przed utwardzeniem pracy siatka materiału wykazuje regularny, prawie wolny od wad wzór (prawie brak zwichnięć). Wolna od wad krata może być utworzona lub przywrócona w dowolnym momencie przez wyżarzanie. Ponieważ materiał jest utwardzany, staje się coraz bardziej nasycony nowymi dyslokacjami, a więcej dyslokacji zapobiega zarodkowaniu (rozwija się odporność na dyslokację-tworzenie). Ta odporność na dyslokację-powstawanie przejawia się jako odporność na odkształcenia plastyczne; stąd obserwowane wzmocnienie.
w kryształach metalicznych jest to proces odwracalny i jest zwykle przeprowadzany w skali mikroskopowej przez defekty zwane dyslokacjami, które są tworzone przez fluktuacje w lokalnych polach naprężeń w materiale, których kulminacją jest przegrupowanie siatki, ponieważ dyslokacje propagują się przez siatkę. W normalnych temperaturach dyslokacje nie są anihilowane przez wyżarzanie. Zamiast tego zwichnięcia gromadzą się, oddziałują ze sobą i służą jako punkty przypięcia lub przeszkody, które znacznie utrudniają ich ruch. Prowadzi to do zwiększenia granicy plastyczności materiału, a następnie zmniejszenia plastyczności.
takie odkształcenie zwiększa koncentrację dyslokacji, które mogą następnie tworzyć granice ziaren o niskim kącie otaczających sub-ziarna. Obróbka na zimno ogólnie powoduje wyższą granicę plastyczności w wyniku zwiększonej liczby dyslokacji i efektu Halla-Petcha sub-ziaren oraz zmniejszenie ciągliwości. Efekty pracy na zimno można odwrócić przez wyżarzanie materiału w wysokich temperaturach, gdzie odzysk i rekrystalizacja zmniejszają gęstość dyslokacji.
utwardzalność materiału można przewidzieć, analizując krzywą naprężenia–odkształcenia lub badając w kontekście, wykonując testy twardości przed i po procesie.
odkształcenia sprężyste i plastyczneedytuj
utwardzanie jest konsekwencją odkształcenia plastycznego, trwałej zmiany kształtu. Różni się to od odkształcenia sprężystego, które jest odwracalne. Większość materiałów nie wykazują tylko jeden lub drugi, ale raczej połączenie dwóch. Poniższa dyskusja dotyczy głównie metali, zwłaszcza stali, które są dobrze zbadane. Hartowanie następuje przede wszystkim w przypadku materiałów sferoidalnych, takich jak metale. Ciągliwość to zdolność materiału do poddania się odkształceniom plastycznym przed złamaniem (na przykład zginanie stalowego pręta, aż w końcu pęknie).
próba rozciągania jest szeroko stosowana do badania mechanizmów deformacji. Dzieje się tak dlatego, że pod ściskaniem większość materiałów doświadczy trywialnych (niedopasowanie kratowe) i nietrywialnych (wyboczenie) zdarzeń przed odkształceniem plastycznym lub pęknięciem. Stąd pośrednie procesy, które występują w materiale pod jednoosiowym ściskaniem przed wystąpieniem odkształcenia plastycznego, sprawiają, że próba ściskania jest obarczona trudnościami.
materiał zwykle deformuje się elastycznie pod wpływem małych sił; materiał szybko powraca do pierwotnego kształtu po usunięciu siły odkształcającej. Zjawisko to nazywa się odkształceniem sprężystym. Takie zachowanie w materiałach opisuje Prawo Hooke ’ a. Materiały zachowują się elastycznie, dopóki Siła odkształcająca Nie wzrośnie poza granicę sprężystości, która jest również znana jako naprężenie plastyczne. W tym momencie materiał jest trwale zdeformowany i nie wraca do pierwotnego kształtu po usunięciu siły. Zjawisko to nazywa się deformacją plastyczną. Na przykład, jeśli rozciągniemy sprężynę do pewnego punktu, powróci ona do swojego pierwotnego kształtu, ale gdy zostanie rozciągnięta poza granicę sprężystości, pozostanie zdeformowana i nie powróci do pierwotnego stanu.
odkształcenie sprężyste rozciąga wiązania między atomami z dala od ich promienia równowagi separacji, nie stosując wystarczającej ilości energii do zerwania wiązań między atomami. Odkształcenie plastyczne, z drugiej strony, łamie wiązania międzyatomowe, a zatem wiąże się z przegrupowaniem atomów w materiale stałym.
dyslokacje i pola odkształceń kratyedytuj
w języku Nauk o materiałach dyslokacje są definiowane jako defekty liniowe w strukturze krystalicznej materiału. Wiązania otaczające dyslokację są już sprężyste przez defekt w porównaniu z wiązaniami między składnikami regularnej sieci krystalicznej. W związku z tym wiązania te pękają przy stosunkowo mniejszych naprężeniach, co prowadzi do odkształcenia plastycznego.
naprężone wiązania wokół dyslokacji charakteryzują się kratownicowymi polami naprężeniowymi. Na przykład, istnieją kompresywnie napięte wiązania bezpośrednio obok zwichnięcia krawędzi i rozciągliwie napięte wiązania poza końcem zwichnięcia krawędzi. Tworzą one odpowiednio pola odkształceń ściskających i pola odkształceń rozciągających. Pola naprężeniowe są pod pewnymi względami analogiczne do pól elektrycznych. W szczególności, pola odkształceń dyslokacji są zgodne z podobnymi prawami przyciągania i odpychania; w celu zmniejszenia ogólnego odkształcenia, odkształcenia ściskające są przyciągane do szczepów rozciągających i odwrotnie.
widoczne (makroskopowe) wyniki deformacji plastycznej są wynikiem mikroskopowego ruchu zwichnięcia. Na przykład rozciąganie stalowego pręta w próbniku rozciągania odbywa się poprzez ruch dyslokacyjny w skali atomowej.
wzrost dyslokacji i hartowanieedytuj
wzrost liczby dyslokacji jest kwantyfikacją utwardzania pracy. Odkształcenie plastyczne występuje w wyniku pracy wykonywanej na materiale; energia jest dodawana do materiału. Ponadto energia jest prawie zawsze stosowana wystarczająco szybko i w wystarczająco dużej wielkości, aby nie tylko poruszać istniejące dyslokacje, ale także produkować dużą liczbę nowych dyslokacji przez wstrząsanie lub pracę materiału wystarczająco. Nowe dyslokacje są generowane w pobliżu źródła odczytu.
Granica plastyczności zwiększa się w materiale obrabianym na zimno. Korzystając z pól odkształceń kratowych, można wykazać, że środowisko wypełnione dyslokacjami będzie utrudniać ruch dowolnego dyslokacji. Ponieważ ruch dyslokacyjny jest utrudniony, deformacja plastyczna nie może wystąpić przy normalnych naprężeniach. Po zastosowaniu naprężeń tuż poza granicą plastyczności materiału nie obrabianego na zimno, materiał obrabiany na zimno będzie nadal odkształcać się przy użyciu jedynego dostępnego mechanizmu: odkształcenia sprężystego, regularny schemat rozciągania lub ściskania wiązań elektrycznych (bez ruchu zwichnięcia) nadal występuje, a moduł sprężystości pozostaje niezmieniony. Ostatecznie stres jest wystarczająco duży, aby przezwyciężyć interakcje odkształcenia i odkształcenia plastyczne wznawia.
jednak plastyczność utwardzanego materiału jest zmniejszona. Plastyczność to stopień, w jakim materiał może ulegać odkształceniom plastycznym, to znaczy, jak daleko materiał może być plastycznie zdeformowany przed złamaniem. Materiał obrabiany na zimno jest w rzeczywistości normalnym (kruchym) materiałem, który został już rozszerzony przez część dozwolonego odkształcenia plastycznego. Jeśli ruch zwichnięcia i odkształcenie plastyczne zostały wystarczająco utrudnione przez gromadzenie się zwichnięcia, a rozciąganie wiązań elektronicznych i odkształcenie elastyczne osiągnęły swój limit, występuje trzeci tryb odkształcenia: złamanie.
Quantification of work hardeningEdit
the strength, τ {\displaystyle \tau }
, dyslokacji zależy od modułu ścinania, g, wielkości wektora hamburgera, b i gęstości dyslokacji, ρ ρ {\displaystyle \rho _{\perp }}
: τ = τ 0 + g α b ρ ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau =\tau _{0} + g \ alpha b\Rho _{\perp }^{1/2}\ }
gdzie τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
jest wewnętrzną wytrzymałością materiału o niskiej gęstości dyslokacji i α {\displaystyle \ alpha }
jest współczynnikiem korekcji specyficznym dla materiału.
jak pokazano na rysunku 1 i powyższym równaniu, utwardzanie pracy ma połowę zależności od liczby dyslokacji. Materiał wykazuje wysoką wytrzymałość, jeśli występują wysokie poziomy zwichnięć (większe niż 1014 zwichnięć na m2) lub brak zwichnięć. Umiarkowana liczba zwichnięć (między 107 A 109 zwichnięć na m2) zwykle skutkuje niską siłą.
Przykładedit
w ekstremalnym przykładzie, w próbie rozciągania pręt stalowy jest napięty tuż przed długością, przy której zwykle się łamie. Obciążenie jest uwalniane płynnie, a materiał łagodzi niektóre jego naprężenia poprzez zmniejszenie długości. Zmniejszenie długości nazywa się odzyskiwaniem sprężystym,a efektem końcowym jest pręt stalowy utwardzony. Ułamek długości odzyskanej (długość odzyskana/długość pierwotna) jest równy naprężeniu plastycznemu podzielonemu przez moduł sprężystości. (Tutaj omawiamy prawdziwe naprężenie w celu uwzględnienia drastycznego zmniejszenia średnicy w tej próbie rozciągania.) Długość odzyskana po usunięciu ładunku z materiału tuż przed jego pęknięciem jest równa długości odzyskanej po usunięciu ładunku tuż przed jego odkształceniem plastycznym.
Pręt Ze Stali Hartowanej ma wystarczająco dużą liczbę zwichnięć, że oddziaływanie pola naprężenia zapobiega wszelkim odkształceniom plastycznym. Kolejne odkształcenie wymaga naprężenia, które zmienia się liniowo z odkształceniem obserwowanym, nachylenie wykresu naprężenia vs. odkształcenie jest moduł sprężystości, jak zwykle.
pęknięcia prętów ze stali hartowanej, gdy przyłożone naprężenie przekracza zwykłe naprężenie złamania, a odkształcenie przekracza zwykłe naprężenie złamania. Można to uznać za granicę sprężystości, a naprężenie plastyczne jest teraz równe wytrzymałości na pękanie, która jest znacznie wyższa niż naprężenie plastyczne ze stali utwardzanej bez pracy.
ilość odkształceń plastycznych jest zerowa, co jest mniejsze niż ilość odkształceń plastycznych możliwych dla materiału niezhartowanego. W ten sposób zmniejsza się ciągliwość pręta obrabianego na zimno.
znaczna i długotrwała kawitacja może również powodować stwardnienie szczepu.