ennen työn kovettumista materiaalin hilassa on säännöllinen, lähes virheetön kuvio (ei juuri sijoiltaanmenoja). Vikaton ristikko voidaan luoda tai palauttaa milloin tahansa hehkuttamalla. Koska materiaali on työtä kovettunut se kyllästyy yhä uusia sijoiltaanmenoja, ja enemmän sijoiltaanmenoja estetään nukleaatio (vastustuskyky dislokaatio-muodostumista kehittyy). Tämä dislokaatiokestävyys ilmenee plastisen muodonmuutoksen vastustuskykynä; näin ollen havaittu vahvistuminen.
metallikiteissä tämä on palautuva prosessi ja tapahtuu yleensä mikroskooppisessa mittakaavassa dislokaatioiksi kutsutuilla vioilla, jotka syntyvät materiaalin sisällä olevien paikallisten jännityskenttien vaihteluista, jotka huipentuvat hilan uudelleenjärjestelyyn dislokaatioiden edetessä hilan läpi. Normaaleissa lämpötiloissa sijoiltaanmenoja ei annihiloida hehkuttamalla. Sen sijaan sijoiltaanmenot kerääntyvät, vuorovaikuttavat toistensa kanssa ja toimivat pinnoituspisteinä tai esteinä, jotka merkittävästi haittaavat niiden liikettä. Tämä johtaa materiaalin myötölujuuden kasvuun ja myöhemmin sitkeyden vähenemiseen.
tällainen muodonmuutos lisää sijoiltaanmenojen pitoisuutta, joka voi myöhemmin muodostaa matalakulmaisia raerajoja alajyvien ympärille. Kylmätyö johtaa yleensä korkeampaan myötölujuuteen, mikä johtuu siitä, että alijyvästen sijoiltaanmenot ja Hall–Petch-vaikutus lisääntyvät ja sitkeys vähenee. Kylmätyöskentelyn vaikutukset voidaan kumota hehkuttamalla materiaalia korkeissa lämpötiloissa, joissa talteenotto ja uudelleenkiteyttäminen vähentävät dislokaatiotiheyttä.
materiaalin työn kovettuvuus voidaan ennustaa analysoimalla jännitys-venymäkäyrää tai tutkimalla sitä kontekstissa tekemällä kovuuskokeita ennen prosessia ja sen jälkeen.
elastiset ja muoviset muodonmuutokset
työkarkaisu on seurausta plastisesta muodonmuutoksesta, pysyvästä muotomuutoksesta. Tämä eroaa elastisesta muodonmuutoksesta, joka on palautuva. Useimmissa materiaaleissa ei ole esillä vain yhtä tai toista, vaan näiden kahden yhdistelmä. Seuraava keskustelu koskee lähinnä metalleja, erityisesti teräksiä, jotka ovat hyvin tutkittuja. Työn kovettumista esiintyy erityisesti sitkeille materiaaleille, kuten metalleille. Sitkeys on materiaalin kyky tehdä plastisia muodonmuutoksia ennen murtumista (esimerkiksi taivuttamalla terästankoa, kunnes se lopulta murtuu).
vetokoetta käytetään laajalti muodonmuutosmekanismien tutkimiseen. Tämä johtuu siitä, että puristuksessa useimmat materiaalit kokevat triviaaleja (ristikko epäsuhta) ja ei-triviaaleja (vääntyminen) tapahtumia ennen plastista muodonmuutosta tai murtumaa. Siksi väliprosessit, jotka tapahtuvat materiaalille yksiakselisessa puristuksessa ennen plastisen muodonmuutoksen ilmaantumista, tekevät puristustestistä täynnä vaikeuksia.
materiaali yleensä deformoituu joustavasti pienten voimien vaikutuksesta; materiaali palaa nopeasti alkuperäiseen muotoonsa, kun muotoaan muuttava voima poistetaan. Tätä ilmiötä kutsutaan elastiseksi muodonmuutokseksi. Tätä käyttäytymistä materiaaleissa kuvaa Hooken laki. Materiaalit käyttäytyvät elastisesti, kunnes muotoaan muuttava voima kasvaa yli kimmorajan, joka tunnetaan myös myötörasituksena. Tällöin materiaali on pysyvästi epämuodostunut eikä palaa alkuperäiseen muotoonsa, kun voima poistetaan. Tätä ilmiötä kutsutaan plastiseksi muodonmuutokseksi. Jos esimerkiksi venytetään kierrejousi tiettyyn pisteeseen asti, se palaa alkuperäiseen muotoonsa, mutta kun se on venytetty elastisen rajan yli, se pysyy epämuodostuneena eikä palaa alkuperäiseen tilaansa.
elastinen muodonmuutos venyttää atomien väliset sidokset pois niiden tasapainoerotussäteeltä ilman, että siihen käytetään tarpeeksi energiaa atomien välisten sidosten rikkomiseen. Plastinen muodonmuutos taas rikkoo atomien välisiä sidoksia, minkä vuoksi kiinteässä aineessa olevat atomit järjestyvät uudelleen.
Dislocations and hilan strain fieldsEdit
materiaalitieteen kielenkäytössä dislokaatiot määritellään materiaalin kiderakenteen vioiksi. Dislokaatiota ympäröivät sidokset jännittyvät jo elastisesti vian vaikutuksesta verrattuna säännöllisen kidehilan rakenneosien välisiin sidoksiin. Siksi nämä sidokset murtuvat suhteellisen pienemmissä jännityksissä, mikä johtaa plastiseen muodonmuutokseen.
dislokaation ympärillä olevia jännittyneitä sidoksia luonnehtivat hilan jännityskentät. Esimerkiksi suoraan särmän dislokaation vieressä on komplisoituneita sidoksia ja särmän dislokaation pään takana jännittyneitä sidoksia. Nämä muodostavat puristuskenttiä ja vetokenttiä vastaavasti. Rasituskentät ovat tietyllä tavalla analogisia sähkökenttien kanssa. Erityisesti sijoiltaanmenojen rasituskentät noudattavat samanlaisia vetovoiman ja vastenmielisyyden lakeja; yleisen rasituksen vähentämiseksi puristavat kannat vetävät puoleensa vetokantoja ja päinvastoin.
plastisen muodonmuutoksen näkyvät (makroskooppiset) tulokset ovat seurausta mikroskooppisesta dislokaatioliikkeestä. Esimerkiksi vetomittarissa olevan terästangon venytys mukautuu dislokaatioliikkeeseen atomiasteikolla.
sijoiltaanmenojen ja työuupumuksen lisääntyminen
sijoiltaanmenojen määrän kasvu kertoo työn kovettumisesta. Plastinen muodonmuutos tapahtuu materiaalille tehtävän työn seurauksena; materiaaliin lisätään energiaa. Lisäksi energiaa käytetään lähes aina riittävän nopeasti ja riittävän suurena, jotta olemassa olevia sijoiltaanmenoja ei vain siirretä, vaan myös syntyy suuri määrä uusia sijoiltaanmenoja jarruttamalla tai työstämällä materiaalia tarpeeksi. Uusia sijoiltaanmenoja syntyy suoraan luetun lähteen läheisyydessä.
Myötölujuutta lisätään kylmämateriaalissa. Käyttämällä lattice kanta kentät, voidaan osoittaa, että ympäristö täynnä dislocations estää liikkeen yhden dislocations. Koska dislokaatioliike on estynyt, plastinen muodonmuutos ei voi tapahtua normaalissa rasituksessa. Sovellettaessa jännityksiä, jotka ylittävät kylmämuovattoman materiaalin myötölujuuden, kylmämuovattu materiaali jatkaa muodonmuutostaan ainoalla käytettävissä olevalla mekanismilla: elastinen muodonmuutos, sähköisten sidosten säännöllinen venytys-tai puristusjärjestelmä (ilman dislokaatioliikettä) esiintyy edelleen, ja kimmomoduuli on muuttumaton. Lopulta stressi on tarpeeksi suuri voittaa kanta-kentän vuorovaikutukset ja plastinen muodonmuutos jatkuu.
työssä kovettuneen materiaalin sitkeys kuitenkin heikkenee. Sitkeys on missä määrin materiaali voi läpikäydä plastisen muodonmuutoksen, eli kuinka pitkälle materiaali voi olla plastisesti epämuodostunut ennen murtumaa. Kylmätyöstetty materiaali on itse asiassa normaalia (haurasta) materiaalia, jota on jo laajennettu osan sallitusta plastisesta muodonmuutoksestaan läpi. Jos dislokaatioliikettä ja plastista muodonmuutosta on estetty riittävästi dislokaation kertymisellä ja elektronisten sidosten venyminen ja kimmoinen muodonmuutos ovat saavuttaneet rajansa, tapahtuu kolmas muodonmuutostila: murtuma.
kovettuneen työn Määritysedit
vahvuus, τ {\displaystyle \tau }
, dislokaatio riippuu leikkausmoduulista G, Burgerin vektorin suuruus b ja dislokaatiotiheys ρ ⊥ {\displaystyle \rho _{\perp }}
: τ = τ 0 + g α b ρ ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau = \tau _{0}+G\alpha B\rho _{\perp }^{1/2}\ }
missä τ 0 {\displaystyle \ tau _{0}}
on materiaalin luontainen vahvuus, jonka dislokaatiotiheys on alhainen ja α {\displaystyle \alpha }
on materiaalille ominainen korjauskerroin.
kuten kuviosta 1 ja yllä olevasta yhtälöstä käy ilmi, työn kovettumisella on puoli juurta riippuva riippuvuus sijoiltaanmenojen määrästä. Materiaalilla on suuri lujuus, jos siellä on joko suuria sijoiltaan (yli 1014 sijoiltaan / m2) tai ei sijoiltaan. Kohtalainen määrä sijoiltaan (välillä 107 ja 109 sijoiltaan per m2) tyypillisesti johtaa alhainen lujuus.
ExampleEdit
ääriesimerkkinä on, että vetokokeessa terästanko jännitetään juuri ennen pituutta, jolla se yleensä murtuu. Kuorma vapautuu tasaisesti ja materiaali vapauttaa osan rasituksestaan lyhentämällä pituutta. Pituuden laskua kutsutaan elastiseksi talteenotoksi, ja lopputuloksena on työkarkaistu teräspalkki. Talteen otetun pituuden osuus (talteen otettu pituus/alkuperäinen pituus) on yhtä suuri kuin myötörasitus jaettuna kimmomoduulilla. (Tässä keskustelemme todellisesta stressistä selittääksemme läpimitan rajun pienenemisen tässä vetokokeessa.) Pituus, joka otetaan talteen kuorman poistamisen jälkeen materiaalista juuri ennen sen rikkoutumista, on sama kuin pituus, joka otetaan talteen kuorman poistamisen jälkeen juuri ennen kuin se tulee plastiseen muodonmuutokseen.
työkarkaistussa terästangossa on niin paljon sijoiltaanmenoja, että rasituskentän vuorovaikutus estää kaikki plastiset muodonmuutokset. Myöhempi muodonmuutos vaatii jännitystä, joka vaihtelee lineaarisesti havaitun kannan kanssa, jännityskäyrän kaltevuus vs. kanta on kimmomoduuli, kuten tavallista.
työkarkaistu terästanko murtuu, kun kohdistettu rasitus ylittää tavanomaisen murtumarasituksen ja rasitus ylittää tavanomaisen murtumarasituksen. Tätä voidaan pitää elastisena rajana ja myötörasitus on nyt yhtä suuri kuin Murtolujuus, joka on paljon suurempi kuin ei-työkarkaistu teräksen myötörasitus.
mahdollisen plastisen muodonmuutoksen määrä on nolla, mikä on vähemmän kuin työstämättömän materiaalin plastisen muodonmuutoksen määrä. Näin kylmätyöstetyn tangon sitkeys vähenee.
huomattava ja pitkäaikainen kavitaatio voi myös aiheuttaa kannan kovettumista.