voordat werkharding plaatsvindt, vertoont het rooster van het materiaal een regelmatig patroon zonder gebreken (bijna geen ontwrichtingen). Het foutvrije rooster kan op elk moment worden gecreëerd of hersteld door te gloeien. Als het materiaal is werk verhard wordt het steeds meer verzadigd met nieuwe dislocaties, en meer dislocaties worden voorkomen van nucleating (een weerstand tegen dislocatievorming ontwikkelt). Deze weerstand tegen dislocatie-vorming manifesteert zich als een weerstand tegen plastische vervorming; vandaar de waargenomen versterking.
in metaalkristallen is dit een omkeerbaar proces dat gewoonlijk op microscopische schaal wordt uitgevoerd door defecten die dislocaties worden genoemd, die worden veroorzaakt door fluctuaties in lokale spanningsvelden in het materiaal, culminerend in een rooster herschikking terwijl de dislocaties zich door het rooster verspreiden. Bij normale temperaturen worden de dislocaties niet vernietigd door Gloeien. In plaats daarvan, de dislocaties accumuleren, interageren met elkaar, en dienen als pinning punten of obstakels die hun beweging aanzienlijk belemmeren. Dit leidt tot een toename van de vloeigrens van het materiaal en een daaropvolgende afname van de rekbaarheid.
een dergelijke vervorming verhoogt de concentratie van dislocaties die vervolgens de korrelgrenzen met een lage hoek rond subkorrels kunnen vormen. Koude werken resulteert in het algemeen in een hogere vloeigrens als gevolg van het toegenomen aantal dislocaties en het Hall–Petch effect van de subkorrels, en een afname van de rekbaarheid. De gevolgen van het koude werken kunnen worden omgekeerd door het materiaal bij hoge temperaturen te gloeien waar terugwinning en herkristallisatie de dislocatiedichtheid verminderen.
de hardheid van een materiaal kan worden voorspeld door een spannings–rekcurve te analyseren of in de context te bestuderen door hardheidsproeven voor en na een proces uit te voeren.
elastische en plastische vervormingedit
het Werkharden is een gevolg van plastische vervorming, een permanente vormverandering. Dit onderscheidt zich van elastische vervorming, die omkeerbaar is. De meeste materialen vertonen niet alleen het ene of het andere, maar eerder een combinatie van de twee. De volgende discussie heeft vooral betrekking op metalen, vooral staal, die goed bestudeerd zijn. Het werk verharding komt het meest voor bij nodulaire materialen zoals metalen. Vervormbaarheid is het vermogen van een materiaal om plastische vervormingen te ondergaan vóór breuk (bijvoorbeeld het buigen van een stalen staaf tot het uiteindelijk breekt).
de trekproef wordt op grote schaal gebruikt om de vervormingsmechanismen te bestuderen. Dit komt omdat bij compressie de meeste materialen triviale (raster mismatch) en niet-triviale (knikken) gebeurtenissen zullen ervaren voordat plastische vervorming of breuk optreden. Vandaar dat de tussenprocessen die zich voordoen bij het materiaal onder eenassige compressie vóór het optreden van plastische vervorming, de drukproef met moeilijkheden beladen maken.
een materiaal vervormt in het algemeen elastisch onder invloed van kleine krachten; het materiaal keert snel terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de vervormingskracht wordt verwijderd. Dit fenomeen wordt elastische vervorming genoemd. Dit gedrag in materialen wordt beschreven door Hooke ‘ s wet. Materialen gedragen zich elastisch totdat de vervormende kracht groter wordt dan de elastische limiet, die ook bekend staat als de vloeispanning. Op dat moment is het materiaal permanent vervormd en keert het niet terug naar zijn oorspronkelijke vorm wanneer de kracht wordt verwijderd. Dit fenomeen wordt plastische vervorming genoemd. Bijvoorbeeld, als men een spiraalveer tot een bepaald punt rekt, zal het terugkeren naar zijn oorspronkelijke vorm, maar zodra het voorbij de elastische limiet is uitgerekt, zal het vervormd blijven en zal het niet terugkeren naar zijn oorspronkelijke staat.
elastische vervorming rekt de bindingen tussen atomen weg van hun evenwichtsstraal van scheiding, zonder voldoende energie toe te passen om de interatomische bindingen te breken. Plastische vervorming daarentegen breekt inter-atomaire bindingen en omvat daarom de herschikking van atomen in een vast materiaal.
dislocaties en roosterstamveldsedit
in materials science parlance worden dislocaties gedefinieerd als lijndefecten in de kristalstructuur van een materiaal. De bindingen rond de dislocatie zijn al elastisch gespannen door het defect in vergelijking met de bindingen tussen de bestanddelen van het reguliere kristalrooster. Daarom breken deze bindingen bij relatief lagere spanningen, wat leidt tot plastische vervorming.
de gespannen bindingen rond een dislocatie worden gekenmerkt door roosterstamvelden. Bijvoorbeeld, er zijn compressief gespannen bindingen direct naast een randdislocatie en gespannen gespannen bindingen voorbij het einde van een randdislocatie. Deze vormen compressieve spanningsvelden en trekspanning velden, respectievelijk. Spanningsvelden zijn in bepaalde opzichten analoog aan elektrische velden. Specifiek, de stam velden van dislocaties gehoorzamen soortgelijke wetten van aantrekking en afstoting; om de totale spanning te verminderen, worden drukstammen aangetrokken tot trekstammen, en vice versa.
de zichtbare (macroscopische) resultaten van plastische vervorming zijn het resultaat van microscopische dislocatiebeweging. Bijvoorbeeld, het uitrekken van een stalen staaf in een trek tester is ondergebracht door dislocatie beweging op de atomaire schaal.
toename van ontwrichtingen en verharding
toename van het aantal dislocaties is een kwantificering van werkverharding. Plastische vervorming treedt op als gevolg van werkzaamheden aan een materiaal; energie wordt toegevoegd aan het materiaal. Bovendien wordt de energie bijna altijd snel genoeg en groot genoeg toegepast om niet alleen bestaande dislocaties te verplaatsen, maar ook om een groot aantal nieuwe dislocaties te produceren door het materiaal voldoende te schudden of te bewerken. Nieuwe dislocaties worden gegenereerd in de nabijheid van een Frank–Read bron.
de vloeigrens wordt verhoogd in een koud bewerkt materiaal. Met behulp van raster stam velden, kan worden aangetoond dat een omgeving gevuld met dislocaties de beweging van een dislocatie zal belemmeren. Omdat dislocatiebeweging wordt belemmerd, kan plastische vervorming niet optreden bij normale spanningen. Bij toepassing van spanningen net buiten de vloeigrens van het niet-koud-bewerkte materiaal, zal een koud-bewerkt materiaal blijven vervormen met behulp van het enige beschikbare mechanisme: elastische vervorming, het regelmatige schema van rekken of comprimeren van elektrische bindingen (zonder dislocatie beweging) blijft optreden, en de modulus van elasticiteit is onveranderd. Uiteindelijk is de stress groot genoeg om de spanning-veld interacties te overwinnen en plastische vervorming hervat.
de vervormbaarheid van een werkgehard materiaal wordt echter verminderd. Ductiliteit is de mate waarin een materiaal plastische vervorming kan ondergaan, dat wil zeggen, het is hoe ver een materiaal plastisch kan worden vervormd voor breuk. Een koud bewerkt materiaal is in feite een normaal (bros) materiaal dat al door een deel van de toegestane plastische vervorming is uitgeschoven. Als dislocatie beweging en plastische vervorming zijn gehinderd genoeg door dislocatie accumulatie, en rekken van elektronische bindingen en elastische vervorming hun limiet hebben bereikt, een derde wijze van vervorming optreedt: breuk.
kwantificering van het werkhardenedit
de sterkte, τ {\displaystyle \tau }
, van dislocatie is afhankelijk van de schuifmodulus, G, de magnitude van de Burgers vector, b, en de dislocatiedichtheid, ρ ⊥ {\displaystyle \ rho _{\perp }}
: τ = τ 0 + G α b ρ ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }
waar τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
is de intrinsieke sterkte van het materiaal met lage dislocatiedichtheid en α {\displaystyle \alpha }
is een correctiefactor specifiek voor het materiaal.
zoals weergegeven in Figuur 1 en de vergelijking hierboven, is de werkverharding halfwortel afhankelijk van het aantal dislocaties. Het materiaal vertoont een hoge sterkte als er sprake is van grote dislocaties (meer dan 1014 dislocaties per m2) of geen dislocaties. Een matig aantal dislocaties (tussen 107 en 109 dislocaties per m2) resulteert meestal in een lage sterkte.
Exampledit
voor een extreem voorbeeld wordt bij een trekproef een staaf van staal gespannen tot vlak voor de lengte waarop deze gewoonlijk breekt. De belasting wordt soepel losgelaten en het materiaal verlicht een deel van de belasting door in lengte te verminderen. De afname in lengte wordt het elastische herstel genoemd en het eindresultaat is een werkgehard stalen staaf. De fractie van de teruggewonnen lengte(lengte teruggewonnen / oorspronkelijke lengte) is gelijk aan de opbrengst-spanning gedeeld door de modulus van elasticiteit. (Hier bespreken we echte spanning om rekening te houden met de drastische afname van de diameter in deze trekproef.) De lengte die wordt teruggewonnen na het verwijderen van een belasting van een materiaal vlak voordat het breekt, is gelijk aan de lengte die wordt teruggewonnen na het verwijderen van een belasting vlak voordat het in de plastische vervorming terechtkomt.
de werkstaaf van gehard staal heeft een groot genoeg aantal dislocaties dat de wisselwerking tussen het spanningsveld elke plastische vervorming voorkomt. Latere vervorming vereist een spanning die lineair varieert met de waargenomen spanning, de helling van de grafiek van spanning vs.spanning is de modulus van elasticiteit, zoals gebruikelijk.
de uit gehard staal vervaardigde staaffracturen wanneer de toegepaste spanning de gebruikelijke breukspanning overschrijdt en de spanning de gebruikelijke breukspanning overschrijdt. Dit kan worden beschouwd als de elastische grens en de vloeispanning is nu gelijk aan de breuk taaiheid, die veel hoger is dan een niet-werk-gehard stalen vloeispanning.
de mogelijke plastische vervorming is nul, wat minder is dan de mogelijke plastische vervorming voor een niet-gehard materiaal. Zo wordt de rekbaarheid van de koudbewerkte staaf verminderd.
aanzienlijke en langdurige cavitatie kan ook spanningsverharding veroorzaken.