Anonim

För länge sedan kom nyfikna människor över naturligt förekommande klumpar av naturligt koppar och blev förvånade när, i stället för att bryta under stress eller påverkan som sten, böjer mysteriummaterialet. Vad är det här konstiga grejer? Egenskapen att böja snarare än att bryta, vilket vi kallar duktilitet, har varit oerhört användbar för våra arter. Steniga material hålls samman av kemiska bindningar som involverar överföring av elektroner, och när sådana bindningar bryts förblir de på det sättet (bindningselektronerna går bara hem och stannar där). Men metallernas atomer, eftersom de har fulla yttre skal av elektroner, uppför sig helt annorlunda.

Sådana atomer, trångt tillsammans som ett fast ämne, är fyllda med en gas av elektroner, som fungerar som ett generellt "lim" som håller fast materialet ihop (denna elektrongas är också ansvarig för metallens höga elektriska och termiska konduktivitet). När de nyfikna folket böjde en bit koppar, tvingade de ark av dess atomer att glida över angränsande ark som om de var permanent limmade ihop; när en uppsättning atombindningar bryts i en metall kan den skapa nya bindningar med nästa rad atomer eller den efter det. På detta sätt kan metaller i stor utsträckning böjas eller sträckas utan att gå sönder. Duktilitet ökar enormt den energi som krävs för sprickor eftersom ett duktilt material istället för att knäppas motstår starkt hela vägen till slutligt misslyckande.

Nästan alla praktiska metaller är polykristallina, vilket innebär att de är virvel av små kristaller som är förenade med varandra av mindre regelbundna intergranulära zoner. Metaller är naturligt kristallina, det vill säga deras atomer tenderar att rymma sig på vanliga geometriska sätt såsom i form av kuber eller hexagoner. Nästan alla praktiska metaller är polykristallina, vilket innebär att de är virvel av små kristaller som är förenade med varandra av mindre regelbundna intergranulära zoner. Om detta låter svagt och sårbart för misslyckande är din intuition bra; misslyckande i metaller uppstår ofta i dessa zoner.

Någon som kommer ihåg ruckus för några år sedan över intergranulär spänningskorrosionssprickning (IGSCC)? Rostfria stål som används i kärnkraftverk, utsatta för superrenhet vatten, blev precis riktigt tunna på oförutsägbara sätt. Eftersom atom-till-atom-avstånd i dessa IG-zoner inte är helt regelbundna (som i kristaller), är deras mer stressade atombindningar särskilt sårbara för kemisk attack. Föreställ dig överraskningen hos män som har fått uppdraget att ta bort isolering från kärnkraftverk med rörhjul när de slingrade rakt igenom det internt eroderade röret och vätska sprutades ut.

Relaterad:

Image

MotoGP Electronics Data War Forts - Mät Vs. Motåtgärd

Dorna planerar för 2019 att kräva speciella IMU: er som inte längre kan användas som underprocessorer. Problemet över?

Varmgående turbinblad med jetmotor blev offer för dåliga saker som inträffade i deras intergranulära zoner. Resultat? Människor tog sig an fallet och tänkte fiendiskt smart sätt att göra sådana delar som enstaka kristaller. Om det inte finns fler IG-zoner kommer det inte att finnas fler problem med IGZ-ursprung. Varje gång du flyger på ett kommersiellt flygplan skjuter du tillbaka i din plats vid start genom att sväva gaser som verkar på sådana enkelkristall-turbinblad och statorskovlar.

När intresserade personer räknade ut hur mycket kraft som skulle krävas för att skjuta ett helt ark med atomer som beskrivits ovan, fann de att en förskjutning av alla dessa bindningar samtidigt skulle kräva mycket mer kraft än vad som observerades vid deformering av praktiska metaller. Därför måste faktiska deformationer uppstå på något annat sätt. Nyckeln till svaret var klasser av kristalldefekter, kända som dislokationer. En vanlig typ av förflyttning är ett ofullständigt ark med atomer. Eftersom zonen runt en sådan defekt innehåller ansträngda atom-till-atom-bindningar kan applicerad belastning driva sådana defekter genom materialet, vilket gör att ett atomplan kan glida över ett annat med mycket lägre energi. Att stärka metaller kommer således att hitta sätt att hindra förflyttningar av rörelser (tänk på dem som lokala zoner av stresskänslighet) genom metallkristaller.

Varje gång vi böjer lite stakettråd fram och tillbaka, fram och tillbaka, tills det går sönder, använder vi spänningshärdning. En vanlig metod är bekant för oss alla. Dess officiella namn är töjningshärdning men varje gång vi böjer lite stakettråd fram och tillbaka, fram och tillbaka, tills det går sönder, använder vi töjningshärdning. Det som händer är att den upprepade deformationen (böjning av tråden) driver befintliga förflyttningar genom materialet tills de bildar förskjutningsfiltringar som stoppar rörelsen. Eftersom detta gör metallen hårdare, istället för att kristallplan glider över varandra, motstår materialet, du fortsätter att böja den, sprickor bildas och tråden bryts.

Ett annat exempel på töjningshärdning är processen att ge pianotråd extrem draghållfasthet genom att dra den till mindre diameter genom en dyna. De höga deformationsgraden i trådritning skapar förskjutningsfiltringar som ger pianotråd sin extraordinära draghållfasthet på 300 000–400 000 psi.

Relaterad:

Image

The Harley-Davidson Eight-Valve Mystery

Vad och, lika viktigt, när bidrog Harry Ricardo till motorföretagets design med cylinderhuvud?

En annan vanlig form av metallförstärkning är härdning av fast lösning. Nästan slutet av 1800-talet började Winchester Repeating Arms Company lägga till små mängder nickel till det stål som det använde för gevärfat. I det här fallet är det faktum att atomer i olika metaller har olika storlekar som är viktiga. Nickeln upplöses i smält stål och när produkten svalnar, innehåller varje metallkristall i den en population av udda storlekar av nickelatomer. Detta skapar en belastning i kristallgitteret runt nickelatomen, vilket gör att den på ett användbart sätt hindrar förflyttningar av rörelse. Närvaron av en liten procentandel (säg 5 procent) nickelatomer ökade kraftigt hållfastheten och hårdheten hos det resulterande stålet. Hård lösning härdning får mig att tänka på att vara en passagerare med medelstol och en mycket stark person (nickelatomen) i gångstolen.

Aluminiumkolvarna i bil, lastbil och motorcykelmotorer får den höga temperaturhårdheten de behöver genom utfällning av hårda komplex av aluminium, koppar, järn och nickel. Utfällningshärdning är en annan mekanism för metallförstärkning. I denna mycket använda teknik förenas atomarter som tidigare upplöstes i smältan gradvis i det fasta ämnet för att bilda mycket hårda partiklar (de är ofta intermetalliska föreningar), som är mycket effektiva för att stoppa dislokationsrörelsen. Detta upptäcktes av misstag. Metallurgist Alfred Wilm letade efter ett sätt att göra patronfodral av den nya metallaluminiumen strax efter 1900. Efter att ha försökt och inte härda en aluminium-kopparlegering med vatten som släcktes från röd het, satte han provet åt sidan för helgen. När han mätte hårdheten en andra gång efter att han återvände till jobbet på måndag fann han att styrkan spontant ökade. Mekanismen för denna förändring förstods inte förrän röntgendiffraktionens kommande, vilket kan avslöja detaljerna i kristallstrukturen. Genom långsam spridning av atomer i den kylda metallen utfälldes hårda intermetalliska partiklar från den tidigare enhetliga metallblandningen.

Utfällningshärdning kallas också ibland åldershärdning. Z5D-legeringen från vilken Yamahas första chassi i aluminium tillverkades designades ursprungligen för tillverkning av svetsade aluminiumbilar. De som är bekanta med det amerikanska legeringssystemet vet att den gemensamma svetsbara legeringen 6061 kräver värmebehandling efter svets för att uppnå maximal hållfasthet. Eftersom det är svårt att hitta en värmebehandlingsugn i järnvägsvagn, utvecklades en åldershärdande legering som skulle återfå sin styrka spontant inom ungefär två veckor efter svetsning.

Mer från Kevin Cameron Aluminiumkolvarna i bil, lastbil och motorcykelmotorer får den höga temperaturhårdheten de behöver genom utfällning av hårda komplex av aluminium, koppar, järn och nickel. När tidiga nederbördhärdade gasturbinbladlegeringar togs i drift förvandlade den höga driftstemperaturen långsamt en mycket mängd population av små utfällna partiklar till en mindre population av större partiklar. Resultatet blev en gradvis nedgång i styrka.

Det kända exemplet på detta fenomen, känt som Ostwald-mognad, är grovningen av glass som hålls i en för varm frys. Det som tidigare varit slätt och krämigt (många små iskristaller) omvandlas till obehagligt knasiga (färre och större kristaller). I vissa fall antar den andra fasen (materialet som fälls ut som partiklar) formen av hårda "tegelstenar" i en mer mjuk matris, där de två intimt kopplas samman genom att deras interatomiska avstånd görs nära lika, ett tillstånd som kallas koherens. Detta är basen för material som används i ultrastyrka anslutningsstavsbultar för racing och andra applikationer med hög belastning.

Med tanke på effektiviteten av att fälla ut hårda faser ur kyllegeringar, tänkte metallurgister naturligtvis förbereda den hårda fasen (arna) separat och senare att sprida den genom ett material mekaniskt genom sådana medel som valsning eller tråddragning. En stor fördel med denna spridningsfasförstärkning är att den ger mycket förbättrad kontroll över partikelstorlek och population.

Vissa kolvmaterial med extraordinära egenskaper skapades genom spridningsfasförstärkning, men deras antagande i formel 1 stoppades av ett typiskt socialt problem: Tekniska regler antogs, som märkte spridningsfasmaterial som "kompositer" (som glasfiber eller aluminium förstärkt av superstarka borfibrer). Även om det som stärker konventionella utfällningshärdade aluminiumlegeringar också är hårda partiklar, ansågs de inte vara kompositer eftersom de bildades av elementen i den ursprungliga legeringen.