Упрочнение

Укрепление материала за счет пластической деформации.

Феноменологическая кривая одноосного напряжения-деформации , показывающая типичное пластическое поведение материалов при наклепе при одноосном сжатии. Для нагартованных материалов предел текучести увеличивается с увеличением пластической деформации . Деформацию можно разложить на восстанавливаемую упругую деформацию ( ε _e ) и неупругую деформацию ( ε _p ). Напряжение при начальной текучести составляет σ ₀ .

В материаловедении деформационное упрочнение , также известное как деформационное упрочнение , представляет собой упрочнение металла или полимера путем пластической деформации . Усиление работы может быть желательным, нежелательным или несущественным, в зависимости от контекста.

Это упрочнение происходит из-за движения дислокаций и образования дислокаций внутри кристаллической структуры материала. ^[1] Таким способом можно укрепить многие нехрупкие металлы с достаточно высокой температурой плавления , а также некоторые полимеры. ^[2] Сплавы, не поддающиеся термической обработке , в том числе низкоуглеродистые стали, часто подвергаются нагартованному упрочнению. Некоторые материалы не могут быть упрочнены при низких температурах, например , индий ^[3] , однако другие могут быть упрочнены только путем наклепа, например, чистая медь и алюминий. ^[4]

Нежелательное нагартование

Примером нежелательного наклепа является во время механической обработки , когда первые проходы фрезы непреднамеренно упрочняют поверхность заготовки, что приводит к повреждению фрезы во время последующих проходов. Некоторые сплавы более склонны к этому, чем другие; суперсплавы , такие как Инконель, требуют стратегий обработки, которые учитывают это.

Для металлических предметов, предназначенных для изгиба, таких как пружины , обычно используются специализированные сплавы, чтобы избежать наклепа (в результате пластической деформации ) и усталости металла , при этом для получения необходимых характеристик требуется специальная термическая обработка.

Намеренное упрочнение работы

Примером желательного наклепа является то, что происходит в процессах металлообработки , которые намеренно вызывают пластическую деформацию с целью изменения формы. Эти процессы известны как процессы холодной обработки или холодной штамповки. Они характеризуются формованием заготовки при температуре ниже температуры ее рекристаллизации , обычно при температуре окружающей среды . ^[5] Методы холодной штамповки обычно подразделяются на четыре основные группы: сжатие , изгиб , вытяжка и резка . Область применения включает в себя закрепление болтов и винтов, а также чистовую обработку холоднокатаной стали . При холодной штамповке металл формуют на высокой скорости и под высоким давлением с использованием штампов из инструментальной стали или твердосплавных сплавов. Холодная обработка металла увеличивает твердость, предел текучести и предел прочности. ^[6]

Теория

До наклепа решетка материала имеет регулярный, практически бездефектный рисунок (дислокации практически отсутствуют). Бездефектная решетка может быть создана или восстановлена ​​в любой момент путем отжига . По мере упрочнения материала он все больше насыщается новыми дислокациями, и зарождение новых дислокаций предотвращается (развивается сопротивление образованию дислокаций). Это сопротивление образованию дислокаций проявляется как сопротивление пластической деформации; отсюда и наблюдаемое усиление.

В металлических кристаллах это обратимый процесс, который обычно осуществляется в микроскопическом масштабе дефектами, называемыми дислокациями, которые создаются флуктуациями локальных полей напряжений внутри материала, завершающимися перестройкой решетки по мере распространения дислокаций по решетке. При нормальных температурах дислокации не аннигилируют при отжиге. Вместо этого дислокации накапливаются, взаимодействуют друг с другом и служат точками фиксации или препятствиями, существенно затрудняющими их движение. Это приводит к увеличению предела текучести материала и последующему снижению пластичности.

Такая деформация увеличивает концентрацию дислокаций, которые впоследствии могут образовывать пологие границы зерен, окружающие субзерна. Холодная обработка обычно приводит к более высокому пределу текучести в результате увеличения количества дислокаций и эффекта Холла-Петча субзерен, а также снижения пластичности. Эффекты холодной обработки можно обратить вспять путем отжига материала при высоких температурах, при котором восстановление и рекристаллизация уменьшают плотность дислокаций.

Способность материала к деформационному упрочнению можно предсказать путем анализа кривой растяжения-деформации или изучить в контексте, выполнив испытания на твердость до и после процесса. ^{[7] [8]}

Упругая и пластическая деформация

Нагарт является следствием пластической деформации, постоянного изменения формы. Это отличается от упругой деформации, которая обратима. Большинство материалов демонстрируют не только то или иное, а скорее их комбинацию. Следующее обсуждение в основном относится к металлам, особенно к стали, которые хорошо изучены. Деформационное упрочнение особенно характерно для пластичных материалов, таких как металлы. Пластичность — это способность материала подвергаться пластическим деформациям перед разрушением (например, сгибание стального стержня до его окончательного разрушения).

Испытание на растяжение широко используется для изучения механизмов деформирования. Это связано с тем, что при сжатии большинство материалов будут испытывать тривиальные (несоответствие решеток) и нетривиальные (выпучивание) события до того, как произойдет пластическая деформация или разрушение. Следовательно, промежуточные процессы, происходящие с материалом при одноосном сжатии до начала пластической деформации, делают испытание на сжатие сопряженным с трудностями.

Материал обычно упруго деформируется под действием малых сил ; материал быстро возвращается к своей первоначальной форме после устранения деформирующей силы. Это явление называется упругой деформацией . Такое поведение материалов описывается законом Гука . Материалы ведут себя упруго до тех пор, пока деформирующая сила не превысит предел упругости , который также известен как предел текучести. В этот момент материал постоянно деформируется и не может вернуться к своей первоначальной форме после прекращения воздействия силы. Это явление называется пластической деформацией . Например, если растянуть винтовую пружину до определенной точки, она вернется к своей исходной форме, но как только она растянется за предел упругости, она останется деформированной и не вернется в исходное состояние.

Упругая деформация растягивает связи между атомами от их равновесного радиуса разделения, не прилагая достаточно энергии для разрыва межатомных связей. Пластическая деформация, напротив, разрывает межатомные связи и, следовательно, предполагает перестановку атомов в твердом материале.

Дислокации и поля деформаций решетки

На языке материаловедения дислокации определяются как линейные дефекты в кристаллической структуре материала. Связи, окружающие дислокацию, уже упруго напряжены дефектом по сравнению со связями между составляющими регулярной кристаллической решетки. Следовательно, эти связи разрываются при относительно меньших напряжениях, что приводит к пластической деформации.

Напряженные связи вокруг дислокации характеризуются полями решеточных деформаций . Например, существуют связи, напряженные при сжатии непосредственно рядом с краевой дислокацией, и связи, напряженные при растяжении, за концом краевой дислокации. Они образуют поля деформаций сжатия и поля деформаций растяжения соответственно. Поля деформации в некотором смысле аналогичны электрическим полям . В частности, поля деформаций дислокаций подчиняются сходным законам притяжения и отталкивания; Чтобы уменьшить общую деформацию, деформации сжатия притягиваются к деформациям растяжения, и наоборот.

Видимые ( макроскопические ) результаты пластической деформации являются результатом микроскопического движения дислокаций. Например, растяжение стального стержня в тестере на растяжение учитывается движением дислокаций на атомном уровне.

Увеличение вывихов и наклепа

Рисунок 1: Предел текучести упорядоченного материала имеет полукорневую зависимость от количества присутствующих дислокаций.

Увеличение количества вывихов является количественной оценкой наклепа. Пластическая деформация возникает в результате работы , совершаемой над материалом; Энергия добавляется к материалу. Кроме того, энергия почти всегда применяется достаточно быстро и в достаточно большой величине, чтобы не только переместить существующие дислокации, но и создать большое количество новых дислокаций путем достаточного сотрясения или достаточной обработки материала. Новые дислокации генерируются вблизи источника Франка-Рида .

Предел текучести увеличивается у холоднодеформированного материала. Используя поля деформации решетки, можно показать, что среда, наполненная дислокациями, будет препятствовать движению любой одной дислокации. Поскольку движение дислокаций затруднено, пластическая деформация не может произойти при нормальных напряжениях . При приложении напряжений, превышающих предел текучести ненаклепанного материала, наклепанный материал будет продолжать деформироваться, используя единственный доступный механизм: упругую деформацию, регулярную схему растяжения или сжатия электрических связей (без движения дислокаций). ) продолжает происходить, а модуль упругости не изменяется. В конце концов напряжение становится достаточно большим, чтобы преодолеть взаимодействие поля деформации и пластическая деформация возобновляется.

Однако пластичность нагартованного материала снижается. Пластичность — это степень, в которой материал может подвергаться пластической деформации, то есть насколько материал может пластически деформироваться до разрушения. По сути, холоднодеформированный материал представляет собой обычный (хрупкий) материал, который уже растянулся за счет части допустимой пластической деформации. Если движение дислокаций и пластическая деформация достаточно затруднены накоплением дислокаций, а растяжение электронных связей и упругая деформация достигли своего предела, возникает третий вид деформации: разрушение.

Количественная оценка наклепа

Сила дислокации зависит от модуля сдвига G, величины вектора Бюргерса b и плотности дислокаций : ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle \rho _{\perp }}$

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

где – собственная прочность материала с низкой плотностью дислокаций и – поправочный коэффициент, специфичный для материала. ${\displaystyle \tau _{0}}$ ${\displaystyle \alpha }$

Как показано на рисунке 1 и в приведенном выше уравнении, нагартование имеет полукорневую зависимость от количества дислокаций. Материал обладает высокой прочностью при наличии большого количества дислокаций (более 10 ¹⁴ дислокаций на м ² ) или отсутствии дислокаций. Умеренное количество дислокаций (от 10 ⁷ до 10 ⁹ дислокаций на м ² ) обычно приводит к низкой прочности.

Пример

Крайний пример: при испытании на растяжение стальной стержень подвергается растяжению до длины, при которой он обычно разрушается. Нагрузка снимается плавно, и материал частично снимает напряжение за счет уменьшения длины. Уменьшение длины называется упругим восстановлением, и в результате получается упрочненный стальной стержень. Доля восстановленной длины (восстановленная длина/исходная длина) равна пределу текучести, деленному на модуль упругости. (Здесь мы обсуждаем истинное напряжение , чтобы учесть резкое уменьшение диаметра в этом испытании на растяжение.) Длина, восстановленная после снятия нагрузки с материала непосредственно перед его разрушением, равна длине, восстановленной после снятия нагрузки непосредственно перед ее входом в материал. Пластическая деформация.

Закаленный стальной стержень имеет достаточно большое количество дислокаций, поэтому взаимодействие полей деформаций предотвращает любую пластическую деформацию. Последующая деформация требует напряжения, которое изменяется линейно в зависимости от наблюдаемой деформации . Наклон графика зависимости напряжения от деформации, как обычно, представляет собой модуль упругости.

Нагартованный стальной стержень разрушается, когда приложенное напряжение превышает обычное напряжение разрушения, а деформация превышает обычную деформацию разрушения. Это можно считать пределом упругости, и предел текучести теперь равен вязкости разрушения , которая намного выше, чем предел текучести стали без нагарта.

Возможная пластическая деформация равна нулю, что меньше, чем возможная пластическая деформация для ненаклепанного материала. Таким образом, пластичность холоднодеформированного прутка снижается.

Значительная и продолжительная кавитация также может привести к деформационному упрочнению.

Эмпирические отношения

Существует два распространенных математических описания явления наклепа. Уравнение Холломона представляет собой степенную зависимость между напряжением и величиной пластической деформации: ^[9]

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

где σ — напряжение, K — показатель прочности или коэффициент прочности, ε _p — пластическая деформация и n — показатель степени деформационного упрочнения . Уравнение Людвика аналогично, но включает предел текучести:

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

Если материал подвергался предварительной деформации (при низкой температуре), то предел текучести увеличится в раз, в зависимости от величины предварительной пластической деформации ε ₀ :

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

Константа K зависит от структуры и зависит от обработки, тогда как n представляет собой свойство материала, обычно лежащее в диапазоне 0,2–0,5. Индекс деформационного упрочнения можно описать следующим образом:

${\displaystyle n={\frac {d\log(\sigma )}{d\log(\epsilon )}}={\frac {\epsilon }{\sigma }}{\frac {d\sigma }{d\epsilon }}\,\!}$

Это уравнение можно оценить по наклону графика log(σ) – log(ε). Перестановка позволяет определить скорость деформационного упрочнения при заданном напряжении и деформации:

${\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\epsilon }}=n{\frac {\sigma }{\epsilon }}\,\!}$

Упрочнение конкретных материалов

Медь

Медь была первым металлом, который широко использовался для изготовления инструментов и контейнеров, поскольку это один из немногих металлов , доступных в неокисленной форме, не требующей плавки руды . Медь легко размягчается при нагревании и последующем охлаждении (не затвердевает при закалке, например, в холодной воде). В этом отожженном состоянии его затем можно ковать, растягивать или формовать иным образом, добиваясь желаемой конечной формы, но по мере продвижения работы он становится все более твердым и менее пластичным . Если работа продолжается после достижения определенной твердости, металл будет иметь тенденцию к разрушению при работе, поэтому его можно периодически повторно отжигать по мере продолжения обработки. Отжиг прекращается, когда заготовка приближается к своей окончательно желаемой форме, и поэтому конечный продукт будет иметь желаемую прочность и твердость. Техника репуссе использует эти свойства меди, позволяя создавать долговечные ювелирные изделия и скульптуры (такие как Статуя Свободы ).

Золото и другие драгоценные металлы

Многие золотые украшения производятся методом литья с минимальной холодной обработкой или вообще без нее; что, в зависимости от марки сплава, может сделать металл относительно мягким и гибким. Однако ювелир может намеренно использовать наклейку для укрепления носимых предметов, подвергающихся нагрузкам, например колец .

Алюминий

Устройства, изготовленные из алюминия и его сплавов, такие как самолеты, должны быть тщательно спроектированы, чтобы минимизировать или равномерно распределить изгиб, который может привести к наклепу и, в свою очередь, к растрескиванию под напряжением, что может привести к катастрофическому отказу . По этой причине современные алюминиевые самолеты будут иметь установленный срок службы (зависящий от типа встречающихся нагрузок), по истечении которого самолет должен быть списан.

Рекомендации

1. Дегармо, Блэк и Кохсер 2003, стр. 60.
2. Ван Мелик, HGH; Говерт, Ле; Мейер, ХЕХ (2003), «О происхождении деформационного упрочнения стеклообразных полимеров», Polymer , 44 (8): 2493–2502, doi : 10.1016/s0032-3861(03)00112-5.
3. Свенсон, Калифорния (1955), «Свойства индия и таллия при низких температурах», Physical Review , 100 (6): 1607–1614, Бибкод : 1955PhRv..100.1607S, doi : 10.1103/physrev.100.1607
4. Смит и Хашеми 2006, стр. 246.
5. Дегармо, Блэк и Кохсер 2003, с. 375.
6. Дерингер-Ней, «Процесс холодной штамповки и холодной высадки», 29 апреля 2014 г.
7. Ченг, Ю.Т.; Ченг, CM (1998), «Масштабный подход к коническому отпечатку в упругопластических твердых телах с деформационным упрочнением» (PDF) , Journal of Applied Physics , 84 (3): 1284–1291, Бибкод : 1998JAP....84.1284C, дои : 10.1063/1.368196
8. Правото, Юнань (2013). Интеграция механики в исследования в области материаловедения: Руководство для исследователей материалов по аналитическим, вычислительным и экспериментальным методам. Лулу.com. ISBN 978-1-300-71235-0.
9. Холломон, младший (1945). «Растягивающая деформация». Сделки AIME . 162 : 268–277.

Библиография

• Дегармо, Э. Пол; Блэк, Джей Т.; Кохсер, Рональд А. (2003), Материалы и процессы в производстве (9-е изд.), Wiley, ISBN 978-0-471-65653-1.
• Смит, Уильям Ф.; Хашеми, Джавад (2006), Основы материаловедения и инженерии (4-е изд.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9.