Utwardzanie robocze - Work hardening

Fenomenologiczna krzywa jednoosiowego naprężenia-odkształcenia przedstawiająca typowe zachowanie plastyczne materiałów przy zgniataniu przy jednoosiowym ściskaniu. W przypadku materiałów utwardzanych przez zgniot granica plastyczności rośnie wraz ze wzrostem odkształcenia plastycznego. Odkształcenie można rozłożyć na odzyskiwalne odkształcenie sprężyste ( ) i odkształcenie nieelastyczne ( ). Naprężenie przy początkowej plastyczności wynosi . ${\ displaystyle \ varepsilon _ {e}}$${\ displaystyle \ varepsilon _ {p}}$${\ displaystyle \ sigma _ {0}}$

Utwardzanie przez zgniot , znane również jako umocnienie odkształceniowe , to wzmocnienie metalu lub polimeru przez odkształcenie plastyczne . Utwardzanie w pracy może być pożądane, niepożądane lub nieistotne, w zależności od kontekstu.

To wzmocnienie następuje z powodu ruchów dyslokacji i generowania dyslokacji w strukturze krystalicznej materiału. W ten sposób można wzmocnić wiele niekruchych metali o stosunkowo wysokiej temperaturze topnienia, jak również kilka polimerów. Stopy nienadające się do obróbki cieplnej , w tym stal niskowęglowa, są często utwardzane przez zgniot. Niektórych materiałów nie można utwardzać w niskich temperaturach, takich jak ind , natomiast inne można wzmocnić tylko poprzez utwardzanie, np. Czysta miedź i aluminium.

Niepożądane utwardzanie podczas pracy

Przykładem niepożądanego utwardzania jest podczas obróbki skrawaniem, kiedy wczesne przejścia frezu nieumyślnie utwardzają powierzchnię przedmiotu obrabianego, powodując uszkodzenie frezu podczas późniejszych przejść. Niektóre stopy są na to bardziej podatne niż inne; superstopy, takie jak Inconel, wymagają strategii obróbki, które to uwzględniają.

W przypadku przedmiotów metalowych zaprojektowanych do zginania, takich jak sprężyny , zwykle stosuje się specjalistyczne stopy, aby uniknąć utwardzania (w wyniku odkształcenia plastycznego ) i zmęczenia metalu , przy czym wymagana jest specjalna obróbka cieplna, aby uzyskać niezbędne właściwości.

Celowe utwardzanie

Przykładem pożądanego utwardzania przez zgniot jest to, które występuje w procesach obróbki metali, które celowo wywołują odkształcenie plastyczne w celu wymuszenia zmiany kształtu. Procesy te są znane jako procesy obróbki plastycznej na zimno lub formowania na zimno. Charakteryzują się kształtowaniem przedmiotu obrabianego w temperaturze poniżej jego temperatury rekrystalizacji , zwykle w temperaturze otoczenia . Techniki formowania na zimno są zwykle podzielone na cztery główne grupy: ściskanie , zginanie , ciągnienie i ścinanie . Zastosowania obejmują nagłówek śrub i wkrętów z łbem walcowym oraz wykończenie stali walcowanej na zimno . Podczas formowania na zimno metal jest formowany z dużą prędkością i wysokim ciśnieniem za pomocą narzędzi ze stali narzędziowej lub węglika. Obróbka na zimno metalu zwiększa twardość, granicę plastyczności i wytrzymałość na rozciąganie.

Teoria

Przed utwardzeniem przez zgniot siatka materiału wykazuje regularny, prawie wolny od defektów wzór (prawie bez przemieszczeń). Siatkę bez defektów można w każdej chwili utworzyć lub odtworzyć przez wyżarzanie . W miarę utwardzania materiału materiał staje się coraz bardziej nasycony nowymi dyslokacjami, a więcej dyslokacji nie ulega zarodkowaniu (rozwija się odporność na tworzenie się dyslokacji). Ta odporność na tworzenie się dyslokacji przejawia się jako odporność na odkształcenia plastyczne; stąd obserwowane wzmocnienie.

W przypadku kryształów metalicznych jest to proces odwracalny i zwykle przeprowadzany w skali mikroskopowej przez defekty zwane dyslokacjami, które powstają w wyniku fluktuacji lokalnych pól naprężeń w materiale, których kulminacją jest przegrupowanie sieci krystalicznej, gdy dyslokacje rozprzestrzeniają się w sieci. W normalnych temperaturach dyslokacje nie są anihilowane przez wyżarzanie. Zamiast tego dyslokacje kumulują się, oddziałują ze sobą i służą jako punkty zaczepienia lub przeszkody, które znacznie utrudniają ich ruch. Prowadzi to do wzrostu granicy plastyczności materiału i późniejszego spadku plastyczności.

Takie odkształcenie zwiększa koncentrację dyslokacji, które mogą następnie tworzyć granice ziaren o małym kącie otaczające podziarna. Obróbka na zimno generalnie skutkuje wyższą granicą plastyczności w wyniku zwiększonej liczby dyslokacji i efektu Halla-Petcha sub-ziaren oraz spadku plastyczności. Skutki obróbki na zimno można odwrócić przez wyżarzanie materiału w wysokich temperaturach, w których odzysk i rekrystalizacja zmniejszają gęstość dyslokacji.

Pracy danego materiału na hartowność można przewidzieć na podstawie analizy krzywej naprężenie-odkształcenie lub badane w kontekście wykonując twardości prób przed i po procesie.

Odkształcenie elastyczne i plastyczne

Utwardzanie podczas pracy jest konsekwencją odkształcenia plastycznego, trwałej zmiany kształtu. Różni się to od odkształcenia sprężystego, które jest odwracalne. Większość materiałów nie wykazuje tylko jednego lub drugiego, ale raczej połączenie tych dwóch. Poniższa dyskusja dotyczy głównie metali, zwłaszcza stali, które są dobrze zbadane. Utwardzanie przez zgniot występuje przede wszystkim w przypadku materiałów ciągliwych, takich jak metale. Ciągliwość to zdolność materiału do ulegania odkształceniom plastycznym przed pęknięciem (na przykład zginanie stalowego pręta, aż w końcu się złamie).

Próba rozciągania jest szeroko stosowana do badania mechanizmów deformacji. Dzieje się tak, ponieważ podczas ściskania większość materiałów będzie doświadczać trywialnych (niedopasowanie sieci) i nietrywialnych (wyboczenie) zdarzeń, zanim nastąpi odkształcenie plastyczne lub pęknięcie. Stąd pośrednie procesy zachodzące w materiale poddanym jednoosiowemu ściskaniu przed wystąpieniem odkształcenia plastycznego sprawiają, że próba ściskania jest obarczona trudnościami.

Materiał generalnie odkształca się elastycznie pod wpływem niewielkich sił ; materiał szybko wraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu siły odkształcającej. Zjawisko to nazywane jest odkształceniem sprężystym . Takie zachowanie w materiałach opisuje prawo Hooke'a . Materiały zachowują się elastycznie, dopóki siła odkształcająca nie wzrośnie poza granicę sprężystości , znaną również jako granica plastyczności. W tym momencie materiał jest trwale zdeformowany i nie powraca do swojego pierwotnego kształtu po usunięciu siły. Zjawisko to nazywane jest odkształceniem plastycznym . Na przykład, jeśli rozciągniemy sprężynę śrubową do pewnego punktu, powróci ona do swojego pierwotnego kształtu, ale gdy zostanie rozciągnięta poza granicę sprężystości, pozostanie zdeformowana i nie powróci do swojego pierwotnego stanu.

Elastyczna deformacja rozciąga wiązania między atomami z dala od ich równowagowego promienia rozdzielenia, bez przykładania energii wystarczającej do zerwania wiązań międzyatomowych. Z drugiej strony odkształcenie plastyczne rozrywa wiązania międzyatomowe, a zatem obejmuje przegrupowanie atomów w materiale stałym.

Dyslokacje i pola naprężeń kratowych

W żargonie materiałoznawczym dyslokacje definiuje się jako defekty linii w strukturze kryształu materiału. Wiązania otaczające dyslokację są już elastycznie napięte przez defekt w porównaniu z wiązaniami między składnikami regularnej sieci krystalicznej. Dlatego te wiązania pękają przy stosunkowo mniejszych naprężeniach, co prowadzi do odkształcenia plastycznego.

Napięte wiązania wokół dyslokacji charakteryzują się polami naprężenia sieci . Na przykład, istnieją wiązania naprężone ściskająco bezpośrednio obok zwichnięcia krawędzi i wiązania naprężone naprężeniem poza końcem zwichnięcia krawędzi. Tworzą one odpowiednio pola odkształcenia ściskającego i pola odkształcenia rozciągającego. Pola naprężeń są pod pewnymi względami analogiczne do pól elektrycznych . W szczególności pola naprężeń dyslokacji podlegają podobnym prawom przyciągania i odpychania; w celu zmniejszenia całkowitego odkształcenia, naprężenia ściskające przyciągane są przez naprężenia rozciągające i odwrotnie.

Widoczne ( makroskopowe ) skutki odkształcenia plastycznego są wynikiem mikroskopowego ruchu przemieszczenia. Na przykład rozciąganie stalowego pręta w próbniku rozciągania jest kompensowane przez ruch przemieszczenia w skali atomowej.

Zwiększenie zwichnięć i umocnienie podczas pracy

Rysunek 1: Granica plastyczności uporządkowanego materiału jest zależna od liczby występujących dyslokacji w połowie pierwiastka.

Wzrost liczby zwichnięć jest kwantyfikacją utwardzania przez zgniot. Odkształcenie plastyczne następuje w wyniku pracy wykonywanej na materiale; energia jest dodawana do materiału. Ponadto energia jest prawie zawsze dostarczana wystarczająco szybko i na dostatecznie dużą wielkość, aby nie tylko poruszyć istniejące dyslokacje, ale także wytworzyć dużą liczbę nowych dyslokacji przez wstrząsanie lub dostateczną obróbkę materiału. Nowe dyslokacje są generowane w pobliżu źródła Frank – Read .

W przypadku materiału obrabianego na zimno zwiększa się granica plastyczności. Korzystając z pól naprężeń kratowych, można wykazać, że środowisko wypełnione dyslokacjami będzie utrudniać ruch dowolnej jednej dyslokacji. Ponieważ ruch zwichnięcia jest utrudniony, odkształcenie plastyczne nie może wystąpić przy normalnych naprężeniach . Po zastosowaniu naprężeń przekraczających granicę plastyczności materiału nieobrobionego na zimno, materiał obrobiony na zimno będzie nadal odkształcał się za pomocą jedynego dostępnego mechanizmu: odkształcenie sprężyste, regularny schemat rozciągania lub ściskania wiązań elektrycznych (bez ruchu przemieszczania ) nadal występuje, a moduł sprężystości pozostaje niezmieniony. Ostatecznie naprężenie jest wystarczająco duże, aby przezwyciężyć interakcje odkształcenie-pole i wznawia się odkształcenie plastyczne.

Jednak plastyczność materiału utwardzonego przez zgniot jest zmniejszona. Ciągliwość to stopień, w jakim materiał może ulec odkształceniu plastycznemu, to znaczy to, jak bardzo materiał może zostać odkształcony plastycznie przed pęknięciem. W efekcie materiał obrobiony na zimno jest normalnym (kruchym) materiałem, który został już rozciągnięty przez część dozwolonego odkształcenia plastycznego. Jeśli ruch dyslokacyjny i odkształcenie plastyczne zostały dostatecznie utrudnione przez akumulację dyslokacji, a rozciąganie wiązań elektronowych i odkształcenie sprężyste osiągnęły swój limit, następuje trzeci rodzaj deformacji: pęknięcie.

Kwantyfikacja utwardzania przez zgniot

Siła dyslokacji zależy od modułu ścinania G, wielkości wektora Burgersa b i gęstości dyslokacji : ${\ displaystyle \ tau}$${\ displaystyle \ rho _ {\ perp}}$

${\ Displaystyle \ tau = \ tau _ {0} + G \ alfa b \ rho _ {\ perp} ^ {1/2} \}$

gdzie jest wewnętrzną wytrzymałością materiału o małej gęstości dyslokacji i jest współczynnikiem korygującym specyficznym dla materiału. ${\ displaystyle \ tau _ {0}}$${\ displaystyle \ alpha}$

Jak pokazano na rysunku 1 i powyższym równaniu, utwardzanie przez zgniot ma zależność w połowie pierwiastka od liczby dyslokacji. Materiał ten wykazuje wysoką wytrzymałość, jeśli istnieją zarówno wysokie poziomy dyslokacji (większej niż 10 ¹⁴ dyslokacji na m ² ), lub bez zwichnięcia. Umiarkowane ilość dyslokacji (w granicach 10 ⁷ i 10 ⁹ dyslokacji na m ² ), na ogół daje małą wytrzymałość.

Przykład

Na przykład w ekstremalnym przypadku, w próbie rozciągania pręt ze stali jest odkształcany tuż przed długością, na której zwykle pęka. Obciążenie jest zwalniane płynnie, a materiał odciąża część jego odkształcenia poprzez zmniejszenie długości. Zmniejszenie długości nazywa się odzyskiem sprężystym, a efektem końcowym jest utwardzony przez zgniot stalowy pręt. Ułamek odzyskanej długości (długość odzyskana / długość pierwotna) jest równy naprężeniu plastycznemu podzielonemu przez moduł sprężystości. (Tutaj omawiamy prawdziwe naprężenie w celu uwzględnienia drastycznego spadku średnicy w tej próbie rozciągania). Długość odzyskana po usunięciu obciążenia z materiału tuż przed jego zerwaniem jest równa długości odzyskanej po usunięciu obciążenia tuż przed jego wejściem odkształcenia plastyczne.

Stalowy pręt utwardzany przez zgniot ma wystarczająco dużą liczbę przemieszczeń, że oddziaływanie pola odkształcenia zapobiega wszelkim odkształceniom plastycznym. Późniejsze odkształcenie wymaga naprężenia, które zmienia się liniowo wraz z obserwowanym odkształceniem , a nachylenie wykresu naprężenie w funkcji odkształcenia jest jak zwykle modułem sprężystości.

Stalowy pręt utwardzony przez zgniot pęka, gdy przyłożone naprężenie przekracza zwykłe naprężenie pękania, a odkształcenie przekracza zwykłe odkształcenie przy pękaniu. Można to uznać za granicę sprężystości, a granica plastyczności jest teraz równa odporności na pękanie , która jest znacznie wyższa niż granica plastyczności stali nieutwardzonej przez zgniot.

Możliwa wielkość odkształcenia plastycznego wynosi zero, czyli mniej niż wielkość odkształcenia plastycznego możliwego dla materiału nieutwardzonego przez zgniot. W ten sposób plastyczność pręta obrobionego na zimno jest zmniejszona.

Znaczna i długotrwała kawitacja może również powodować twardnienie odkształceniowe.

Relacje empiryczne

Istnieją dwa powszechne opisy matematyczne zjawiska utwardzania przez zgniot. Równanie Hollomona to zależność prawa mocy między naprężeniem a wielkością odkształcenia plastycznego:

${\ Displaystyle \ sigma = K \ epsilon _ {p} ^ {n} \, \!}$

gdzie σ to naprężenie, K jest współczynnikiem wskaźnik wytrzymałości i wytrzymałości, ε _P jest odkształcenie plastyczne, a n jest wykładnikiem umocnieniu przez zgniot . Równanie Ludwika jest podobne, ale zawiera granicę plastyczności:

${\ Displaystyle \ sigma = \ sigma _ {y} + K \ epsilon _ {p} ^ {n} \, \!}$

Jeżeli materiał został poddany wcześniejszemu odkształceniu (w niskiej temperaturze), wówczas granica plastyczności zostanie zwiększona o współczynnik zależny od wielkości wcześniejszego odkształcenia plastycznego ε ₀ :

${\ Displaystyle \ sigma = \ sigma _ {y} + K (\ epsilon _ {0} + \ epsilon _ {p}) ^ {n} \, \!}$

Stała K jest zależna od struktury i podlega wpływowi przetwarzania, podczas gdy n jest właściwością materiału, która normalnie mieści się w zakresie 0,2–0,5. Wskaźnik umocnienia można opisać:

${\ Displaystyle n = {\ Frac {d \ log (\ sigma)} {d \ log (\ epsilon)}} = {\ Frac {\ epsilon} {\ sigma}} {\ Frac {d \ sigma} {d \ epsilon}} \, \!}$

To równanie można oszacować na podstawie nachylenia wykresu log (σ) - log (ε). Przegrupowanie pozwala na określenie szybkości twardnienia odkształceniowego przy danym naprężeniu i odkształceniu:

${\ Displaystyle {\ Frac {d \ sigma} {d \ epsilon}} = n {\ Frac {\ sigma} {\ epsilon}} \ \!}$

Utwardzanie w określonych materiałach

Miedź

Miedzi pierwszym metalem w powszechnym użyciu narzędzi i pojemników, ponieważ jest to jeden z kilku metali dostępnych w postaci nieutlenionej, nie wymagając wytopu danego rudy . Miedź jest łatwo zmiękczana przez ogrzewanie, a następnie chłodzenie (nie twardnieje przez hartowanie, np. Hartowanie w zimnej wodzie). W tym wyżarzonym stanie może być następnie młotkowany, rozciągany i formowany w inny sposób, postępując w kierunku pożądanego ostatecznego kształtu, ale staje się twardszy i mniej plastyczny w miarę postępu prac. Jeśli praca będzie kontynuowana powyżej pewnej twardości, metal będzie miał tendencję do pękania podczas obróbki, dlatego może być okresowo ponownie wyżarzany w miarę kontynuowania kształtowania. Wyżarzanie jest zatrzymywane, gdy przedmiot obrabiany zbliża się do ostatecznego pożądanego kształtu, dzięki czemu produkt końcowy będzie miał pożądaną sztywność i twardość. Technika repoussé wykorzystuje te właściwości miedzi, umożliwiając konstruowanie trwałych artykułów jubilerskich i rzeźb (takich jak Statua Wolności ).

Złoto i inne metale szlachetne

Wiele biżuterii ze złota jest wytwarzanych przez odlewanie, z niewielką obróbką na zimno lub bez obróbki; który, w zależności od gatunku stopu, może pozostawić metal stosunkowo miękki i podatny na zginanie. Jednak jubiler może celowo używać utwardzania w celu wzmocnienia przedmiotów nadających się do noszenia, które są narażone na naprężenia, takich jak pierścienie .

Aluminium

Urządzenia wykonane z aluminium i jego stopów, takie jak samoloty, muszą być starannie zaprojektowane, aby zminimalizować lub równomiernie rozprowadzić podatność, co może prowadzić do utwardzania podczas pracy, a z kolei do pękania naprężeniowego, co może spowodować katastrofalną awarię. Z tego powodu nowoczesne aluminiowe samoloty będą miały określony czas użytkowania (zależny od rodzaju napotkanych obciążeń), po którym samolot będzie musiał zostać wycofany.

Bibliografia

Bibliografia

• Degarmo, E. Paul; Czarny, J T .; Kohser, Ronald A. (2003), Materiały i procesy w produkcji (wyd. 9), Wiley, ISBN   978-0-471-65653-1 .
• Smith, William F .; Hashemi, Javad (2006), Foundations of Materials Science and Engineering (4th ed.), McGraw-Hill, ISBN   978-0-07-295358-9 .