før arbejdshærdning udviser materialets gitter et regelmæssigt, næsten fejlfrit mønster (næsten ingen forskydninger). Det fejlfrie gitter kan til enhver tid oprettes eller gendannes ved udglødning. Da materialet er arbejdshærdet, bliver det mere og mere mættet med nye dislokationer, og flere dislokationer forhindres i at nucleere (en modstand mod dislokationsdannelse udvikler sig). Denne modstand mod dislokation-dannelse manifesterer sig som en modstand mod plastisk deformation; dermed den observerede styrkelse.
i metalliske krystaller er dette en reversibel proces og udføres normalt i mikroskopisk skala af defekter kaldet dislokationer, som er skabt af udsving i lokale stressfelter i materialet, der kulminerer i en gitteromlægning, når dislokationerne formerer sig gennem gitteret. Ved normale temperaturer udslettes dislokationerne ikke ved udglødning. I stedet akkumuleres dislokationerne, interagerer med hinanden og tjener som fastgørelsespunkter eller forhindringer, der markant hindrer deres bevægelse. Dette fører til en stigning i materialets udbyttestyrke og et efterfølgende fald i duktilitet.
sådan deformation øger koncentrationen af dislokationer, som efterfølgende kan danne lavvinklede korngrænser omkring underkorn. Koldbearbejdning resulterer generelt i en højere udbyttestyrke som et resultat af det øgede antal forskydninger og Hall–Petch-effekten af underkornene og et fald i duktilitet. Virkningerne af koldbearbejdning kan vendes ved udglødning af materialet ved høje temperaturer, hvor genvinding og omkrystallisation reducerer dislokationstætheden.
et materiales arbejdshærdbarhed kan forudsiges ved at analysere en stress–belastningskurve eller studeres i sammenhæng ved at udføre hårdhedstest før og efter en proces.
elastisk og plastisk deformationredit
arbejdshærdning er en konsekvens af plastisk deformation, en permanent ændring i form. Dette adskiller sig fra elastisk deformation, som er reversibel. De fleste materialer udviser ikke kun det ene eller det andet, men snarere en kombination af de to. Den følgende diskussion gælder for det meste metaller, især stål, som er godt undersøgt. Arbejdshærdning forekommer især for duktile materialer såsom metaller. Duktilitet er et materiales evne til at gennemgå plastiske deformationer før brud (for eksempel bøjning af en stålstang, indtil den endelig går i stykker).
trækprøven bruges i vid udstrækning til at studere deformationsmekanismer. Dette skyldes, at de fleste materialer under kompression vil opleve trivielle (gittermismatch) og ikke-trivielle (buckling) begivenheder, før plastisk deformation eller brud opstår. Derfor gør de mellemliggende processer, der forekommer i materialet under enaksial kompression før forekomsten af plastisk deformation, kompressionstesten fyldt med vanskeligheder.
et materiale deformeres generelt elastisk under påvirkning af små kræfter; materialet vender hurtigt tilbage til sin oprindelige form, når deformeringskraften fjernes. Dette fænomen kaldes elastisk deformation. Denne adfærd i materialer er beskrevet af Hookes lov. Materialer opfører sig elastisk, indtil deformeringskraften stiger ud over den elastiske grænse, som også er kendt som udbyttespændingen. På det tidspunkt deformeres materialet permanent og vender ikke tilbage til sin oprindelige form, når kraften fjernes. Dette fænomen kaldes plastisk deformation. For eksempel, hvis man strækker en spiralfjeder op til et bestemt punkt, vender den tilbage til sin oprindelige form, men når den først er strakt ud over den elastiske grænse, forbliver den deformeret og vender ikke tilbage til sin oprindelige tilstand.
elastisk deformation strækker bindingerne mellem atomer væk fra deres ligevægtsradius for adskillelse uden at anvende nok energi til at bryde de interatomiske bindinger. Plastisk deformation bryder på den anden side interatomiske bindinger og involverer derfor omlejring af atomer i et fast materiale.
dislokationer og gitterstamme fieldsEdit
i materialevidenskabssprog defineres dislokationer som linjefejl i et materiales krystalstruktur. Bindingerne omkring dislokationen er allerede elastisk anstrengt af defekten sammenlignet med bindingerne mellem bestanddelene i det almindelige krystalgitter. Derfor bryder disse bindinger ved relativt lavere belastninger, hvilket fører til plastisk deformation.
de anstrengte bindinger omkring en dislokation er kendetegnet ved gitterstamme felter. For eksempel er der kompressivt anstrengte bindinger direkte ved siden af en kantforskydning og tensilt anstrengte bindinger ud over enden af en kantforskydning. Disse danner henholdsvis trykbelastningsfelter og trækbelastningsfelter. Stammefelter er analoge med elektriske felter på visse måder. Specifikt overholder belastningsfelterne for forskydninger lignende love om tiltrækning og frastødning; for at reducere den samlede belastning tiltrækkes kompressionsstammer til trækstammer og omvendt.
de synlige (makroskopiske) resultater af plastisk deformation er resultatet af mikroskopisk dislokationsbevægelse. For eksempel er strækningen af en stålstang i en trækprøve indkvarteret gennem dislokationsbevægelse på atomskalaen.
forøgelse af forskydninger og arbejdshærdningrediger
forøgelse af antallet af dislokationer er en kvantificering af arbejdshærdning. Plastisk deformation opstår som en konsekvens af arbejde, der udføres på et materiale; energi tilsættes materialet. Derudover anvendes energien næsten altid hurtigt nok og i stor nok størrelse til ikke kun at bevæge eksisterende forskydninger, men også til at producere et stort antal nye forskydninger ved at knuse eller arbejde materialet tilstrækkeligt nok. Nye forskydninger genereres i nærheden af en Frank–Read kilde.
udbyttestyrken øges i et koldbearbejdet materiale. Ved hjælp af gitterstamme felter kan det vises, at et miljø fyldt med dislokationer vil hindre bevægelsen af en hvilken som helst dislokation. Fordi dislokationsbevægelse hindres, kan plastisk deformation ikke forekomme ved normale belastninger. Efter påføring af spændinger lige ud over udbyttestyrken for det ikke-koldbearbejdede materiale vil et koldbearbejdet materiale fortsætte med at deformere ved hjælp af den eneste tilgængelige mekanisme: elastisk deformation, den regelmæssige ordning med strækning eller komprimering af elektriske bindinger (uden dislokationsbevægelse) fortsætter med at forekomme, og elasticitetsmodulet er uændret. Til sidst er stresset stort nok til at overvinde belastningsfeltinteraktionerne, og plastisk deformation genoptages.
imidlertid reduceres duktiliteten af et arbejdshærdet materiale. Duktilitet er i hvilket omfang et materiale kan gennemgå plastisk deformation, det vil sige, det er hvor langt et materiale kan deformeres plastisk før brud. Et koldbearbejdet materiale er faktisk et normalt (sprødt) materiale, der allerede er blevet udvidet gennem en del af dets tilladte plastiske deformation. Hvis dislokationsbevægelse og plastisk deformation er blevet forhindret nok ved dislokationsakkumulering, og strækning af elektroniske bindinger og elastisk deformation har nået deres grænse, forekommer en tredje deformationstilstand: fraktur.
kvantificering af arbejdshærdningrediger
styrken, lad {\displaystyle \ tau }
, af dislokation er afhængig af forskydningsmodulet, G, størrelsen af Burgervektoren, b og dislokationstætheden, liter {\displaystyle \Rho _ {\perp}}
: 0+1 / 2 {\displaystyle \Tau =\Tau _{0} + g\Alpha B\Rho _ {\perp }^{1/2}\ }
hvor 0 {\displaystyle \ tau _{0}}
er den indre styrke af materialet med lav dislokationstæthed og prisT {\displaystyle \ alpha }
er en korrektionsfaktor, der er specifik for materialet.
som vist i Figur 1 og ligningen ovenfor har arbejdshærdning en halv rodafhængighed af antallet af dislokationer. Materialet udviser høj styrke, hvis der enten er høje niveauer af dislokationer (større end 1014 dislokationer pr.m2) eller ingen dislokationer. Et moderat antal dislokationer (mellem 107 og 109 dislokationer pr.m2) resulterer typisk i lav styrke.
Eksempelredit
for et ekstremt eksempel, i en trækprøvning en bar af stål er anstrengt til lige før den længde, hvor det normalt frakturer. Belastningen frigives jævnt, og materialet lindrer noget af dets belastning ved at falde i længden. Faldet i længden kaldes det elastiske opsving, og slutresultatet er en arbejdshærdet stålstang. Fraktionen af den genvundne længde (den genvundne længde/den oprindelige længde) er lig med udbyttespændingen divideret med elasticitetsmodulet. (Her diskuterer vi ægte stress for at tage højde for det drastiske fald i diameter i denne trækprøve.) Længden genvundet efter fjernelse af en belastning fra et materiale lige før det går i stykker, er lig med længden genvundet efter fjernelse af en belastning lige før den kommer ind i plastisk deformation.
den arbejdshærdede stålstang har et stort nok antal forskydninger, at belastningsfeltinteraktionen forhindrer al plastisk deformation. Efterfølgende deformation kræver en spænding, der varierer lineært med den observerede belastning, hældningen af grafen for stress vs. stamme er elasticitetsmodulet som normalt.
den arbejdshærdede stålstangbrud, når den påførte spænding overstiger den sædvanlige brudspænding, og stammen overstiger den sædvanlige brudstamme. Dette kan betragtes som den elastiske grænse, og udbyttespændingen er nu lig med brudsejheden, hvilket er meget højere end en ikke-arbejdshærdet ståludbyttespænding.
mængden af plastisk deformation mulig er nul, hvilket er mindre end mængden af plastisk deformation mulig for et ikke-arbejdshærdet materiale. Således reduceres duktiliteten af den koldbearbejdede bar.
betydelig og langvarig kavitation kan også producere strain hærdning.