Vor dem Kaltverfestigen zeigt das Gitter des Materials ein regelmäßiges, nahezu fehlerfreies Muster (fast keine Versetzungen). Das fehlerfreie Gitter kann jederzeit durch Glühen erzeugt oder wiederhergestellt werden. Wenn das Material ausgehärtet wird, wird es zunehmend mit neuen Versetzungen gesättigt, und es wird verhindert, dass mehr Versetzungen keimen (es entsteht eine Resistenz gegen Versetzungsbildung). Dieser Widerstand gegen Versetzungsbildung manifestiert sich als Widerstand gegen plastische Verformung; daher die beobachtete Verstärkung.
In metallischen Kristallen ist dies ein reversibler Prozess und wird normalerweise im mikroskopischen Maßstab durch Defekte durchgeführt, die als Dislokationen bezeichnet werden und durch Schwankungen der lokalen Spannungsfelder innerhalb des Materials erzeugt werden, die in einer Gitterumlagerung gipfeln, wenn sich die Dislokationen durch das Gitter ausbreiten. Bei normalen Temperaturen werden die Versetzungen nicht durch Glühen vernichtet. Stattdessen sammeln sich die Versetzungen an, interagieren miteinander und dienen als Fixpunkte oder Hindernisse, die ihre Bewegung erheblich behindern. Dies führt zu einer Erhöhung der Streckgrenze des Materials und einer anschließenden Abnahme der Duktilität.
Eine solche Verformung erhöht die Konzentration von Versetzungen, die anschließend Niedrigwinkelkorngrenzen bilden können, die Teilkörner umgeben. Die Kaltumformung führt im Allgemeinen zu einer höheren Streckgrenze infolge der erhöhten Anzahl von Versetzungen und des Hall–Petch-Effekts der Teilkörner sowie zu einer Abnahme der Duktilität. Die Auswirkungen der Kaltumformung können durch Glühen des Materials bei hohen Temperaturen umgekehrt werden, wobei Rückgewinnung und Rekristallisation die Versetzungsdichte verringern.
Die Arbeitshärtbarkeit eines Materials kann durch Analyse einer Spannungs–Dehnungs-Kurve vorhergesagt oder im Kontext durch Härteprüfungen vor und nach einem Prozess untersucht werden.
Elastische und plastische Verformungbearbeiten
Die Kaltverfestigung ist eine Folge der plastischen Verformung, einer dauerhaften Formänderung. Dies unterscheidet sich von der elastischen Verformung, die reversibel ist. Die meisten Materialien zeigen nicht nur das eine oder andere, sondern eine Kombination aus beidem. Die folgende Diskussion gilt hauptsächlich für Metalle, insbesondere Stähle, die gut untersucht sind. Die Kaltverfestigung tritt vor allem bei duktilen Werkstoffen wie Metallen auf. Duktilität ist die Fähigkeit eines Materials, vor dem Bruch plastische Verformungen zu erfahren (z. B. Biegen eines Stahlstabs, bis er schließlich bricht).
Der Zugversuch wird häufig zur Untersuchung von Verformungsmechanismen eingesetzt. Dies liegt daran, dass die meisten Materialien unter Kompression triviale (Gitterfehlanpassung) und nicht triviale (Knick-) Ereignisse erfahren, bevor plastische Verformungen oder Brüche auftreten. Daher machen die Zwischenprozesse, die dem Material unter einachsiger Kompression vor dem Auftreten einer plastischen Verformung auftreten, den Druckversuch mit Schwierigkeiten behaftet.
Ein Material verformt sich im Allgemeinen elastisch unter dem Einfluss kleiner Kräfte; Das Material kehrt schnell in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die Verformungskraft entfernt wird. Dieses Phänomen wird als elastische Verformung bezeichnet. Dieses Verhalten in Materialien wird durch das Hookesche Gesetz beschrieben. Materialien verhalten sich elastisch, bis die Verformungskraft über die Elastizitätsgrenze hinaus ansteigt, die auch als Streckspannung bezeichnet wird. An diesem Punkt wird das Material dauerhaft verformt und kehrt nicht in seine ursprüngliche Form zurück, wenn die Kraft entfernt wird. Dieses Phänomen wird plastische Verformung genannt. Wenn man beispielsweise eine Schraubenfeder bis zu einem bestimmten Punkt streckt, kehrt sie in ihre ursprüngliche Form zurück, aber sobald sie über die Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt wird, bleibt sie deformiert und kehrt nicht in ihren ursprünglichen Zustand zurück.
Elastische Verformung dehnt die Bindungen zwischen Atomen aus ihrem Gleichgewichtsradius der Trennung, ohne genügend Energie aufzubringen, um die interatomaren Bindungen zu brechen. Plastische Verformung hingegen bricht interatomare Bindungen und beinhaltet daher die Umlagerung von Atomen in einem festen Material.
Versetzungen und Gitterdehnungsfeldebearbeiten
Im materialwissenschaftlichen Sprachgebrauch werden Versetzungen als Liniendefekte in der Kristallstruktur eines Materials definiert. Die die Dislokation umgebenden Bindungen sind durch den Defekt im Vergleich zu den Bindungen zwischen den Bestandteilen des regulären Kristallgitters bereits elastisch gespannt. Daher brechen diese Bindungen bei relativ geringen Spannungen, was zu einer plastischen Verformung führt.
Die verspannten Bindungen um eine Dislokation sind durch Gitterdehnungsfelder gekennzeichnet. Beispielsweise gibt es druckgespannte Bindungen direkt neben einer Kantenversetzung und spannungsgespannte Bindungen jenseits des Endes einer Kantenversetzung. Diese bilden Druckdehnungsfelder bzw. Zugdehnungsfelder. Dehnungsfelder sind in gewisser Weise analog zu elektrischen Feldern. Speziell, Die Dehnungsfelder von Versetzungen gehorchen ähnlichen Gesetzen der Anziehung und Abstoßung; um die Gesamtdehnung zu reduzieren, Druckspannungen werden von Zugspannungen angezogen, und umgekehrt.
Die sichtbaren (makroskopischen) Ergebnisse der plastischen Verformung sind das Ergebnis einer mikroskopischen Versetzungsbewegung. Beispielsweise wird die Dehnung eines Stahlstabes in einem Zugprüfgerät durch Versetzungsbewegung im atomaren Maßstab aufgenommen.
Zunahme von Versetzungen und Arbeitshärtungbearbeiten
Die Zunahme der Anzahl der Versetzungen ist eine Quantifizierung der Kaltverfestigung. Plastische Verformung tritt als Folge der Arbeit an einem Material auf; Energie wird dem Material hinzugefügt. Außerdem wird die Energie fast immer schnell genug und groß genug aufgebracht, um nicht nur vorhandene Versetzungen zu bewegen, sondern auch eine große Anzahl neuer Versetzungen zu erzeugen, indem das Material ausreichend rüttelt oder bearbeitet wird. Neue Versetzungen werden in der Nähe einer Frank–Read-Quelle erzeugt.
Die Streckgrenze wird in einem kaltgeformten Material erhöht. Unter Verwendung von Gitterdehnungsfeldern kann gezeigt werden, dass eine Umgebung, die mit Versetzungen gefüllt ist, die Bewegung einer beliebigen Versetzung behindert. Da die Versetzungsbewegung behindert wird, kann bei normalen Spannungen keine plastische Verformung auftreten. Bei Anwendung von Spannungen, die knapp über die Streckgrenze des nicht kaltbearbeiteten Materials hinausgehen, verformt sich ein kaltbearbeitetes Material weiterhin unter Verwendung des einzigen verfügbaren Mechanismus: elastische Verformung, das regelmäßige Schema des Dehnens oder Komprimierens elektrischer Bindungen (ohne Versetzungsbewegung) tritt weiterhin auf, und der Elastizitätsmodul ist unverändert. Schließlich ist die Spannung groß genug, um die Wechselwirkungen zwischen Dehnungsfeld und plastischer Verformung zu überwinden.
Die Duktilität eines Werkstoffs ist jedoch verringert. Die Duktilität ist das Ausmaß, in dem ein Material plastisch verformt werden kann, dh wie weit ein Material vor dem Bruch plastisch verformt werden kann. Ein kaltverformtes Material ist in der Tat ein normales (sprödes) Material, das bereits durch einen Teil seiner zulässigen plastischen Verformung verlängert wurde. Wenn Dislokationsbewegung und plastische Verformung durch Dislokationsakkumulation ausreichend behindert wurden und das Dehnen elektronischer Bindungen und die elastische Verformung ihre Grenze erreicht haben, tritt eine dritte Art der Verformung auf: Fraktur.
Quantifizierung der Arbeitshärtungbearbeiten
Die Festigkeit τ {\displaystyle \tau }
, der Versetzung ist abhängig vom Schermodul G, der Größe des Burgers-Vektors b und der Versetzungsdichte ρ ⊥ {\displaystyle \rho _{\perp }}
: τ = τ 0 + G α b ρ ⊥ 1/2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }
wobei τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
ist die intrinsische Festigkeit des Materials mit geringer Versetzungsdichte und α {\displaystyle \alpha }
ist ein materialspezifischer Korrekturfaktor.
Wie in Abbildung 1 und der obigen Gleichung gezeigt, hat die Kaltverfestigung eine halbe Wurzelabhängigkeit von der Anzahl der Versetzungen. Das Material weist eine hohe Festigkeit auf, wenn entweder hohe Versetzungen (mehr als 1014 Versetzungen pro m2) oder keine Versetzungen vorliegen. Eine moderate Anzahl von Versetzungen (zwischen 107 und 109 Versetzungen pro m2) führt typischerweise zu einer geringen Festigkeit.
ExampleEdit
Für ein Extrembeispiel wird ein Stahlstab in einem Zugversuch bis kurz vor die Länge gespannt, bei der er normalerweise bricht. Die Last wird sanft abgelassen und das Material entlastet einen Teil seiner Belastung, indem es in der Länge abnimmt. Die Abnahme der Länge wird als elastische Erholung bezeichnet, und das Endergebnis ist eine werkgehärtete Stahlstange. Der Anteil der zurückgewonnenen Länge (zurückgewonnene Länge / ursprüngliche Länge) ist gleich der Streckspannung dividiert durch den Elastizitätsmodul. (Hier diskutieren wir wahre Spannung, um die drastische Abnahme des Durchmessers in diesem Zugversuch zu berücksichtigen.) Die Länge, die nach dem Entfernen einer Last von einem Material kurz vor dem Bruch zurückgewonnen wird, ist gleich der Länge, die nach dem Entfernen einer Last kurz vor dem Eintritt in die plastische Verformung zurückgewonnen wird.
Der werkgehärtete Stahlstab hat eine ausreichend große Anzahl von Versetzungen, dass die Dehnungsfeldwechselwirkung jegliche plastische Verformung verhindert. Die nachfolgende Verformung erfordert eine Spannung, die linear mit der beobachteten Dehnung variiert.
Die werkstoffgehärtete Stahlstange bricht, wenn die angelegte Spannung die übliche Bruchspannung und die Dehnung die übliche Bruchdehnung überschreitet. Dies kann als Elastizitätsgrenze angesehen werden, und die Streckspannung ist jetzt gleich der Bruchzähigkeit, die viel höher ist als die Streckspannung eines nicht arbeitsgehärteten Stahls.
Der Betrag der möglichen plastischen Verformung ist Null, was kleiner ist als der Betrag der plastischen Verformung, der für ein nicht arbeitsgehärtetes Material möglich ist. Somit wird die Duktilität des kaltgeformten Stabes verringert.
Eine erhebliche und anhaltende Kavitation kann auch zu einer Dehnungshärtung führen.