạt. Kích thước hạt giảm, độ bền của hợp kim tăng lên và ít ảnh hưởng đến độ dẫn điện của hợp kim. Do đó, tăng cường hạt mịn đã trở thành một trong những phương pháp tăng cường chính cho hợp kim đồng. Ưu điểm nổi bật của việc tăng cường hạt mịn là có thể cải thiện độ dẻo của vật liệu đồng thời cải thiện độ bền của vật liệu. Điều này là do sau khi sàng lọc hạt, nồng độ ứng suất gây ra bởi sự tích tụ sai lệch ở ranh giới hạt khi vật liệu bị biến dạng có thể được giảm bớt một cách hiệu quả, trì hoãn sự hình thành các vết nứt và có thể đạt được lượng biến dạng lớn hơn trước khi vật liệu bị gãy. Việc sàng lọc hạt được sử dụng rộng rãi vì lợi thế này.
3. Tăng cường dung dịch rắn
Hiện tượng tăng độ bền và độ cứng của kim loại bằng cách kết hợp một số nguyên tố hòa tan nhất định để tạo thành dung dịch rắn được gọi là tăng cường dung dịch rắn. Sự tăng cường dung dịch rắn xảy ra do sự hòa tan của các nguyên tử chất tan gây ra sự biến dạng trong mạng tinh thể của kim loại dung môi, do đó làm tăng khả năng chống lại chuyển động lệch vị trí. Thực tiễn đã chứng minh rằng việc kiểm soát hợp lý hàm lượng chất tan trong dung dịch rắn có thể cải thiện đáng kể độ bền và độ cứng của vật liệu trong khi vẫn duy trì độ dẻo và độ dẻo dai tốt. Ví dụ: thêm 19% niken vào đồng có thể làm tăng phib của hợp kim từ 220MPa lên 380~400MPa và độ cứng từ HB44 lên HB70, trong khi độ dẻo vẫn duy trì ψ=50%. Nếu đồng đạt được hiệu quả tăng cường tương tự thông qua các phương pháp khác (chẳng hạn như làm cứng sản phẩm trong quá trình biến dạng nguội), độ dẻo của nó sẽ gần như bị mất hoàn toàn. Tăng cường dung dịch rắn là phương pháp tăng cường sử dụng sự tương tác giữa các nguyên tử chất tan và sự chuyển động sai lệch trong dung dịch rắn để làm tăng ứng suất dòng chảy. Bằng cách thêm một lượng nguyên tố hợp kim thích hợp vào đế để tạo thành dung dịch rắn, độ bền của hợp kim nhìn chung sẽ được cải thiện. Theo lý thuyết Mott-Nabbaro, đối với dung dịch rắn mỏng, sự thay đổi cường độ chảy theo nồng độ của các nguyên tố chất tan có thể biểu thị bằng: б=бo+kCm. Trong công thức, б là giới hạn chảy của hợp kim; бo là giới hạn chảy của kim loại nguyên chất; C là nồng độ khối lượng nguyên tử chất tan; k và m là các hằng số được xác định bởi tính chất của các nguyên tố ma trận và hợp kim, trong đó giá trị của m nằm trong khoảng từ 0,5 đến 1.
4. Tăng cường lượng mưa (lượng mưa) lão hóa
Nguyên tắc cơ bản của việc tăng cường kết tủa theo tuổi là thêm các nguyên tố hợp kim vào đồng có độ hòa tan rắn rất nhỏ ở nhiệt độ phòng và độ hòa tan rắn lớn ở nhiệt độ cao. Thông qua xử lý dung dịch rắn ở nhiệt độ cao, các nguyên tố hợp kim tạo thành dung dịch rắn siêu bão hòa trong bazơ. Độ bền này được cải thiện so với đồng nguyên chất. Sau đó, qua quá trình lão hóa, dung dịch rắn siêu bão hòa bị phân hủy, các nguyên tố hợp kim kết tủa ở dạng nhất định và được phân tán và phân bố trong nền để tạo thành pha kết tủa. Pha kết tủa có thể ngăn chặn hiệu quả sự chuyển động của ranh giới hạt và sự lệch vị trí, từ đó cải thiện đáng kể độ bền của hợp kim. Các nguyên tố hợp kim tạo ra sự tăng cường kết tủa phải đáp ứng hai điều kiện sau: thứ nhất, độ hòa tan rắn trong đồng ở nhiệt độ cao và thấp khá khác nhau, do đó có thể tạo ra đủ các pha tăng cường trong quá trình lão hóa; thứ hai, độ hòa tan rắn của đồng ở nhiệt độ phòng rất khác nhau. Độ hòa tan cực kỳ nhỏ để đảm bảo độ dẫn điện cao của nền. Tăng cường lượng mưa là phương pháp tăng cường được sử dụng rộng rãi nhất trong các hợp kim đồng có độ bền cao, độ dẫn điện cao. Trong hợp kim đồng, để tạo ra hiệu ứng tăng cường kết tủa lão hóa, các nguyên tố được thêm vào bao gồm Ti, Co, P, Ni, Si, Mg, Cr, Zr, Be, Fe, v.v. Ưu điểm lớn nhất của việc tăng cường kết tủa lão hóa là nó rất hữu ích. cải thiện độ bền của vật liệu đồng thời giảm thiểu thiệt hại cho tính dẫn điện.
5. Tăng cường khuếch tán
Tăng cường phân tán là vật liệu được điều chế bằng phương pháp luyện kim bột và các phương pháp khác sau khi trộn hoàn toàn bột pha tăng cường phân tán có hình dạng và kích thước nhất định với bột đồng. Các hạt pha thứ hai (Al2O3, ThO2, Zro2, v.v.) được phân tán và phân bố trong ma trận đồng, và độ bền của hợp kim đồng được cải thiện do hiệu ứng tăng cường phân tán. Phương pháp này ít ảnh hưởng đến độ dẫn điện và nhiệt của đồng trong khi cải thiện độ bền. Để thu được các hạt pha thứ hai phân bố phân tán trong ma trận đồng, có thể coi các hạt pha thứ hai được thêm vào ma trận đồng hoặc các hạt pha thứ hai phân bố phân tán được tạo ra tại chỗ trong ma trận đồng thông qua một quy trình nhất định. Các phương pháp cụ thể bao gồm: phương pháp trộn cơ học, phương pháp đồng kết tủa, phương pháp oxy hóa nội, phương pháp kết tủa gel ngược, phương pháp kết tủa điện phân, v.v. Các cơ chế chính của tăng cường phân tán bao gồm cơ chế Olowan và cơ chế Ansel-Lenier.
(1) Cơ chế Orowan. Trong quá trình biến dạng dẻo, đường lệch vị trí không thể cắt trực tiếp qua hạt pha thứ hai, nhưng dưới tác dụng của ngoại lực, đường lệch vị trí có thể uốn cong xung quanh hạt pha thứ hai, và cuối cùng một vòng trật khớp được để lại xung quanh hạt pha thứ hai và nhường chỗ . Đường chuyền sai. Việc uốn cong các đường trật khớp sẽ làm tăng năng lượng biến dạng mạng ở vùng bị ảnh hưởng bởi trật khớp, làm tăng lực cản chuyển động của các đường trật khớp và tăng khả năng chống trượt.
(2) (2) Cơ chế Ansel-Lenier. GS Ansell và cộng sự. đề xuất một mô hình lệch vị trí khác để tạo ra các hợp kim được tăng cường phân tán. Họ sử dụng sự đứt gãy của các hạt pha thứ hai phân tán do sự tích tụ sai lệch làm tiêu chí cho năng suất. Khi ứng suất cắt trên các hạt bằng với ứng suất gãy của các hạt phân tán, hợp kim được tăng cường phân tán sẽ mang lại.
6. Gia cố bằng sợi composite tại chỗ
Phương pháp này chủ yếu đề cập đến việc thêm các nguyên tố hợp kim dư thừa (Cr, Fe, V, Nb, v.v.) vào đồng để thu được phức hợp hai pha. Các nguyên tố dư thừa tồn tại trong hợp kim đông đặc ở dạng một pha và cấu trúc đuôi gai. Sau đó, hợp kim được kéo căng với biến dạng lớn, do đó cấu trúc đuôi gai của các phần tử hợp kim được chuyển thành cấu trúc sợi. Sự hiện diện của sợi làm tăng khả năng chống lại chuyển động trật khớp, từ đó tăng cường độ bền cho vật liệu.
7. Thêm nguyên tố vi lượng
Việc thêm một số nguyên tố vi lượng nhất định vào nền của hợp kim, nó không chỉ có thể tăng cường hợp kim mà còn là một phương tiện hiệu quả để phát triển các vật liệu chống ăn mòn. Một số nguyên tố vi lượng này tăng cường hợp kim bằng cách hình thành các pha phân tán và một số bằng cách tinh chế cấu trúc ma trận, nhưng không có nguyên tố nào làm giảm đáng kể khả năng chống ăn mòn của hợp kim, từ đó cải thiện hiệu suất tổng thể của hợp kim.
