How to make metal stronger by heat treating, alloying and strain hardening

Summary

В этом видео Доктор Билли У увлекательным образом рассматривает способы усиления материалов через их обработку. Он начинает с объяснения важности процессов, которые происходят вне равновесного состояния, таких как охлаждение, и их влияния на механические свойства. Затем Доктор У вводит три метода усиления: твердофазное упрочнение, деформационное упрочнение (холодная обработка) и упрочнение выделением. Он подробно описывает каждый из методов, используя примеры, такие как кованые мечи и шестерни, и объясняет, как атомные дефекты, размер гранул и термические обработки влияют на прочность и твердость материалов. Наконец, видео заканчивается обзором низколегированных сталей и их чувствительности к термическим обработкам, а также применением диаграмм времени-температуры-преобразования для определения скоростей охлаждения и микроструктур.

Takeaways

• 🛠️ Материалы могут быть укреплены через способ их обработки, что важно для улучшения их механических свойств.
• 🌡️ В производстве часто используются неравновесные условия, такие как скорость охлаждения, которые влияют на свойства материалов.
• 🗡️ Пример укрепления металла - ковка меча и его охлаждение водой после нагрева и формирования.
• ⚙️ Для шестерни можно использовать индукционное нагревание для получения твердой поверхности и гибкого ядра.
• 🔩 Есть три основных подхода к укреплению материалов: твердое растворение, деформация и упрочнение, и упрочнение выделением.
• 🧬 При твердом растворении добавление примесей в материал увеличивает его прочность и упругость благодаря затруднению движения дислокаций.
• 🌌 Различные типы примесей, как меньшие, так и большее, чем основные атомы, создают напряжение в решетке и увеличивают прочность.
• 🔍 Размер гранул в металле также сильно влияет на механические свойства, мелкие гранулы делают материал тверже.
• 🔄 Сtrain hardening или холодная обработка увеличивает прочность материала за счет его пластической деформации.
• 🌡️ Упрочнение выделением достигается через специальные термические обработки, которые позволяют образовывать вторичные фазы и затруднять движение дислокаций.
• ⏱️ TTT-диаграмма (график времени-температуры-преобразования) помогает понять, как различные скорости охлаждения влияют на структуру стали и ее свойства.

Q & A

Что означает термин 'упрочнение материалов' в контексте видео?

Упрочнение материалов - это процесс улучшения их механических свойств, таких как прочность и твердость, путем специальной обработки или добавления в них примесей.

Какие три подхода к упрочнению материалов охвачены в видео?

Три подхода к упрочнению материалов, охваченные в видео: упрочнение твердым раствором, упрочнение деформацией (холодная работа) и упрочнение выделением.

Почему высокочистоты металлы мягче сплавов?

Высокочистые металлы мягче сплавов, потому что в сплавах добавление примесей создает деформации решетки кристалла, что затрудняет движение дислокаций и увеличивает прочность.

Что такое дислокации и как они связаны с механическими свойствами материалов?

Дислокации - это линейные дефекты в кристаллическом материале. Их способность двигаться тесно связана с механическими свойствами материала, поскольку их движение определяет изменение формы материала под нагрузкой.

Как грани размера влияют на прочность металла?

Граничные грани мешают движению дислокаций, что увеличивает прочность материала. Более мелкие грани делают материал тверже и прочнее из-за большей стойкости передвижению дислокаций.

Что такое уравнение Холла-Патча и как оно помогает понять влияние размера граней?

Уравнение Холла-Патча связывает предельное упругое напряжение материала с базовым константным упругим напряжением, добавлением, которое пропорционально квадратному корню от размера грани. Оно помогает количественно оценить влияние размера граней на прочность.

Как холодная работа или упрочнение деформацией влияет на свойства материала?

Холодная работа или упрочнение деформацией увеличивает плотность дислокаций и уменьшает размер граней, что затрудняет их движение и увеличивает прочность материала, хотя обычно это сопровождается снижением упругости.

Что такое упрочнение выделением и как оно увеличивает прочность?

Упрочнение выделением - это процесс формирования равномерно распределенной и мелкой второстепенной фазы в материале через специальные термические обработки, что затрудняет движение дислокаций и увеличивает прочность.

Какие структуры или фазы могут образоваться в зависимости от скорости охлаждения стали?

В зависимости от скорости охлаждения в сталь могут образоваться крупнозернистая перлит, мелкозернистая перлит, бейнит, мартенсит и оттепливший мартенсит.

Чем являются диаграммы временно-температурного преобразования (ТТТ) и как они помогают понять процессы упрочнения?

Диаграммы временно-температурного преобразования (ТТТ) - это графики, на которых отображается, как температура и время влияют на образование различных структур в металлах. Они помогают понять, какие неравновесные структуры могут образоваться при различных скоростях охлаждения.

Какое влияние термические обработки оказывают на структуру и свойства стали?

Термические обработки, такие как закалка, нормализация, упрочнение и оттепление,允许通过改变 атомного распределения и структуры стали, что ведет к изменению ее механических свойств, таких как прочность, твердость и упругость.

Outlines

00:00

🔧 Процессы упрочнения материалов

Доктор Билли У в этом видео рассматривает способы упрочнения материалов через их обработку. Он подчеркивает важность понимания неравновесных условий, которые часто встречаются при производстве и могут значительно влиять на механические свойства материалов. Приводятся примеры, такие как ковка мечей путем закаливания и создание шероховатости шестерни с жестким внешним слоем и упругым сердцем. Также упоминается, что в видео будут рассмотрены три основных подхода к упрочнению: твердофазное упрочнение, деформационное упрочнение и упрочнение через выделение вторичного фазового состава.

05:07

🤖 Основы упрочнения твердофазным раствором и деформационным упрочнением

Второй параграф посвящён основным методам упрочнения материалов. Первый метод - твердофазное упрочнение, заключается в добавлении в сплав импurities, что увеличивает их прочность благодаря помехе движению дислокаций. Вторым методом является деформационное упрочнение или холодная обработка, которая усиливает материал путем его пластической деформации. Рассматривается влияние размера зерен на прочность, указывается, что мелкозернистые материалы обычно прочнее из-за большей стойкости передвижению дислокаций. Также упоминается уравнение Холл-Патча, которое связывает удельную прочность с размером зерен.

10:13

🔨 Упрочнение через выделение вторичного фазового состава и термообработку стали

В заключительном параграфе рассматривается третий метод упрочнения - выделение вторичного фазового состава, которое также затрудняет движение дислокаций и увеличивает прочность. Описание процесса упрочнения включает этапы: термообработка раствора, быстрый охлаждение, обработка выделения и охлаждение для фиксации структуры. Рассматривается пример сереброво-медного сплава с ограниченной твердофазной растворимостью и его этапы термообработки. Также обсуждается, как неправильная термообработка может привести к потере улучшительных свойств упрочнения. Затем параграф переходит к обсуждению термообработки стали, включая различные фазы и структуры, которые могут образоваться в зависимости от скорости охлаждения, и использования диаграмм времени-температуры-преобразования для определения кооперирования неравновесных структур.

Keywords

💡Упрочнение материалов

Упрочнение материалов - это процесс изменения свойств материалов для повышения их прочности и耐用性. В видео это основная тема, которая связывается с различными методами обработки материалов, такими как сплавление, холодная обработка и термическая обработка. Примеры из скрипта включают упрочнение клинка путем охлаждения в воде и создание зубьев шестерни с высокой твердостью и износостойкостью.

💡Сплавление

Сплавление - это процесс добавления примесей или других металлов в основной металл для получения сплава с определенными свойствами. В контексте видео, сплавление используется для упрочнения материалов, например, добавление никеля в медь повышает ее растяжимость и предел текучести.

💡Холодная обработка

Холодная обработка, также известная как деформация при холодных условиях, предполагает изменение формы или структуры金属材料通过塑性 деформацию при комнатной температуре или ниже. В видео это используется для увеличения упрочнения и твердости материалов, за счет увеличения плотности дисклляций и уменьшения размера зерен.

💡Термическая обработка

Термическая обработка - это процесс, при котором материал подвергается определенным температурным условиям для изменения его структуры и свойств. В видео термическая обработка включает упрочнение за счет образования второго фаза, таких как устойчивый FCC фаз, который называется мартенсит.

💡Дислокации

Дислокации - это дефекты в кристаллическом строении金属材料, которые влияют на их механическую прочность. В видео упоминается, что деформация материалов и вмешательство примесей затрудняют движение дислокаций, что увеличивает прочность.

💡Граничные зерна

Граничные зерна - это границы между зернами в кристаллическом материале, которые влияют на движение дислокаций. В видео говорится, что уменьшение размера зерен увеличивает количество граничных зерен, что затрудняет движение дислокаций и увеличивает прочность.

💡Уравновешенное состояние

Уравновешенное состояние - это состояние, в котором материал находится в термодинамической равновесной структуре. В видео упоминается, что многие производственные условия являются неравновешенными, и это влияет на механическую прочность материала.

💡Неравновешенное состояние

Неравновешенное состояние - это состояние, когда материал находится в структуре, которая не соответствует термодинамическому равновесию. В видео описывается, как быстрое охлаждение金属材料 может привести к неравновешенным структурам, таким как мартенсит.

💡Фазовые диаграммы

Фазовые диаграммы - это графические представления состояния материалов в зависимости от температуры и состава. В видео упоминается, что фазовые диаграммы помогают понять, как структура и свойства материалов меняются при различных условиях.

💡Время-температура-преобразование

Время-температура-преобразование (ТТП) - это диаграмма, которая показывает, как скорость охлаждения влияет на структурные преобразования в金属材料. В видео TTT-диаграмма используется для иллюстрации того, как различные скорости охлаждения приводят к разным фазам в стале, таким как перлит, бейнит и мартенсит.

💡Сталь

Сталь - это сплав железа и углерода, который широко используется в инженерии и промышленности из-за своей прочности и износостойкости. В видео описывается, как термические обработки и холодная обработка влияют на структуру и свойства стали, такие как упрочнение за счет образования перлита, бейнитa и мартенситa.

Highlights

Dr. Billy Wu discusses methods to make materials stronger through processing techniques.

Importance of understanding non-equilibrium conditions in manufacturing for material properties.

Example of sword making using quenching to increase metal strength.

Gear manufacturing example requiring high hardness and ductility through selective heating and cooling.

Three approaches for material strengthening: solid solution hardening, strain hardening, and precipitation hardening.

Solid solution hardening increases strength by alloying with impurities that impede dislocation movement.

Grain size influences mechanical properties, with finer grains leading to increased strength.

Hall-Petch equation quantifies the relationship between grain size and yield strength.

Strain hardening or cold working increases strength at the cost of ductility.

Precipitation hardening forms a dispersed second phase to impede dislocation movement and increase strength.

Heat treatment processes for precipitation hardening involve solution and precipitation heat treatments.

Silver-copper alloy example demonstrates the precipitation hardening process and the formation of a supersaturated phase.

Overaging effect in precipitation hardening can lead to loss of strength improvements.

Different heat treatments for steel result in various non-equilibrium phases like pearlite, bainite, and martensite.

Tempering process restores ductility to brittle martensite in steel.

Time-temperature-transformation (TTT) diagrams for understanding cooling rates and resulting microstructures.

Summary of how alloying, cold working, and heat treatments can make materials stronger.

Transcripts

Hi, I’m Dr. Billy Wu and in this video we’ll be  talking about how we can make materials stronger  

through the way we process them. This follows  on from 2 previous videos where we discussed  

equilibrium phase diagrams and steels, so  if you haven’t checked those out please do.

So first of all lets explore  why this is important.

In previous videos we explored how  the mechanical properties of materials  

vary depending on their composition and  resulting equilibrium microstructures. However,  

in many cases the manufacturing conditions are  under non-equilibrium conditions. Here factors  

such as the cooling rate dramatically affect the  resulting mechanical properties of a material.

One example is in sword making, where we might  want to increase the strength of the metal  

by quenching this in water after  we’ve heated and formed the sword.

In another example, we might have a gear, where  we want the teeth to have extremely high hardness  

and wear resistance but still have a ductile  core. Here, we might use approaches such as  

induction heating to selective heat a  region and then rapidly cool this to  

have a hard outer shell but ductile centre.  In both of these cases, we are looking at  

non-equilibrium processes and having a detailed  understanding of what is actually going on  

will help us to better select appropriate  materials and their manufacturing processes.

So, at a high level there are 3  approaches for strengthening a material,  

that we’ll cover in this video.

The first is solid solution hardening,  where we alloy a material with an impurity.

The second is strain hardening, or cold working,  

where we plastically deform a  material to enhance it’s strength.

And finally precipitation hardening, where we form  a 2nd well dispersed and small phase in a material  

through specific heat treatment processes.

So lets start with solid solution hardening.

Now in nearly all cases, high purity metals  are softer than their alloys and increasing  

the amount of impurities increases  their tensile and yield strength,  

which you can see in the  nickel-copper alloy example.

The reason for this increase in the strength  is due to the impurities in the material  

impeding the movement of dislocations.

In crystalline materials, a dislocation is a  linear defect in the material, and the ability for  

these dislocations to move is strongly correlated  to the mechanical properties of this material.

In terms of the type of impurities and their  impact, we can alloy in an element which is  

smaller than the host solvent atoms  to create a tensile lattice strain.

Alternatively, we can alloy the material with  a solute which is larger than the host element  

resulting in a compressive lattice strain. In  both of these cases, the lattice strain makes it  

more difficult for these dislocations to move,  which results in an increase in the strength.

Now, beyond atomic level influences, the size of  the individual grains in a metal also has a strong  

influence on the mechanical properties. Again  this is related to the mobility of dislocations  

within the material, as these dislocations have  to happen over these grain boundaries during  

plastic deformation. Therefore grain boundaries  act as barriers to the dislocation movement

A fine grained material, therefore tends to be  harder and stronger, as there is more resistance  

to dislocation movement. Processing conditions, in  particular, have a strong influence on the size of  

these grains. Here we can see for a metal alloy  which has been annealed (or heated) at 550 °C for  

1 hour, has smaller grains than the same material  which has been annealed for 1 hour at 650 °C,  

as the higher temperatures allow  for larger grains to develop.

So, clearly there is a relationship between  the grain size and the mechanical properties  

but how do we quantify this. One basic  approach is to use the Hall-Petch equation  

which relates the yield strength of a material  to a baseline constant yield stress value,  

sigma i, plus a contribution from a constant  k divided by the square root of the average  

grain size. This helps us to get a basic  understanding of the influence of grain size.

Now, previously we saw that we can control the  grain size through controlling the temperature  

but we can also do so by strain hardening,  or cold working, the material, whereby it  

becomes stronger through plastic deformation. This  effect can be seen with steel, brass and copper.

Here, we can define the degree of plastic  deformation by the amount of cold working,  

which we can take as the difference  in the cross sectional area before  

and after deforming a metal,  over the original area.

However, whilst the strength of a material  increases, this often comes at the cost  

of decreased ductility, so the balance  between the 2 properties needs to be made.

And in terms of what is going on, strain  hardening increases the dislocation density,  

therefore making it harder to deform the material  as there are more dislocations per unit volume  

and also the grains have become smaller  providing additional barriers to their movement.

Finally, we have precipitation hardening  as a means of strengthening a material.  

Here a small and uniformly dispersed phase is  formed in the original phase which again has  

the impact of impeding dislocation movement and  thus increasing the strength of the material.

This can be achieved by specific  heat treatment processes  

which allow for non-thermodynamic,  or meta-stable, structures to exist.

For precipitation hardening  this is achieved in 2 stages.

Solution heat treatment where  by a supersaturated single phase  

is created by quenching a material rapidly.

And a second precipitation heat treatment  phase where the material is reheated  

to allow for the formation of  small dispersions of a 2nd phase.

Now lets have a closer look at what’s actually  going on in this process. Here, lets take the  

example of a silver-copper alloy which has limited  solid solubility as shown in this phase diagram.

If we select a low silver composition  and heat the material up to T0  

which is in the single phase alpha region  we have a homogeneous single phase material.

Then if we rapidly cool the material from T0  to T1 we enter into the alpha plus beta region,  

however, because we’ve cooled the material  so fast, this doesn’t give enough time for  

atoms to diffuse to their thermodynamically  preferred position and as such we end up with  

a supersaturated alpha phase, where the beta  phase has not had time to precipitate out.

Now in the next stage we have the  precipitation heat treatment process.

Here, the supersaturated alpha is heated to T2  which is still within the alpha plus beta region,  

but at the higher temperature diffusion happens  faster and beta particles can start to form.

After holding the material at  T2 for a set amount of time,  

it is then cooled to lock in the structure.  At this point the cooling rates are less  

important but doing this faster allows for the  desired structure to be locked in. Now at this  

stage the materials microstructure consists of  grains of alpha with small precipitates of beta.  

Given that this is meta-stable, there  is often significant lattice strains  

and the small precipitates help to further impede  dislocation movement and thus increase strength.

However, if the heat treatment  process is not properly controlled,  

we can lose the beneficial  strengthening properties.

Now, we know strength and hardness  increase is a function of temperature  

and the time which controls the precipitation  of the highly dispersed and fine beta particles  

from the supersaturated alpha phase.

However, if the material is heated for too  long, the 2nd phase keeps growing such that  

the thermodynamic structure is achieved, leading  to a loss of the strength increase. This effect  

is called overaging, and can happen at  room temperature with some materials.

Now finally lets look different forms of  low alloy steels which are alloys of iron  

and carbon. We’re interested in this system  since steel is such as commonly used material.

A detailed summary of steel  was provided in another video  

but lets quickly revisit this here. The eutectoid  composition of steel at room temperature  

consists of a lamella like structure of soft  ferrite and hard cementite, we call pearlite  

which transformed from a gamma austenite phase.

At high temperatures and  relatively low carbon compositions,  

we have a single phase austinite material.

As we cool this material down, we enter  into a 2 phase ferrite and austinite phase.

And finally as we continue to cool, we enter into  a 2 phase ferrite plus cementite region, where the  

remaining austenite has transformed into pearlite,  which is held together by pro-eutectoid ferrite.

Here equilibrium transformations are  driven by the diffusion of atoms. However,  

if the rate of cooling is too fast, then the  carbon atoms don’t have enough time to reach  

their thermodynamically stable locations resulting  in the formation of other structures or phases

Now if we start to look at how different  heat treatments affect the structure of steel  

we see that we can form  various non-equilibrium phases.

When we do full annealing of the steel,  which is a very slow furnace cooling,  

this leads to the formation of coarse pearlite.

If we then cool this slightly faster  through a normalising processing  

which is a faster air cooling, we =still  form pearlite but with a finer structure.

Then if we cool even faster,  say with a forced air cooling,  

we form even finer structures of ferrite  and cementite which we call bainite.

Finally if we quench the material in  water, which cools it down very rapidly,  

giving no time for the carbon to  diffuse, we form a meta-stable FCC phase  

which we call martensite which is extremely  hard and brittle. In reality, martensite,  

is too brittle to be used in most applications,  so by tempering, or reheating the material,  

we can form tempered martensite to  restore some degree of ductility.

So evidently heat treatments involve  non-equilibrium processes and are used  

to alter the microstructure to  achieve the desired properties  

but how can we quantify the rates of cooling  and the resulting microstructures a bit more.

Well in this case we can use the  time-temperature-transformation diagram,  

or TTT plot.

Here we have temperature on the y-axis and  time on the x-axis. For the iron-carbon TTT  

plot we have a few features to note. First of  all we have the eutectoid temperature, where  

above this we have a stable austenite phase and  below this we have an unstable austenite phase.

We then have several contours which represent  the point at which pearlite starts to form  

and when this has finished to form 100% pearlite.

At the bottom, we also see the point  at which martensite starts to form.

Now, if we have a slow cooling process, which is  represented by a line with a shallow gradient, we  

can see we end up into the complete ferrite plus  cememtite region where we form coarse pearlite.

As we increase the rate of cooling,  we gradually form fine pearlite

And then bainite, which has extremely  thin ferrite and cementite regions.

And finally, if we quench the hot steel, we  rapidly cool the material such that it never  

enters into the pearlite region and instead only  forms martensite. Therefore, these TTT diagrams  

are useful for understanding the non-equilibrium  structures which form at different cooling rates.

So to summarise.

Material properties clearly vary significantly  with both composition and processing conditions.

In the case of solid solution hardening,  we alloy a material with impurities which  

introduces lattice strains which  impede dislocation movement.

Grain boundaries also hinder this dislocation  movement, and if we decrease the size of these  

grains through processes such as  strain hardening or cold working,  

we can decrease the grain size and increase the  dislocation density to increase the strength.

Thirdly, we can use precipitation hardening  to form a highly dispersed 2nd phase  

which again hinders dislocation movement. This  is achieved through a 2-stage heat treatment,  

whereby we first perform a solid solution heat  treatment to create a supersaturated material.  

Then we reheat the material to  form the 2nd phase of precipitates.  

However, if this heating process occurs for too  long, then the grains keep growing and eventually  

the equilibrium microstructure is achieved  again which loses the strength improvements.

In the case of steel, the strength  is very sensitive to heat treatments,  

where depending on the cooling rate,  structures including coarse and fine pearlite,  

bainite, martensite and  tempered martensite can form.

Finally, we looked at how we can quantify  and map out the influence of these cooling  

rates and resulting microstructures using  time-temperature-transformation plots.

So, thank you for listening and hopefully  this video has been a useful introduction  

into how we can make materials stronger, through  processes such as alloying, cold working and heat  

treatments. Again, this video follows on from  previous videos on equilibrium phase diagrams  

and steels so if any of the concepts  weren’t clear please do check them out.