Как повысить прочность?

Все материалы, которые мы используем, так или иначе не являются «природными». Они специально разработаны для определенных условий эксплуатации. Помимо того, что идёт постоянная работа над химическим составом материала в поиске оптимальных соотношений, есть ещё и стандартные подходы для увеличения прочностных свойств (а лучше сказать — механических свойств), которые применяются инженерами. О них и поговорим в этой публикации.

Для начала отметим, что речь в заметке идёт про металлические сплавы (мы уже обсуждали что такое сплав в этой статье), но описываемые методики улучшения свойств часто применяются и для других материалов.

Сделать структуру равновесной

Тем, кто видел структуру сплава в микроскоп, известно, что металл представляет собой группу зерен неравномерной формы. Такая структура при механических воздействиях ведёт себя не совсем корректно — возникают концентраторы напряжений и действуют моменты сил.

Соответственно, первый путь сделать материал более прочным — это выровнять структуру. Все зернышки должно выйти одинаковыми. Для «выравнивания» структуры используется множество методик. Должно получиться нечто такое:

Провести термическую обработку

Термическая обработка — это настоящий кит, на котором стоит современное материаловедение. Благодаря термической обработке удается придавать уникальные свойства самым обычным материалам. Вспомним ту же керамику, которая без обработки крошится в руках. Также ведут себя и многие металлы (только они не крошатся:)…). Значит, если провести термическую или химико-термическую обработку, мы получим новые свойства.

Собственно, термическая обработка заключается в разогреве образца до критических точек и его последующем охлаждении. В результате такого действия происходят структурные и фазовые превращения. Если же добавить к этому специфическую атмосферу, то выйдет химико-термическая обработка.

Легировать сплав

Легирование — это способ повышения механических свойств путем добавления к исходному материалу некоторых химических присадок. Присадка вступает во взаимодействие со внутреннем строением исходного образца и образует новые фазы или способствует формирование таких элементов, как химическое соединение или фаза внедрения.

Например, подобный эффект используется при создании нержавеющих сплавов. Там к железо-углеродистому сплаву добавляют хром. Хром образует новые соединения, способные образовывать на поверхности сплава прочную защитную пленку, которая мешает окислению.

Провести обработку металла давлением

В металлических сплавах существует интересное явление. Называется оно наклеп. Наклеп — это образование специфической структуры в образце в результате механических воздействий. Как правило, это ориентация структуры в некотором направлении.

Отметим, что кроме изменения внешнего облика, меняется и состояние. В металле формируется механическое напряжение. Это внутреннее напряжение позволяет образцу легче воспринимать внешние нагружения.

Работает эта штука примерно как складка на листе бумаги. Скомканная бумага обычно прочнее, чем лист бумаги.

Создание композитного материала

Мы обсуждали композитные материалы в этой статье.

В данном случае, логика композита хоть и сохраняется, но полученный материал композитным не является.

Что такое обычный композитный материал? Это несколько материалов, объединенные в одном. Самый понятный пример — это железобетон. Арматура исключает хрупкость, а бетон несет основную нагрузку.

Как это применяется в структуре? Например, формируются такие фазы или структурные элементы, которые обладают рассеивающим (для напряжений) эффектом или укрепляют имеющуюся конструкцию.

Например, подобная логика используется в чугунах. Обратите внимание на картинку, где приведена структура чугуна, в которой присутствует шаровидный графит. На таком графите рассеиваются напряжения и не происходит концентрации.

Вот такие пять способов используются. Есть и другие способы. Если вам интересно об этом узнать, то обязательно пишите об этом в комментариях!