Before work hardening, the lattice of the material exibe um padrão regular, quase livre de defeitos (quase nenhum deslocamento). A estrutura livre de defeitos pode ser criada ou restaurada a qualquer momento por recozimento. À medida que o material é trabalhado duro, ele se torna cada vez mais saturado com novos deslocamentos, e mais deslocamentos são impedidos de nuclearizar (uma resistência à formação-deslocamento se desenvolve). Esta resistência à formação de deslocamentos manifesta-se como uma resistência à deformação plástica; daí, o fortalecimento observado.
em cristais metálicos, este é um processo reversível e é geralmente realizado em uma escala microscópica por defeitos chamados deslocamentos, que são criados por flutuações em campos de tensão locais dentro do material, culminando em um rearranjo de retículo como os deslocamentos se propagam através da estrutura. A temperaturas normais, os deslocamentos não são aniquilados por recozimento. Em vez disso, os deslocamentos acumulam-se, interagem uns com os outros, e servem como pontos de fixação ou obstáculos que impedem significativamente o seu movimento. Isto leva a um aumento na força de rendimento do material e uma subsequente diminuição na ductilidade.
tal deformação aumenta a concentração de deslocamentos que podem posteriormente formar limites de grãos de baixo ângulo em torno dos sub-grãos. O trabalho a frio geralmente resulta em uma maior força de rendimento, como resultado do aumento do número de deslocamentos e do efeito Hall–Petch dos sub-grãos, e uma diminuição na ductilidade. Os efeitos do trabalho a frio podem ser revertidos por recozimento do material a altas temperaturas, onde a recuperação e recristalização reduzem a densidade de deslocamento.
a hardenability do trabalho de um material pode ser prevista através da análise de uma curva de tensão–tensão, ou estudada no contexto através da realização de testes de dureza antes e depois de um processo.
deformações elásticas e plásticas
o endurecimento do trabalho é uma consequência de deformação plástica, uma mudança permanente na forma. Isto é distinto da deformação elástica, que é reversível. A maioria dos materiais não exibem apenas um ou outro, mas sim uma combinação dos dois. A discussão seguinte aplica-se principalmente aos metais, especialmente aos aços, que são bem estudados. O endurecimento do trabalho ocorre mais notavelmente para materiais dúcteis como metais. Ductilidade é a capacidade de um material para passar por deformações plásticas antes da fratura (por exemplo, dobrar uma haste de aço até que finalmente quebre).
O ensaio de tracção é amplamente utilizado para estudar os mecanismos de deformação. Isto é porque sob compressão, a maioria dos materiais vai experimentar eventos triviais (desfasamento de retículos) e não triviais (buckling) antes de deformação plástica ou fratura ocorrer. Daí os processos intermediários que ocorrem ao material sob compressão uniaxial antes da incidência de deformação plástica fazer o teste de compressão cheio de dificuldades.
um material geralmente deforma elasticamente sob a influência de pequenas forças; o material retorna rapidamente à sua forma original quando a força deformante é removida. Este fenômeno é chamado de deformação elástica. Este comportamento em materiais é descrito pela Lei de Hooke. Os materiais comportam-se elasticamente até que a força deformadora aumente para além do limite elástico, que também é conhecido como a tensão de rendimento. Nesse ponto, o material é permanentemente deformado e não retorna à sua forma original quando a força é removida. Este fenômeno é chamado de deformação plástica. Por exemplo, se se esticar uma mola até um certo ponto, ela voltará à sua forma original, mas uma vez esticada além do limite elástico, ela permanecerá deformada e não voltará ao seu estado original.
deformações elásticas esticam as ligações entre átomos longe de seu raio de equilíbrio de separação, sem aplicar energia suficiente para quebrar as ligações interatômicas. A deformação plástica, por outro lado, quebra as ligações interatômicas e, portanto, envolve o rearranjo de átomos em um material sólido.
deslocações e tensão da rede fieldsEdit
na linguagem da ciência dos materiais, os deslocamentos são definidos como defeitos de linha na estrutura cristalina de um material. As ligações em torno da deslocação já estão elasticamente tensas pelo defeito em comparação com as ligações entre os constituintes da estrutura de cristal regular. Portanto, essas ligações quebram em tensões relativamente menores, levando a deformação plástica.
as ligações tensas em torno de um deslocamento são caracterizadas por campos de tensão de retículo. Por exemplo, existem ligações compressivamente tensas diretamente ao lado de um deslocamento de aresta e ligações tensileiramente tensas além da extremidade de um deslocamento de aresta. Estes formam campos de tensão de compressão e campos de tensão de tracção, respectivamente. Campos de tensão são análogos aos campos elétricos de certas maneiras. Especificamente, os campos de tensão de deslocamentos obedecem a leis semelhantes de atração e repulsão; a fim de reduzir a tensão global, estirpes de compressão são atraídas para estirpes de tensão, e vice-versa.
os resultados visíveis (macroscópicos) da deformação plástica são o resultado do movimento de deslocação microscópico. Por exemplo, o alongamento de uma vara de aço em um testador de tracção é acomodado através do movimento de deslocamento na escala atômica.
aumento das deslocações e do trabalho
O aumento do número de deslocamentos é uma quantificação do endurecimento do trabalho. A deformação plástica ocorre como consequência do trabalho realizado sobre um material; a energia é adicionada ao material. Além disso, a energia é quase sempre aplicada com rapidez suficiente e em grande magnitude suficiente para não só mover deslocamentos existentes, mas também para produzir um grande número de novos deslocamentos por Jarrar ou trabalhar o material suficientemente. Novos deslocamentos são gerados na proximidade de uma fonte de leitura Franca.
a resistência ao rendimento é aumentada num material trabalhado a frio. Usando campos de tensão de retículo, pode ser mostrado que um ambiente cheio de deslocações irá impedir o movimento de qualquer um deslocamento. Uma vez que o movimento de deslocação é dificultado, a deformação plástica não pode ocorrer a tensões normais. Após a aplicação de tensões pouco além da resistência de rendimento do material não trabalhado a frio, um material trabalhado a frio continuará a deformar-se usando o único mecanismo disponível: deformação elástica, o esquema regular de alongamento ou compressão de ligações elétricas (sem movimento de deslocação) continua a ocorrer, e o módulo de elasticidade é inalterado. Eventualmente, o estresse é grande o suficiente para superar as interações de campo de tensão e os currículos de deformação plástica.
no entanto, a ductilidade de um material endurecido é diminuída. Ductilidade é a extensão em que um material pode sofrer deformações plásticas, ou seja, é a distância em que um material pode ser plasticamente deformado antes da fratura. Um material trabalhado a frio é, de fato, um material normal (quebradiço) que já foi estendido através de parte de sua deformação plástica permitida. Se o movimento de deslocação e a deformação plástica tiverem sido suficientemente impedidos pela acumulação de deslocamentos, e o alongamento das ligações electrónicas e da deformação elástica tiverem atingido o seu limite, ocorre um terceiro modo de deformação.: fractura.
Quantificação de trabalho hardeningEdit
A força, τ {\displaystyle \tau }
, de deslocamento é dependente do módulo de elasticidade de cisalhamento, G, a magnitude do vetor de Burgers, b, e no deslocamento de densidade, ρ ⊥ {\displaystyle \rho _{\criminoso }}
: τ = τ 0 + G α b ρ ⊥ 1 / 2 {\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\criminoso }^{1/2}\ }
onde τ 0 {\displaystyle \tau _{0}}
é a força intrínseca do material com baixa deslocamento densidade e α {\displaystyle \alpha }
é um fator de correção específico para o material.
como mostrado na Figura 1 e na equação acima, o endurecimento do trabalho tem uma dependência de meia raiz do número de deslocamentos. O material exibe alta resistência se houver altos níveis de deslocamentos (maiores que 1014 deslocamentos por m2) ou sem deslocamentos. Um número moderado de deslocamentos (entre 107 e 109 deslocações por m2) normalmente resulta em baixa resistência.
ExampleEdit
para um exemplo extremo, num ensaio de tracção, uma barra de aço é amarrada pouco antes do comprimento em que geralmente fractura. A carga é libertada sem problemas e o material alivia alguma da sua tensão diminuindo de comprimento. A diminuição do comprimento é chamada de Recuperação elástica, e o resultado final é uma barra de aço endurecida. A fração do comprimento recuperado (comprimento recuperado/comprimento original) é igual à tensão de rendimento dividida pelo módulo de elasticidade. (Aqui discutimos o verdadeiro estresse, a fim de explicar a drástica diminuição no diâmetro neste teste de tracção.) O comprimento recuperado após a remoção de uma carga de um material pouco antes de quebrar é igual ao comprimento recuperado após a remoção de uma carga pouco antes de entrar deformação plástica.
a barra de aço endurecida tem um grande número de deslocamentos que a interacção do campo de tensão impede toda a deformação plástica. A deformação subseqüente requer uma tensão que varia linearmente com a tensão observada, a inclinação do Gráfico de tensão vs. tensão é o módulo de elasticidade, como de costume.
as fracturas da barra de aço endurecida durante o trabalho, quando o esforço aplicado excede o esforço de fractura habitual e a tensão excede a tensão de fractura habitual. Isto pode ser considerado como sendo o limite elástico e a tensão de rendimento é agora igual à dureza da fratura, que é muito maior do que uma tensão de produção de aço não trabalhada.
a quantidade de deformação plástica possível é zero, o que é inferior à quantidade de deformação plástica possível para um material não endurecido. Assim, a ductilidade da barra trabalhada a frio é reduzida.
cavitação substancial e prolongada também pode produzir endurecimento da estirpe.