강철의 강도를 향상시키는 방법은 무엇인가요?

강철의 강도는 일반적으로 인장 강도, 굽힘 강도 및 압축 강도를 포함하는 외력의 작용에 따른 금속 재료의 변형 및 파단 성능을 나타냅니다. 강철이 외력에 대한 저항력이 강할수록 강철은 더 강해집니다. 그렇다면 강철의 강도는 어떻게 향상시킬 수 있을까요?

Solution S늘리기

매트릭스 금속의 합금 원소 고용체는 특정 격자 왜곡을 일으키고 합금의 강도를 증가시킵니다. 격자 왜곡은 전위 운동의 저항을 증가시키고 미끄러짐을 어렵게 만들어 합금 고용체의 강도와 경도를 증가시킵니다. 금속이 용질 원소에 용해되어 고용체를 형성함으로써 금속을 강화하는 이러한 현상을 고용체 강화라고 합니다.

용질 원자의 농도가 적절하면 재료의 강도와 경도는 증가하지만 인성 및 가소성은 감소합니다. 용질 원자의 원자 분율이 높을수록 용질 원자와 모재 금속 사이의 원자 크기 차이가 커지고 강화가 더 강해집니다. 

간극 용질 원자는 치환 원자보다 용액 강화 효과가 더 크고, 면 중심 입방 결정에서 간극 원자의 격자 왜곡이 비대칭이기 때문에 간극 원자의 강화 효과는 면 중심 입방 결정보다 큽니다. 그러나 간극 원자의 고체 용해도는 매우 제한적이며 실제 강화 효과도 제한적입니다. 용질 원자와 기판 금속 사이의 원자가 전자 수의 차이가 클수록 용액 강화가 더 분명해지며, 즉 원자가 전자 농도가 증가함에 따라 고용체의 항복 강도가 증가합니다.

작업 강화

냉간 변형이 증가하면 금속 재료의 강도와 경도는 증가하지만 가소성과 인성은 감소합니다. 냉간 가공 경화는 재결정 온도 이하의 소성 변형 중에 금속 재료의 강도와 경도는 증가하고 가소성과 인성은 감소하는 현상입니다. 소성 변형, 입자 미끄러짐, 전위의 금속은 입자 신장, 파편화 및 섬유화, 금속 내부 잔류 응력을 유발하기 때문입니다. 가공 경화는 일반적으로 가공 후와 가공 전 표면층의 미세 경도와 경화 층의 깊이의 비율로 표현됩니다.

가공 경화는 저탄소강의 절삭 성능을 향상시키고 칩을 쉽게 분리 할 수 있지만 금속 부품의 추가 가공에 어려움을 가져옵니다. 예를 들어, 냉간 압연 강판과 냉간 인발 강선 과정에서 인발 에너지 소비가 증가하고 심지어 파손되기 때문에 작업 경화를 제거하기 위해 중간 어닐링을 거쳐야합니다. 절삭 공정에서 공작물 표면을 부서지기 쉽고 단단하게 만들고 절삭력을 높이고 공구 마모 등을 가속화합니다.

특히 열처리로 강도를 향상시킬 수 없는 순수 금속 및 일부 합금의 경우 강철의 강도, 경도 및 내마모성을 향상시킵니다. 냉간 인발 고강도 강선 및 냉간 코일 스프링과 같은 냉간 가공 변형을 사용하여 강도와 탄성 한계를 개선하는 것입니다. 탱크, 트랙터 및 철도의 선로는 또한 경도와 내마모성을 향상시키기 위해 작업 경화를 사용합니다.

미세 입자 강화

입자를 정제하여 금속의 기계적 특성을 향상시키는 방법을 미세 입자 강화라고 합니다. 금속은 많은 결정립으로 이루어진 다결정이며, 결정립의 크기는 단위 부피당 결정립의 개수로 표현할 수 있습니다. 숫자가 많을수록 입자가 더 미세합니다. 실험에 따르면 미세 입자 금속은 상온에서 거친 입자 금속보다 강도, 경도, 가소성 및 인성이 더 높습니다. 이는 외력에 의해 소성 변형이 발생할 때 미세 입자가 더 많은 입자로 분산되어 소성 변형이 더 균일하고 응력 집중이 작기 때문입니다.

또한 입자가 미세할수록 입자 경계 면적이 넓어지고 입자 경계가 구불구불할수록 균열 전파에 불리한 조건이 됩니다. 따라서 입자를 정제하여 재료 강도를 향상시키는 산업적 방법을 미세 입자 강화라고 합니다. 입자 경계가 많을수록 응력 집중이 작아지고 재료의 항복 강도가 높아집니다. 입자를 정제하는 방법에는 과냉각 정도를 높이는 방법이 있습니다;

변태적 치료;

진동 및 흔들림;

냉간 변형된 금속은 변형 정도와 어닐링 온도를 제어하여 정제할 수 있습니다.

2단계 강화

단상 합금에 비해 다상 합금에는 매트릭스 상 외에도 두 번째 상이 존재합니다. 두 번째 상이 매트릭스 상에 미세하게 분산된 입자로 균일하게 분포되어 있으면 강화 효과가 커집니다. 이러한 강화를 2상 강화라고 합니다. 전위 운동의 경우 합금의 두 번째 단계에는 다음 두 가지 조건이 있습니다. (1) 변형 불가능한 입자에 의한 보강 (우회 메커니즘). (2) 변형 가능한 입자의 강화 효과(절단 메커니즘).

분산 강화와 강수량 강화는 모두 2상 강화의 특수한 경우에 속합니다. 두 번째 단계의 강화의 주된 이유는 전위와 전위 사이의 상호 작용으로 인해 전위 운동을 방해하고 합금의 변형 저항을 증가시키기 때문입니다.

일반적으로 강도에 영향을 미치는 가장 중요한 것은 금속 자체의 구성, 조직 구조 및 표면 상태이며, 그 다음에는 후 힘의 속도, 하중 방법, 단순 연신 또는 반복 응력과 같은 응력 상태가 다른 강도를 나타냅니다. 또한 금속의 모양과 크기와 시험 매체도 영향을 미치며 때로는 초고강도 강철의 인장 강도가 수소 분위기에서 기하 급수적으로 감소 할 수있는 등 결정적인 영향을 미치기도합니다.

하나는 합금의 원자 간 결합력을 개선하여 이론적 강도를 개선하고 수염과 같은 결함이없는 완전한 결정을 생성하는 것입니다. 알려진 철 수염의 강도는 이론적 값에 가깝고, 이는 수염에 전위가 없거나 변형 중에 증식 할 수없는 적은 수의 전위 만 포함하기 때문이라고 가정 할 수 있습니다. 그러나 수염의 직경이 크면 강도가 급격히 감소합니다. 둘째, 전위, 점 결함, 이종 원자, 입자 경계, 고도로 분산 된 입자 또는 불균일성 (예 : 분리) 등과 같은 많은 결정 결함이 결정에 도입됩니다. 이러한 결함은 전위 이동을 방해하고 금속 강도를 크게 향상시킵니다. 이는 금속의 강도를 높이는 가장 효과적인 방법임이 입증되었습니다.