Antes del endurecimiento de trabajo, la red del material exhibe un patrón regular, casi sin defectos (casi sin dislocaciones). La celosía sin defectos se puede crear o restaurar en cualquier momento mediante recocido. A medida que el material se endurece por el trabajo, se satura cada vez más con nuevas dislocaciones, y se evita que más dislocaciones se nucleen (se desarrolla una resistencia a la formación de dislocaciones). Esta resistencia a la formación de dislocaciones se manifiesta como una resistencia a la deformación plástica; por lo tanto, el fortalecimiento observado.
En cristales metálicos, este es un proceso reversible y generalmente se lleva a cabo a escala microscópica por defectos llamados dislocaciones, que se crean por fluctuaciones en los campos de tensión locales dentro del material que culminan en un reordenamiento de la red a medida que las dislocaciones se propagan a través de la red. A temperaturas normales, las dislocaciones no se aniquilan mediante recocido. En cambio, las dislocaciones se acumulan, interactúan entre sí y sirven como puntos de sujeción u obstáculos que impiden significativamente su movimiento. Esto conduce a un aumento en el límite elástico del material y una disminución posterior en la ductilidad.
Tal deformación aumenta la concentración de dislocaciones que posteriormente pueden formar límites de grano de ángulo bajo que rodean los subgranulos. El trabajo en frío generalmente da lugar a un mayor límite elástico como resultado del mayor número de dislocaciones y el efecto Hall–Petch de los sub-granos, y una disminución de la ductilidad. Los efectos del trabajo en frío se pueden revertir recociendo el material a altas temperaturas, donde la recuperación y la recristalización reducen la densidad de dislocación.
La capacidad de endurecimiento por trabajo de un material puede predecirse analizando una curva de esfuerzo–deformación, o estudiarse en contexto realizando pruebas de dureza antes y después de un proceso.
Deformación elástica y plásticaeditar
El endurecimiento por trabajo es una consecuencia de la deformación plástica, un cambio permanente en la forma. Esto es distinto de la deformación elástica, que es reversible. La mayoría de los materiales no exhiben solo uno u otro, sino más bien una combinación de los dos. La siguiente discusión se aplica principalmente a los metales, especialmente los aceros, que están bien estudiados. El endurecimiento por trabajo se produce sobre todo para materiales dúctiles como los metales. La ductilidad es la capacidad de un material para sufrir deformaciones plásticas antes de la fractura (por ejemplo, doblar una varilla de acero hasta que finalmente se rompe).
La prueba de tracción se usa ampliamente para estudiar mecanismos de deformación. Esto se debe a que bajo compresión, la mayoría de los materiales experimentarán eventos triviales (desajuste de celosía) y no triviales (pandeo) antes de que ocurra la deformación plástica o la fractura. Por lo tanto, los procesos intermedios que ocurren en el material bajo compresión uniaxial antes de la incidencia de deformación plástica hacen que la prueba de compresión esté plagada de dificultades.
Un material generalmente se deforma elásticamente bajo la influencia de pequeñas fuerzas; el material regresa rápidamente a su forma original cuando se elimina la fuerza de deformación. Este fenómeno se denomina deformación elástica. Este comportamiento en los materiales está descrito por la Ley de Hooke. Los materiales se comportan elásticamente hasta que la fuerza de deformación aumenta más allá del límite elástico, lo que también se conoce como tensión de fluencia. En ese punto, el material se deforma permanentemente y no vuelve a su forma original cuando se elimina la fuerza. Este fenómeno se denomina deformación plástica. Por ejemplo, si se estira un muelle helicoidal hasta cierto punto, volverá a su forma original, pero una vez que se estire más allá del límite elástico, permanecerá deformado y no volverá a su estado original.
La deformación elástica estira los enlaces entre átomos lejos de su radio de equilibrio de separación, sin aplicar suficiente energía para romper los enlaces interatómicos. La deformación plástica, por otro lado, rompe los enlaces interatómicos y, por lo tanto, implica la reorganización de los átomos en un material sólido.
Dislocaciones y campos de deformación de celosíaeditar
En el lenguaje de la ciencia de los materiales, las dislocaciones se definen como defectos de línea en la estructura cristalina de un material. Los enlaces que rodean la dislocación ya están elásticamente tensados por el defecto en comparación con los enlaces entre los constituyentes de la red cristalina regular. Por lo tanto, estos enlaces se rompen a tensiones relativamente bajas, lo que lleva a la deformación plástica.
Los enlaces tensados alrededor de una dislocación se caracterizan por campos de deformación de celosía. Por ejemplo, hay enlaces tensados de forma compresiva directamente al lado de una dislocación de borde y enlaces tensados más allá del extremo de una dislocación de borde. Estos forman campos de deformación por compresión y campos de deformación por tracción, respectivamente. Los campos de deformación son análogos a los campos eléctricos en ciertas formas. Específicamente, los campos de deformación de las dislocaciones obedecen leyes similares de atracción y repulsión; con el fin de reducir la deformación general, las tensiones compresivas son atraídas por las tensiones de tracción, y viceversa.
Los resultados visibles (macroscópicos) de la deformación plástica son el resultado del movimiento de dislocación microscópico. Por ejemplo, el estiramiento de una varilla de acero en un probador de tracción se acomoda a través del movimiento de dislocación en la escala atómica.
Aumento de dislocaciones y endurecimiento del trabajoedItar
El aumento del número de dislocaciones es una cuantificación del endurecimiento por trabajo. La deformación plástica se produce como consecuencia del trabajo que se realiza en un material; se agrega energía al material. Además, la energía casi siempre se aplica lo suficientemente rápido y en una magnitud lo suficientemente grande para no solo mover dislocaciones existentes, sino también para producir un gran número de nuevas dislocaciones al sacudir o trabajar el material lo suficiente. Se generan nuevas dislocaciones en la proximidad de una fuente de lectura franca.
El límite elástico se incrementa en un material trabajado en frío. Utilizando campos de deformación de celosía, se puede demostrar que un entorno lleno de dislocaciones obstaculizará el movimiento de cualquier dislocación. Debido a que el movimiento de dislocación se ve obstaculizado, la deformación plástica no puede ocurrir con tensiones normales. Al aplicar esfuerzos justo más allá del límite elástico del material no trabajado en frío, un material trabajado en frío continuará deformándose utilizando el único mecanismo disponible: deformación elástica, el esquema regular de estiramiento o compresión de enlaces eléctricos (sin movimiento de dislocación) continúa ocurriendo, y el módulo de elasticidad no cambia. Con el tiempo, el estrés es lo suficientemente grande como para superar las interacciones entre el campo de deformación y la deformación plástica.
Sin embargo, la ductilidad de un material endurecido por trabajo disminuye. La ductilidad es la medida en que un material puede sufrir deformación plástica, es decir, la medida en que un material puede deformarse plásticamente antes de la fractura. Un material trabajado en frío es, en efecto, un material normal (frágil) que ya se ha extendido a través de parte de su deformación plástica permitida. Si el movimiento de dislocación y la deformación plástica se han visto lo suficientemente obstaculizados por la acumulación de dislocaciones, y el estiramiento de los enlaces electrónicos y la deformación elástica han alcanzado su límite, se produce un tercer modo de deformación: fractura.
Cuantificación del endurecimiento del trabajoedItar
La fuerza, τ {\displaystyle \ tau }
, de dislocación depende del módulo de corte, G, la magnitud del vector Burgers, b, y la densidad de dislocación, ρ {{\displaystyle \rho _ {\perp }}
: τ = τ 0 + G ρ α b ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\asesino }^{1/2}\ }
donde τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
es la fuerza intrínseca de los materiales con baja densidad de dislocación y α {\displaystyle \alpha }
es un factor de corrección específicas para el material.
Como se muestra en la Figura 1 y en la ecuación anterior, el endurecimiento por trabajo tiene una dependencia de la mitad de la raíz en el número de dislocaciones. El material presenta una alta resistencia si hay niveles altos de dislocaciones (más de 1014 dislocaciones por m2) o no hay dislocaciones. Un número moderado de dislocaciones (entre 107 y 109 dislocaciones por m2) típicamente resulta en baja resistencia.
ejemploeditar
Para un ejemplo extremo, en un ensayo de tracción, una barra de acero se tensa justo antes de la longitud a la que normalmente se fractura. La carga se libera suavemente y el material alivia parte de su tensión al disminuir su longitud. La disminución de la longitud se denomina recuperación elástica, y el resultado final es una barra de acero endurecida al trabajo. La fracción de longitud recuperada (longitud recuperada / longitud original) es igual al esfuerzo de fluencia dividido por el módulo de elasticidad. (Aquí discutimos el verdadero estrés para explicar la drástica disminución del diámetro en este ensayo de tracción.) La longitud recuperada después de quitar una carga de un material justo antes de que se rompa es igual a la longitud recuperada después de quitar una carga justo antes de que entre en deformación plástica.
La barra de acero endurecida al trabajo tiene un número suficientemente grande de dislocaciones que la interacción del campo de deformación evita toda deformación plástica. La deformación posterior requiere un esfuerzo que varía linealmente con la deformación observada, la pendiente del gráfico de esfuerzo vs deformación es el módulo de elasticidad, como de costumbre.
La barra de acero endurecida por trabajo se fractura cuando la tensión aplicada excede la tensión de fractura habitual y la tensión excede la tensión de fractura habitual. Se puede considerar que este es el límite elástico y el límite elástico es ahora igual a la resistencia a la fractura, que es mucho más alta que un límite elástico de acero no endurecido por trabajo.
La cantidad de deformación plástica posible es cero, que es menor que la cantidad de deformación plástica posible para un material no endurecido por trabajo. De este modo, se reduce la ductilidad de la barra trabajada en frío.
La cavitación sustancial y prolongada también puede producir endurecimiento por deformación.