före arbetshärdning uppvisar materialets gitter ett regelbundet, nästan felfritt mönster (nästan inga dislokationer). Den defektfria gitteret kan skapas eller återställas när som helst genom glödgning. När materialet härdas blir det alltmer mättat med nya dislokationer, och fler dislokationer förhindras från kärnbildning (ett motstånd mot dislokationsbildning utvecklas). Detta motstånd mot dislokation-bildning manifesterar sig som ett motstånd mot plastisk deformation; följaktligen den observerade förstärkningen.
i metalliska kristaller är detta en reversibel process och utförs vanligtvis i mikroskopisk skala av defekter som kallas dislokationer, som skapas av fluktuationer i lokala stressfält inom materialet som kulminerar i en gitteromläggning när dislokationerna sprids genom gitteret. Vid normala temperaturer förstörs inte dislokationerna genom glödgning. Istället ackumuleras förskjutningarna, interagerar med varandra och fungerar som fästpunkter eller hinder som väsentligt hindrar deras rörelse. Detta leder till en ökning av materialets avkastningsstyrka och en efterföljande minskning av duktiliteten.
sådan deformation ökar koncentrationen av dislokationer som därefter kan bilda korngränser med låg vinkel kring underkorn. Kallbearbetning resulterar i allmänhet i en högre avkastningsstyrka som ett resultat av det ökade antalet dislokationer och Hall–Petch-effekten av delkornen och en minskning av duktilitet. Effekterna av kallbearbetning kan vändas genom glödgning av materialet vid höga temperaturer där återhämtning och omkristallisering minskar dislokationstätheten.
ett materials arbetshärdbarhet kan förutsägas genom att analysera en spänningskurva eller studeras i sammanhang genom att utföra hårdhetsprov före och efter en process.
elastisk och plastisk deformationredigera
arbetshärdning är en följd av plastisk deformation, en permanent formförändring. Detta skiljer sig från elastisk deformation, som är reversibel. De flesta material uppvisar inte bara det ena eller det andra, utan snarare en kombination av de två. Följande diskussion gäller mestadels metaller, särskilt stål, som är väl studerade. Arbetshärdning förekommer framför allt för duktila material som metaller. Duktilitet är förmågan hos ett material att genomgå plastiska deformationer före fraktur (till exempel böjning av en stålstång tills den slutligen bryts).
dragprovet används ofta för att studera deformationsmekanismer. Detta beror på att under kompression kommer de flesta material att uppleva triviala (gitterfel) och icke-triviala (knäckande) händelser innan plastisk deformation eller fraktur inträffar. Därför gör de mellanliggande processerna som förekommer i materialet under enaxlig kompression före förekomsten av plastisk deformation det komprimerande testet med svårigheter.
ett material deformeras vanligtvis elastiskt under påverkan av små krafter; materialet återgår snabbt till sin ursprungliga form när deformeringskraften avlägsnas. Detta fenomen kallas elastisk deformation. Detta beteende i material beskrivs av Hookes lag. Material beter sig elastiskt tills deformeringskraften ökar utöver den elastiska gränsen, som också kallas avkastningsspänningen. Vid den tidpunkten deformeras materialet permanent och återgår inte till sin ursprungliga form när kraften avlägsnas. Detta fenomen kallas plastisk deformation. Till exempel, om man sträcker en spiralfjäder upp till en viss punkt, kommer den att återgå till sin ursprungliga form, men när den sträcker sig bortom den elastiska gränsen kommer den att förbli deformerad och kommer inte att återgå till sitt ursprungliga tillstånd.
elastisk deformation sträcker bindningarna mellan atomer bort från deras jämviktsradie för separation, utan att applicera tillräckligt med energi för att bryta de interatomiska bindningarna. Plastisk deformation bryter å andra sidan inter-atomiska bindningar och involverar därför omläggning av atomer i ett fast material.
dislokationer och galler stam fieldsEdit
i materialvetenskap språkbruk, dislokationer definieras som linjedefekter i ett materials kristallstruktur. Bindningarna som omger dislokationen är redan elastiskt ansträngda av defekten jämfört med bindningarna mellan beståndsdelarna i det vanliga kristallgitteret. Därför bryts dessa bindningar vid relativt lägre spänningar, vilket leder till plastisk deformation.
de ansträngda bindningarna runt en dislokation kännetecknas av gitterstamfält. Till exempel finns det komprimerat ansträngda bindningar direkt bredvid en kantförskjutning och töjbart ansträngda bindningar bortom slutet av en kantförskjutning. Dessa bildar komprimerande töjningsfält respektive dragspänningsfält. Stamfält är analoga med elektriska fält på vissa sätt. Specifikt följer stamfälten av dislokationer liknande lagar om attraktion och repulsion; för att minska den totala belastningen lockas kompressionsstammar till dragstammar och vice versa.
de synliga (makroskopiska) resultaten av plastisk deformation är resultatet av mikroskopisk dislokationsrörelse. Till exempel är sträckningen av en stålstång i en Dragprovare inrymd genom dislokationsrörelse på atomskalan.
ökning av dislokationer och arbetshärdningredigera
ökning av antalet dislokationer är en kvantifiering av arbetshärdning. Plastisk deformation uppstår som en följd av arbete som utförs på ett material; energi läggs till materialet. Dessutom appliceras energin nästan alltid tillräckligt snabbt och i tillräckligt stor storlek för att inte bara flytta befintliga dislokationer utan också för att producera ett stort antal nya dislokationer genom att krossa eller bearbeta materialet tillräckligt nog. Nya dislokationer genereras i närheten av en Frank–Läs källa.
sträckgräns ökas i ett kallbearbetat material. Med hjälp av gitterstamfält kan det visas att en miljö fylld med dislokationer kommer att hindra rörelsen av någon dislokation. Eftersom förskjutningsrörelsen hindras kan plastisk deformation inte uppstå vid normala spänningar. Vid applicering av spänningar strax bortom sträckgränsen för det icke-kallbearbetade materialet fortsätter ett kallbearbetat material att deformeras med den enda tillgängliga mekanismen: elastisk deformation, det vanliga systemet för sträckning eller komprimering av elektriska bindningar (utan dislokationsrörelse) fortsätter att inträffa, och elasticitetsmodulen är oförändrad. Så småningom är stressen tillräckligt stor för att övervinna ansträngningsfältets interaktioner och plastisk deformation återupptas.
emellertid minskas duktiliteten hos ett arbetshärdat material. Duktilitet är i vilken utsträckning ett material kan genomgå plastisk deformation, det vill säga det är hur långt ett material kan deformeras plastiskt före fraktur. Ett kallbearbetat material är i själva verket ett normalt (sprött) material som redan har förlängts genom en del av dess tillåtna plastisk deformation. Om dislokationsrörelse och plastisk deformation har hindrats tillräckligt av dislokationsackumulering, och sträckning av elektroniska bindningar och elastisk deformation har nått sin gräns, inträffar ett tredje deformationssätt: fraktur.
kvantifiering av arbetshärdningredigera
styrkan, {\displaystyle \tau }
, av dislokation är beroende av skjuvmodulen, G, storleken på Burgervektorn, b och dislokationstätheten, {\displaystyle \Rho _ {\perp}}
: 0 + G 1 / 2 {\displaystyle \tau = \tau _{0}+g\alpha B\Rho _ {\perp }^{1/2}\ }
där 0 {\displaystyle \ tau _{0}}
är materialets inneboende styrka med låg dislokationstäthet och {\displaystyle \alpha }
är en korrektionsfaktor som är specifik för materialet.
som visas i Figur 1 och ekvationen ovan har arbetshärdning ett halvt rotberoende av antalet dislokationer. Materialet uppvisar hög hållfasthet om det finns antingen höga nivåer av dislokationer (större än 1014 dislokationer per m2) eller inga dislokationer. Ett måttligt antal dislokationer (mellan 107 och 109 dislokationer per m2) resulterar vanligtvis i låg styrka.
ExampleEdit
för ett extremt exempel, i ett dragprov en stång av stål är ansträngd till strax före den längd vid vilken den vanligtvis frakturer. Lasten frigörs smidigt och materialet lindrar en del av sin belastning genom att minska i längd. Minskningen i längd kallas elastisk återhämtning, och slutresultatet är en arbetshärdad stålstång. Fraktionen av återvunnen längd (längd återvunnen/originallängd) är lika med avkastningsspänningen dividerad med elasticitetsmodulen. (Här diskuterar vi sann stress för att redogöra för den drastiska minskningen i diameter i detta dragprov.) Längden som återvinns efter avlägsnande av en last från ett material strax innan det går sönder är lika med längden som återvinns efter avlägsnande av en last strax innan den går in i plastisk deformation.
den arbetshärdade stålstången har ett tillräckligt stort antal dislokationer som töjningsfältets interaktion förhindrar all plastisk deformation. Efterföljande deformation kräver en spänning som varierar linjärt med den observerade belastningen, lutningen på spänningsgrafen vs. stam är elasticitetsmodulen, som vanligt.
den arbetshärdade stålstången spricker när den applicerade spänningen överstiger den vanliga frakturspänningen och stammen överstiger den vanliga frakturstammen. Detta kan anses vara den elastiska gränsen och avkastningsspänningen är nu lika med fraktursegheten, vilket är mycket högre än en icke-arbetshärdad stålavkastningsspänning.
mängden plastisk deformation som är möjlig är noll, vilket är mindre än mängden plastisk deformation som är möjlig för ett icke-arbetshärdat material. Sålunda reduceras duktiliteten hos den kallbearbetade baren.
betydande och långvarig kavitation kan också producera stamhärdning.