Analizar los métodos de fortalecimiento de materiales de aleaciones de cobre.
Los métodos de fortalecimiento comúnmente utilizados para cobre y aleaciones de cobre incluyen: fortalecimiento por deformación, fortalecimiento de grano fino, fortalecimiento por solución sólida, fortalecimiento por precipitación (precipitación), fortalecimiento por dispersión, fortalecimiento de material compuesto y adición de oligoelementos.
1. Fortalecimiento de la deformación
El fortalecimiento por deformación consiste en mejorar la resistencia y dureza de la aleación de cobre mediante la deformación plástica. Es uno de los métodos de fortalecimiento de aleaciones de cobre más utilizados. Dado que los defectos del cristal producidos por el trabajo en frío tienen poco efecto sobre la conductividad del material, este método de fortalecimiento mejora la resistencia y al mismo tiempo hace que la aleación sea altamente conductora. La característica del fortalecimiento por deformación es que mientras aumenta la resistencia del material, su plasticidad disminuye rápidamente y la conductividad eléctrica también disminuirá ligeramente debido al aumento en la densidad de dislocaciones. Además, cuando la temperatura de servicio aumenta, el material se someterá a procesos de recuperación y recristalización y se ablandará, y el fortalecimiento por deformación única solo puede aumentar la resistencia de la aleación hasta un grado limitado, por lo que a menudo se usa junto con otros métodos de fortalecimiento.
2. Fortalecimiento de grano fino
El fortalecimiento de grano fino consiste en utilizar medidas de solidificación rápida o métodos de tratamiento térmico para obtener granos finos durante la fundición. También se pueden agregar ciertos elementos traza de aleación para refinar los granos. Se reduce el tamaño del grano, aumenta la resistencia de la aleación y tiene poco efecto sobre la conductividad eléctrica de la aleación. Por lo tanto, el fortalecimiento de grano fino se ha convertido en uno de los principales métodos de fortalecimiento de las aleaciones de cobre. La ventaja sobresaliente del fortalecimiento de grano fino es que puede mejorar la plasticidad del material al tiempo que mejora la resistencia del material. Esto se debe a que después del refinamiento del grano, la concentración de tensión causada por la acumulación de dislocaciones en el límite del grano cuando el material se deforma se puede aliviar de manera efectiva, retrasando el inicio de grietas y se puede lograr una mayor cantidad de deformación antes de que el material se fracture. Debido a esta ventaja, el refinamiento del grano se utiliza ampliamente.
3. Fortalecimiento de soluciones sólidas
El fenómeno de aumentar la resistencia y dureza de un metal incorporando ciertos elementos solutos para formar una solución sólida se llama fortalecimiento en solución sólida. El fortalecimiento de la solución sólida ocurre porque la disolución de los átomos del soluto causa distorsión en la red cristalina del metal solvente, aumentando así la resistencia al movimiento de dislocación. La práctica ha demostrado que un control adecuado del contenido de soluto en la solución sólida puede mejorar significativamente la resistencia y dureza del material manteniendo al mismo tiempo una buena plasticidad y tenacidad. Por ejemplo: agregar un 19% de níquel al cobre puede aumentar el phib de la aleación de 220MPa a 380~400MPa, y la dureza de HB44 a HB70, mientras que la plasticidad aún se mantiene en ψ=50%. Si el cobre lograra el mismo efecto de fortalecimiento por otros medios (como el endurecimiento por trabajo durante la deformación en frío), su plasticidad se perdería casi por completo. El fortalecimiento en solución sólida es un método de fortalecimiento que utiliza la interacción entre los átomos del soluto y las dislocaciones en movimiento en la solución sólida para provocar un aumento en la tensión de flujo. Al agregar una cantidad apropiada de elementos de aleación a la base para formar una solución sólida, generalmente mejorará la resistencia de la aleación. Según la teoría de Mott-Nabbaro, para soluciones sólidas finas, el cambio en el límite elástico con la concentración de elementos solutos se puede expresar como: б=бo+kCm. En la fórmula, б es el límite elástico de la aleación; бo es el límite elástico del metal puro; C es la concentración de masa atómica del soluto; k y m son constantes determinadas por las propiedades de la matriz y los elementos de aleación, donde el valor de m está entre 0,5 y 1.
4. Fortalecimiento de las precipitaciones (precipitaciones) envejecidas.
El principio básico del fortalecimiento por precipitación de edad es agregar elementos de aleación al cobre que tengan una solubilidad sólida muy pequeña a temperatura ambiente y una solubilidad sólida alta a altas temperaturas. Mediante el tratamiento con solución sólida a alta temperatura, los elementos de aleación forman una solución sólida sobresaturada en la base. Esta resistencia mejora en comparación con el cobre puro. Luego, mediante el envejecimiento, la solución sólida sobresaturada se descompone, los elementos de la aleación precipitan en una determinada forma y se dispersan y distribuyen en la base para formar una fase de precipitación. La fase precipitada puede prevenir eficazmente el movimiento de los límites de los granos y las dislocaciones, mejorando así en gran medida la resistencia de la aleación. Los elementos de aleación que producen fortalecimiento por precipitación deben cumplir las dos condiciones siguientes: primero, la solubilidad sólida en cobre a altas y bajas temperaturas es bastante diferente, de modo que se puedan producir suficientes fases de fortalecimiento durante el envejecimiento; en segundo lugar, la solubilidad sólida del cobre a temperatura ambiente es muy diferente. La solubilidad es extremadamente pequeña para asegurar una alta conductividad de la matriz. El fortalecimiento por precipitación es el método de fortalecimiento más utilizado en aleaciones de cobre de alta resistencia y alta conductividad. En las aleaciones de cobre, para producir el efecto de fortalecimiento por precipitación del envejecimiento, los elementos agregados incluyen Ti, Co, P, Ni, Si, Mg, Cr, Zr, Be, Fe, etc. La mayor ventaja del fortalecimiento por precipitación del envejecimiento es que Mejora la resistencia del material y minimiza el daño a la conductividad eléctrica.
5. Mejora de la difusión
El refuerzo por dispersión es un material preparado mediante pulvimetalurgia y otros métodos después de mezclar completamente un polvo de fase de refuerzo por dispersión de cierta forma y tamaño con polvo de cobre. Las partículas de la segunda fase (Al2O3, ThO2, Zro2, etc.) se dispersan y distribuyen en la matriz de cobre, y la resistencia de la aleación de cobre mejora debido al efecto de refuerzo de la dispersión. Este método tiene poco impacto en la conductividad eléctrica y térmica del cobre y al mismo tiempo mejora su resistencia. Para obtener partículas de segunda fase distribuidas dispersamente en la matriz de cobre, se puede considerar que se añaden partículas de segunda fase a la matriz de cobre o que se generan partículas de segunda fase distribuidas dispersamente in situ en la matriz de cobre mediante un determinado proceso. Los métodos específicos incluyen: método de mezcla mecánica, método de coprecipitación, método de oxidación interna, método de precipitación en gel inverso, método de precipitación electrolítica, etc. Los principales mecanismos de fortalecimiento de la dispersión incluyen el mecanismo de Olowan y el mecanismo de Ansel-Lenier.
(1) Mecanismo de Orowan. Durante la deformación plástica, la línea de dislocación no puede cortar directamente la partícula de la segunda fase, pero bajo la acción de una fuerza externa, la línea de dislocación puede doblarse alrededor de la partícula de la segunda fase y, finalmente, queda un anillo de dislocación alrededor de la partícula de la segunda fase y cede. . Pase equivocado. La flexión de las dislocaciones aumentará la energía de distorsión de la red en el área afectada por la dislocación, lo que aumenta la resistencia al movimiento de las líneas de dislocación y aumenta la resistencia al deslizamiento.
(2) (2) Mecanismo Ansel-Lenier. GS Ansell et al. propuso otro modelo de dislocación para el rendimiento de aleaciones reforzadas por dispersión. Utilizaron la fractura de partículas dispersas de la segunda fase debido a la acumulación de dislocaciones como criterio de rendimiento. Cuando el esfuerzo cortante sobre las partículas es igual al esfuerzo de fractura de las partículas dispersas, la aleación reforzada por dispersión cede.
6. Refuerzo compuesto de fibra in situ
Este método se refiere principalmente a agregar un exceso de elementos de aleación (Cr, Fe, V, Nb, etc.) al cobre para obtener un compuesto de dos fases. El exceso de elementos existe en la aleación solidificada en forma de una sola fase y una estructura dendrítica. Después de eso, la aleación se estira con una gran deformación, de modo que la estructura dendrítica de los elementos de la aleación se transforma en una estructura de fibra. La presencia de fibras aumenta la resistencia al movimiento de dislocación, fortaleciendo así el material.
7. Añadir oligoelementos
Agregar ciertos oligoelementos a la base de la aleación no solo puede fortalecer la aleación, sino que también es un medio eficaz para desarrollar materiales resistentes a la corrosión. Algunos de estos oligoelementos fortalecen la aleación formando fases dispersas y otros purificando la estructura de la matriz, pero ninguno de ellos reduce significativamente su resistencia a la corrosión, mejorando así el rendimiento general de la aleación.
