Prima dell’indurimento del lavoro, il reticolo del materiale presenta un modello regolare, quasi privo di difetti (quasi nessuna dislocazione). Il reticolo privo di difetti può essere creato o ripristinato in qualsiasi momento mediante ricottura. Man mano che il materiale viene indurito, diventa sempre più saturo di nuove dislocazioni e più dislocazioni vengono impedite dalla nucleazione (si sviluppa una resistenza alla formazione di dislocazione). Questa resistenza alla dislocazione-formazione si manifesta come una resistenza alla deformazione plastica; quindi, il rafforzamento osservato.
Nei cristalli metallici, questo è un processo reversibile e viene solitamente eseguito su scala microscopica da difetti chiamati dislocazioni, che sono creati da fluttuazioni nei campi di stress locali all’interno del materiale che culminano in un riarrangiamento del reticolo mentre le dislocazioni si propagano attraverso il reticolo. A temperature normali le dislocazioni non vengono annientate dalla ricottura. Invece, le dislocazioni si accumulano, interagiscono tra loro e fungono da punti di blocco o ostacoli che impediscono in modo significativo il loro movimento. Ciò porta ad un aumento del carico di snervamento del materiale e ad una successiva diminuzione della duttilità.
Tale deformazione aumenta la concentrazione di dislocazioni che possono successivamente formare bordi di grano a basso angolo che circondano i sottograni. La lavorazione a freddo si traduce generalmente in una maggiore resistenza allo snervamento a causa dell’aumento del numero di dislocazioni e dell’effetto Hall–Petch dei sottograni e di una diminuzione della duttilità. Gli effetti della lavorazione a freddo possono essere invertiti ricottura del materiale ad alte temperature dove il recupero e la ricristallizzazione riducono la densità di dislocazione.
La temprabilità del lavoro di un materiale può essere prevista analizzando una curva stress–deformazione o studiata nel contesto eseguendo prove di durezza prima e dopo un processo.
Deformazione elastica e plasticamodifica
L’indurimento del lavoro è una conseguenza della deformazione plastica, un cambiamento permanente nella forma. Questo è distinto dalla deformazione elastica, che è reversibile. La maggior parte dei materiali non presentano solo uno o l’altro, ma piuttosto una combinazione dei due. La seguente discussione si applica principalmente ai metalli, in particolare agli acciai, che sono ben studiati. L’indurimento del lavoro si verifica in particolare per materiali duttili come i metalli. La duttilità è la capacità di un materiale di subire deformazioni plastiche prima della frattura (ad esempio, piegando un’asta di acciaio fino a quando non si rompe definitivamente).
La prova di trazione è ampiamente utilizzata per studiare i meccanismi di deformazione. Questo perché sotto compressione, la maggior parte dei materiali sperimenterà eventi banali (reticolo disallineamento) e non banali (instabilità) prima che si verifichino deformazioni o fratture plastiche. Quindi i processi intermedi che si verificano al materiale sotto compressione uniassiale prima dell’incidenza della deformazione plastica rendono il test di compressione irto di difficoltà.
Un materiale generalmente si deforma elasticamente sotto l’influenza di piccole forze; il materiale ritorna rapidamente alla sua forma originale quando viene rimossa la forza deformante. Questo fenomeno è chiamato deformazione elastica. Questo comportamento nei materiali è descritto dalla Legge di Hooke. I materiali si comportano elasticamente fino a quando la forza di deformazione aumenta oltre il limite elastico, noto anche come stress di snervamento. A quel punto, il materiale viene deformato in modo permanente e non riesce a tornare alla sua forma originale quando la forza viene rimossa. Questo fenomeno è chiamato deformazione plastica. Ad esempio, se si allunga una molla elicoidale fino a un certo punto, tornerà alla sua forma originale, ma una volta che è allungata oltre il limite elastico, rimarrà deformata e non tornerà al suo stato originale.
La deformazione elastica distende i legami tra gli atomi dal loro raggio di equilibrio di separazione, senza applicare abbastanza energia per rompere i legami interatomici. La deformazione plastica, d’altra parte, rompe i legami interatomici e quindi comporta il riarrangiamento degli atomi in un materiale solido.
Dislocazioni e campi di deformazione reticolamodifica
Nel linguaggio scientifico dei materiali, le dislocazioni sono definite come difetti di linea nella struttura cristallina di un materiale. I legami che circondano la dislocazione sono già tesi elasticamente dal difetto rispetto ai legami tra i costituenti del reticolo cristallino regolare. Pertanto, questi legami si rompono a sollecitazioni relativamente inferiori, portando alla deformazione plastica.
I legami tesi attorno a una dislocazione sono caratterizzati da campi di deformazione reticolare. Ad esempio, ci sono legami compressivamente tesi direttamente accanto a una dislocazione del bordo e legami tensilmente tesi oltre la fine di una dislocazione del bordo. Questi formano rispettivamente campi di deformazione a compressione e campi di deformazione a trazione. I campi di deformazione sono analoghi ai campi elettrici in certi modi. In particolare, i campi di deformazione delle dislocazioni obbediscono a leggi simili di attrazione e repulsione; al fine di ridurre la deformazione complessiva, le tensioni di compressione sono attratte da tensioni di trazione e viceversa.
I risultati visibili (macroscopici) della deformazione plastica sono il risultato del movimento microscopico di dislocazione. Ad esempio, lo stiramento di una barra di acciaio in un tester di trazione è alloggiato attraverso il movimento di dislocazione sulla scala atomica.
Aumento delle dislocazioni e dell’indurimento del lavoromodifica
L’aumento del numero di dislocazioni è una quantificazione dell’indurimento del lavoro. La deformazione plastica si verifica come conseguenza del lavoro svolto su un materiale; l’energia viene aggiunta al materiale. Inoltre, l’energia viene quasi sempre applicata abbastanza velocemente e in una grandezza abbastanza grande da non solo spostare le dislocazioni esistenti, ma anche per produrre un gran numero di nuove dislocazioni stridente o lavorare il materiale abbastanza a sufficienza. Nuove dislocazioni vengono generate in prossimità di una fonte di lettura franca.
Il carico di snervamento è aumentato in un materiale lavorato a freddo. Usando i campi di deformazione del reticolo, si può dimostrare che un ambiente pieno di dislocazioni ostacolerà il movimento di qualsiasi dislocazione. Poiché il movimento di dislocazione è ostacolato, la deformazione plastica non può verificarsi a sollecitazioni normali. Dopo l’applicazione di sollecitazioni appena oltre il carico di snervamento del materiale non lavorato a freddo, un materiale lavorato a freddo continuerà a deformarsi utilizzando l’unico meccanismo disponibile: la deformazione elastica, lo schema regolare di allungamento o compressione dei legami elettrici (senza movimento di dislocazione) continua a verificarsi e il modulo di elasticità rimane invariato. Alla fine lo stress è abbastanza grande per superare le interazioni ceppo-campo e la deformazione plastica riprende.
Tuttavia, la duttilità di un materiale indurito dal lavoro è diminuita. La duttilità è la misura in cui un materiale può subire la deformazione plastica, cioè fino a che punto un materiale può essere deformato plasticamente prima della frattura. Un materiale lavorato a freddo è, in effetti, un materiale normale (fragile) che è già stato esteso attraverso parte della sua deformazione plastica consentita. Se il movimento di dislocazione e la deformazione plastica sono stati ostacolati abbastanza dall’accumulo di dislocazione e lo stiramento dei legami elettronici e la deformazione elastica hanno raggiunto il loro limite, si verifica una terza modalità di deformazione: frattura.
Quantificazione di lavoro hardeningEdit
La forza, τ {\displaystyle \tau }
, di dislocazione dipende dal modulo di taglio G, la grandezza del vettore di Burgers, b, e la densità delle dislocazioni, ρ ⊥ {\displaystyle \rho _{\perp }}
: τ = τ 0 + G α b r ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }
dove τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
è la forza intrinseca del materiale con bassa densità di dislocazione e α {\displaystyle \alpha }
è un fattore di correzione specifico per il materiale.
Come mostrato in Figura 1 e l’equazione di cui sopra, work hardening ha una dipendenza mezza radice sul numero di dislocazioni. Il materiale presenta un’elevata resistenza se ci sono alti livelli di dislocazioni (maggiori di 1014 dislocazioni per m2) o nessuna dislocazione. Un numero moderato di dislocazioni (tra 107 e 109 dislocazioni per m2) si traduce in genere in bassa resistenza.
ExampleEdit
Per un esempio estremo, in una prova di trazione una barra di acciaio viene tesa appena prima della lunghezza alla quale solitamente si frattura. Il carico viene rilasciato senza problemi e il materiale allevia parte della sua tensione diminuendo di lunghezza. La diminuzione della lunghezza è chiamata recupero elastico e il risultato finale è una barra d’acciaio temprata. La frazione di lunghezza recuperata (lunghezza recuperata / lunghezza originale) è uguale alla tensione di snervamento divisa per il modulo di elasticità. (Qui discutiamo vero stress al fine di tenere conto della drastica diminuzione del diametro in questa prova di trazione.) La lunghezza recuperata dopo aver rimosso un carico da un materiale appena prima che si rompa è uguale alla lunghezza recuperata dopo aver rimosso un carico appena prima che entri nella deformazione plastica.
La barra in acciaio temprato ha un numero sufficiente di dislocazioni che l’interazione del campo di deformazione impedisce tutte le deformazioni plastiche. La deformazione successiva richiede uno stress che varia linearmente con lo sforzo osservato, la pendenza del grafico dello stress rispetto allo sforzo è il modulo di elasticità, come al solito.
La barra di acciaio temprato da lavoro si frattura quando la sollecitazione applicata supera la sollecitazione di frattura usuale e la deformazione supera la sollecitazione di frattura usuale. Questo può essere considerato il limite elastico e la tensione di snervamento è ora uguale alla resistenza alla frattura, che è molto più alta di una tensione di snervamento in acciaio non temprato.
La quantità di deformazione plastica possibile è zero, che è inferiore alla quantità di deformazione plastica possibile per un materiale non temprato. Pertanto, la duttilità della barra lavorata a freddo è ridotta.
La cavitazione sostanziale e prolungata può anche produrre indurimento da sforzo.