før arbeidsherding utviser gitteret av materialet et vanlig, nesten feilfritt mønster (nesten ingen dislokasjoner). Den feilfrie gitteret kan opprettes eller gjenopprettes når som helst ved annealing. Etter hvert som materialet herdes, blir det stadig mer mettet med nye dislokasjoner, og flere dislokasjoner forhindres i å nukleere (en motstand mot dislokasjonsformasjon utvikler seg). Denne motstanden mot dislokasjonsformasjon manifesterer seg som en motstand mot plastisk deformasjon; dermed den observerte styrken.
i metalliske krystaller er dette en reversibel prosess og utføres vanligvis i mikroskopisk skala av defekter som kalles dislokasjoner, som er skapt av svingninger i lokale stressfelt i materialet som kulminerer i en gitteromlegging som dislokasjonene forplanter seg gjennom gitteret. Ved normale temperaturer blir dislokasjonene ikke utslettet av annealing. I stedet akkumuleres dislokasjonene, samhandler med hverandre, og tjener som festepunkter eller hindringer som betydelig hindrer bevegelsen. Dette fører til en økning i materialets utbyttestyrke og en etterfølgende reduksjon i duktiliteten.
slik deformasjon øker konsentrasjonen av dislokasjoner som senere kan danne lavvinklede korngrenser rundt subkorn. Kaldt arbeid resulterer generelt i høyere utbyttestyrke som følge av økt antall dislokasjoner og Hall–Petch-effekten av subkornene, og en reduksjon i duktilitet. Effektene av kaldt arbeid kan reverseres ved å annealere materialet ved høye temperaturer hvor utvinning og omkrystallisering reduserer dislokasjonstettheten.
et materials arbeidsherdbarhet kan forutsies ved å analysere en spenningskurve, eller studeres i sammenheng ved å utføre hardhetstester før og etter en prosess.
elastisk og plastisk deformasjonrediger
arbeidsherding er en konsekvens av plastisk deformasjon, en permanent forandring i form. Dette er forskjellig fra elastisk deformasjon, som er reversibel. De fleste materialer viser ikke bare den ene eller den andre, men heller en kombinasjon av de to. Følgende diskusjon gjelder for det meste metaller, spesielt stål,som er godt studert. Arbeidsherding forekommer mest for duktile materialer som metaller. Duktilitet er evnen til et materiale til å gjennomgå plastdeformasjoner før brudd (for eksempel bøye en stålstang til den endelig bryter).
strekkprøven er mye brukt til å studere deformasjonsmekanismer. Dette skyldes at under kompresjon vil de fleste materialer oppleve trivielle (gitterfeil) og ikke-trivielle (buckling) hendelser før plastisk deformasjon eller brudd oppstår. Derfor gjør de mellomliggende prosessene som oppstår i materialet under uniaxial kompresjon før forekomsten av plastisk deformasjon, den komprimerende testen fulle av vanskeligheter.
et materiale deformeres vanligvis elastisk under påvirkning av små krefter; materialet returnerer raskt til sin opprinnelige form når deformerende kraft fjernes. Dette fenomenet kalles elastisk deformasjon. Denne oppførselen i materialer er beskrevet Av Hookes Lov. Materialer oppfører seg elastisk til deformasjonskraften øker utover den elastiske grensen, som også er kjent som avkastningsspenningen. På det tidspunktet deformeres materialet permanent og unnlater å gå tilbake til sin opprinnelige form når kraften fjernes. Dette fenomenet kalles plastisk deformasjon. For eksempel, hvis man strekker en spiralfjær opp til et visst punkt, vil den gå tilbake til sin opprinnelige form, men når den er strukket utover den elastiske grensen, vil den forbli deformert og vil ikke gå tilbake til sin opprinnelige tilstand.
Elastisk deformasjon strekker bindingene mellom atomer bort fra deres likevektsradius for separasjon, uten å bruke nok energi til å bryte de interatomiske bindingene. Plastisk deformasjon, derimot, bryter interatomiske bindinger, og innebærer derfor omlegging av atomer i et fast materiale.
Dislokasjoner og gitterstamme feltrediger
i materialvitenskap er dislokasjoner definert som linjefeil i et materials krystallstruktur. Bindingene rundt dislokasjonen er allerede elastisk anstrengt av defekten sammenlignet med bindingene mellom bestanddelene i det vanlige krystallgitteret. Derfor bryter disse bindingene ved relativt lavere spenninger, noe som fører til plastisk deformasjon.
de anstrengte bindingene rundt en dislokasjon er preget av gitterstamme felt. For eksempel er det kompresjonsspente bindinger rett ved siden av en kantforskyvning og strekkspente bindinger utover enden av en kantforskyvning. Disse danner henholdsvis trykkbelastningsfelt og strekkbelastningsfelt. Strain felt er analoge med elektriske felt på visse måter. Spesielt, strain felt av dislokasjoner adlyde lignende lover tiltrekning og frastøting; for å redusere total belastning, er trykkstammer tiltrukket av strekkstammer, og vice versa.
de synlige (makroskopiske) resultatene av plastisk deformasjon er resultatet av mikroskopisk dislokasjonsbevegelse. For eksempel er strekningen av en stålstang i en strekktester innkvartert gjennom dislokasjonsbevegelse på atomskalaen.
Økning av dislokasjoner og arbeidsherdingrediger
Økning i antall dislokasjoner er en kvantifisering av arbeidsherding. Plastisk deformasjon oppstår som følge av arbeid på et materiale; energi legges til materialet. I tillegg brukes energien nesten alltid raskt nok og i stor nok størrelse til ikke bare å flytte eksisterende dislokasjoner, men også å produsere et stort antall nye dislokasjoner ved å knuse eller arbeide materialet tilstrekkelig nok. Nye dislokasjoner genereres i nærheten Av En Frank-Les kilde.
Utbyttestyrken økes i et kaldt bearbeidet materiale. Ved hjelp av gitterstammefelt kan det påvises at et miljø fylt med dislokasjoner vil hindre bevegelsen av en hvilken som helst dislokasjon. Fordi dislokasjonsbevegelse hindres, kan plastisk deformasjon ikke forekomme ved normale belastninger. Ved påføring av spenninger like utenfor utbyttestyrken til det ikke-kaldbearbeidede materialet, vil et kaldbearbeidet materiale fortsette å deformere ved hjelp av den eneste tilgjengelige mekanismen: elastisk deformasjon, den vanlige ordningen med strekking eller komprimering av elektriske bindinger (uten dislokasjonsbevegelse) fortsetter å forekomme, og elastisitetsmodulen er uendret. Til slutt er stresset stort nok til å overvinne belastningsfeltinteraksjonene og plastisk deformasjon gjenopptas.
duktiliteten til et arbeidsherdet materiale er imidlertid redusert. Duktilitet er i hvilken grad et materiale kan gjennomgå plastisk deformasjon, det vil si hvor langt et materiale kan deformeres plastisk før brudd. Et kaldt bearbeidet materiale er i virkeligheten et normalt (sprøtt) materiale som allerede er utvidet gjennom en del av den tillatte plastdeformasjonen. Hvis dislokasjonsbevegelse og plastisk deformasjon har blitt hindret nok av dislokasjonsakkumulering, og strekking av elektroniske bindinger og elastisk deformasjon har nådd sin grense, oppstår en tredje deformasjonsmodus: brudd.
Kvantifisering av arbeidsherdingrediger
styrken, τ {\displaystyle \ tau }
, av dislokasjon er avhengig av skjærmodulen, G, størrelsen På Burgere-vektoren, b og dislokasjonstettheten, ρ ⊥ {\displaystyle \ rho _ {\perp}}
: τ = τ 0 + g α b ρ ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \ tau = \tau _{0}+g\alfa b\rho _ {\perp }^{1/2}\ }
hvor τ 0 {\displaystyle \ tau _{0}}
er materialets iboende styrke med lav dislokasjonstetthet og α {\displaystyle \ alpha }
er en korreksjonsfaktor spesifikk for materialet.
som vist I Figur 1 og ligningen ovenfor, har arbeidsherding en halv rotavhengighet av antall dislokasjoner. Materialet utviser høy styrke hvis det er enten høye nivåer av dislokasjoner (større enn 1014 dislokasjoner per m2) eller ingen dislokasjoner. Et moderat antall dislokasjoner (mellom 107 og 109 dislokasjoner per m2) resulterer vanligvis i lav styrke.
ExampleEdit
for et ekstremt eksempel, i en strekkprøve er en stålstang anstrengt til like før lengden som den vanligvis brister. Lasten frigjøres jevnt og materialet lindrer noe av belastningen ved å redusere lengden. Nedgangen i lengden kalles elastisk utvinning, og sluttresultatet er en arbeidsherdet stålstang. Fraksjonen av lengde gjenvunnet (lengde gjenvunnet/original lengde) er lik utbyttespenningen dividert med elastisitetsmodulen. (Her diskuterer vi ekte stress for å redegjøre for den drastiske reduksjonen i diameter i denne strekkprøven.) Lengden som gjenvinnes etter å ha fjernet en last fra et materiale like før det går i stykker, er lik lengden som gjenvinnes etter å ha fjernet en last like før den går inn i plastisk deformasjon.
den arbeidsherdede stålstangen har et stort nok antall dislokasjoner at belastningsfeltinteraksjonen forhindrer all plastisk deformasjon. Etterfølgende deformasjon krever en spenning som varierer lineært med belastningen observert, skråningen av grafen av stress vs belastning er elastisitetsmodulen, som vanlig.
den arbeidsherdede stålstangen frakturer når den påførte belastningen overstiger den vanlige bruddspenningen og belastningen overstiger vanlig bruddstamme. Dette kan anses å være den elastiske grensen, og avkastningsspenningen er nå lik bruddseigheten, som er mye høyere enn en ikke-arbeidsherdet stålutbyttespenning.
mengden plastisk deformasjon mulig er null, noe som er mindre enn mengden plastisk deformasjon mulig for et ikke-arbeidsherdet materiale. Dermed reduseres duktiliteten til den kaldarbeidede stangen.
Betydelig og langvarig kavitasjon kan også produsere belastning herding.