Упрочнение - Work hardening

Феноменологическая одноосная кривая деформации, показывающая типичное деформационное упрочнение пластического поведения материалов при одноосном сжатии. Для материалов с наклепом предел текучести увеличивается с увеличением пластической деформации. Деформация может быть разложена на восстанавливаемую упругую деформацию (

{ displaystyle varepsilon _ {e}}

) и неупругой деформации (

{ displaystyle varepsilon _ {p}}

). Напряжение при начальной текучести составляет

{ displaystyle sigma _ {0}}

.

Упрочнение, также известен как деформационное упрочнение, это укрепление металла или полимера Пластическая деформация. Деформационное упрочнение может быть желательным, нежелательным или несущественным, в зависимости от контекста.

Это усиление происходит из-за вывих движения и образование вывихов в Кристальная структура материала.^[1] Многие нехрупкие металлы с достаточно высокой температура плавления таким же образом можно упрочнить несколько полимеров.^[2] Сплавы, не поддающиеся термическая обработка, в том числе низкоуглеродистые стали, часто подвергаются механическому упрочнению. Некоторые материалы нельзя упрочнять при низких температурах, например, индий,^[3] однако другие, например, чистая медь и алюминий, могут быть упрочнены только наклепом.^[4]

Нежелательное упрочнение

Пример нежелательного наклепа - во время механическая обработка когда рано проходит резак непреднамеренно закалить поверхность заготовки, что приведет к повреждению фрезы во время последующих проходов. Некоторые сплавы более подвержены этому, чем другие; суперсплавы такие как Инконель требуются стратегии обработки, учитывающие это.

Для металлических предметов, предназначенных для изгиба, таких как пружины, обычно используются специализированные сплавы, чтобы избежать наклепа (в результате Пластическая деформация ) и усталость металла со специальными термообработками, необходимыми для получения необходимых характеристик.

Преднамеренное деформационное упрочнение

Примером желаемого наклепа является то, что происходит в процессы металлообработки которые намеренно вызывают пластическую деформацию для точного изменения формы. Эти процессы известны как процессы холодной обработки или холодной штамповки. Для них характерно формование заготовки при температуре ниже ее перекристаллизация температура, обычно при температура окружающей среды.^[5] Методы холодной штамповки обычно делятся на четыре основные группы: выдавливание, изгиб, Рисование, и стрижка. Применения включают заголовок болтов и винтов с головкой, а также отделку холоднокатаная сталь. При холодной штамповке металл формуют с высокой скоростью и под высоким давлением с использованием инструментальной стали или твердосплавных штампов. Холодная обработка металла увеличивает твердость, предел текучести, и предел прочности.^[6]

Теория

Перед деформационным упрочнением решетка материала имеет регулярный, почти бездефектный узор (почти без дислокаций). Бездефектную решетку можно в любой момент создать или восстановить с помощью отжиг. По мере деформации материала он становится все более насыщенным новыми дислокациями, и предотвращается зарождение большего количества дислокаций (возникает сопротивление образованию дислокаций). Это сопротивление образованию дислокаций проявляется как сопротивление пластической деформации; отсюда и наблюдаемое усиление.

В металлических кристаллах это обратимый процесс и обычно осуществляется в микроскопическом масштабе дефектами, называемыми дислокациями, которые создаются флуктуациями локальных поля напряжений внутри материала, кульминацией которого является перестройка 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 точки закрепления или препятствия, которые значительно затрудняют их движение. Это приводит к увеличению предел текучести материала и последующее снижение пластичности.

Такая деформация увеличивает концентрацию дислокаций, которые впоследствии могут образовывать малоугловые 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 к снижению пластичности. Эффекты холодной обработки могут быть обращены отжигом материала при высоких температурах, где восстановление и рекристаллизация уменьшают плотность дислокаций.

Материальная работа закаливаемость можно предсказать, анализируя кривая напряжение – деформация, или изучили в контексте, выполняя твердость тесты до и после процесса.^[7]^[8]

Упругая и пластическая деформация

Деформационное упрочнение - следствие пластической деформации, постоянного изменения формы. Это отличается от упругой деформации, которая обратима. Большинство материалов не демонстрируют только один или другой, а скорее их комбинацию. Следующее обсуждение в основном относится к металлам, особенно к сталям, которые хорошо изучены. Деформационное упрочнение особенно характерно для пластичных материалов, таких как металлы. Пластичность - это способность материала претерпевать пластические деформации перед разрушением (например, изгиб стального стержня до его окончательного разрушения).

В Тест на растяжку широко используется для изучения механизмов деформации. Это связано с тем, что при сжатии большинство материалов будут испытывать тривиальные (несоответствие решеток) и нетривиальные (коробление) события до того, как произойдет пластическая деформация или разрушение. Следовательно, промежуточные процессы, которые происходят в материале при одноосном сжатии перед началом пластической деформации, затрудняют испытание на сжатие.

Материал обычно упруго деформируется под действием небольших силы; материал быстро возвращается к своей исходной форме, когда деформирующая сила снимается. Это явление называется упругая деформация. Такое поведение в материалах описывается Закон Гука. Материалы ведут себя упруго, пока деформирующая сила не превысит предел упругости, который также известен как предел текучести. В этот момент материал необратимо деформируется и не может вернуться к своей первоначальной форме, когда сила снимается. Это явление называется Пластическая деформация. Например, если растянуть винтовая пружина до определенного момента он вернется к своей первоначальной форме, но как только он будет растянут за предел упругости, он останется деформированным и не вернется в исходное состояние.

Упругая деформация растягивает связи между атомами от их равновесного радиуса разделения, не прикладывая энергии, достаточной для разрыва межатомных связей. Пластическая деформация, с другой стороны, разрушает межатомные связи и, следовательно, включает перегруппировку атомов в твердом материале.

Дислокации и поля деформации решетки

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

Напряженные связи вокруг дислокации характеризуются решеткой напряжение поля. Например, есть напряженно-сжатые связи непосредственно рядом с краевой дислокацией и напряженно-деформированные связи за пределами краевой дислокации. Они образуют поля деформации сжатия и поля деформации растяжения соответственно. Поля деформаций аналогичны электрические поля определенными способами. В частности, поля деформации дислокаций подчиняются аналогичным законам притяжения и отталкивания; чтобы уменьшить общую деформацию, деформации сжатия притягиваются к деформациям растяжения, и наоборот.

Видимый (макроскопический ) результаты пластической деформации являются результатом микроскопический движение дислокации. Например, растяжение стального стержня в приборе для испытания на растяжение компенсируется движением дислокации в атомном масштабе.

Увеличение вывихов и наклепа

Рисунок 1: Предел текучести упорядоченного материала зависит от количества имеющихся дислокаций в полукорневой зависимости.

Увеличение количества дислокаций является количественной оценкой деформационного упрочнения. Пластическая деформация возникает вследствие Работа делается на материале; к материалу добавляется энергия. Кроме того, энергия почти всегда прикладывается достаточно быстро и в достаточно большом количестве, чтобы не только переместить существующие дислокации, но и производить большое количество новых дислокаций из-за сотрясения или достаточной обработки материала. Новые дислокации образуются в непосредственной близости от Фрэнк – Прочитать источник.

Предел текучести увеличивается в холоднодеформированном материале. Используя поля деформации решетки, можно показать, что среда, заполненная дислокациями, будет препятствовать движению любой одной дислокации. Поскольку движение дислокаций затруднено, пластическая деформация не может происходить при нормальных условиях. подчеркивает. При приложении напряжений, чуть превышающих предел текучести материала, не подвергнутого холодной деформации, материал, подвергнутый холодной деформации, будет продолжать деформироваться с использованием единственного доступного механизма: упругой деформации, обычной схемы растяжения или сжатия электрических связей (без движение дислокации ) продолжает происходить, а модуль упругости без изменений. В конце концов, напряжение становится достаточно большим, чтобы преодолеть взаимодействие поля деформации и возобновить пластическую деформацию.

Однако, пластичность упрочненного материала уменьшается. Пластичность это степень, в которой материал может подвергаться пластической деформации, то есть насколько материал может быть пластически деформирован до разрушения. Холоднодеформированный материал, по сути, является нормальным (хрупким) материалом, который уже частично растянулся за счет разрешенной пластической деформации. Если движение дислокаций и пластическая деформация были достаточно затруднены скоплением дислокаций, а растяжение электронных связей и упругая деформация достигли своего предела, возникает третий вид деформации: разрушение.

Количественная оценка наклепа

Сила, ${ Displaystyle тау}$ , дислокации зависит от модуля сдвига G, величины Вектор гамбургеров, b, и плотность дислокаций, ${ displaystyle rho _ { perp}}$ :

{ Displaystyle тау = тау _ {0} + G альфа б ро _ { перп} ^ {1/2} }

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

Как показано на Рисунке 1 и в приведенном выше уравнении, деформационное упрочнение имеет половинную зависимость от количества дислокаций. Материал демонстрирует высокую прочность при высоком уровне дислокаций (более 10¹⁴ дислокаций на м²) или нет вывихов. Умеренное количество вывихов (от 10⁷ и 10⁹ дислокаций на м²) обычно приводит к низкой прочности.

пример

В качестве крайнего примера, при испытании на растяжение стальной стержень деформируется до длины, на которой он обычно ломается. Нагрузка снимается плавно, и материал частично снимает напряжение за счет уменьшения длины. Уменьшение длины называется упругим восстановлением, и конечным результатом является стальной стержень с деформационным упрочнением. Доля восстановленной длины (восстановленная длина / исходная длина) равна пределу текучести, деленному на модуль упругости. (Здесь мы обсуждаем настоящий стресс чтобы учесть резкое уменьшение диаметра в этом испытании на растяжение.) Длина, восстановленная после снятия нагрузки с материала непосредственно перед его разрывом, равна длине, восстановленной после снятия нагрузки непосредственно перед тем, как она вступит в пластическую деформацию.

Пруток из упрочненной стали имеет достаточно большое количество дислокаций, чтобы взаимодействие полей деформации предотвращало всякую пластическую деформацию. Последующая деформация требует напряжения, которое изменяется линейно с напряжение Как видно, наклон графика зависимости напряжения от деформации - это модуль упругости, как обычно.

Пруток из закаленной стали ломается, когда приложенное напряжение превышает обычное напряжение разрушения, а деформация превышает обычную деформацию разрушения. Это можно считать пределом упругости и предел текучести теперь равно вязкость разрушения, что намного выше, чем предел текучести стали, не подвергшейся механической закалке.

Возможная пластическая деформация равна нулю, что меньше, чем величина пластической деформации, возможной для неупрочненного материала. Таким образом, пластичность холоднодеформированного стержня снижается.

Существенная и продолжительная кавитация также может вызвать деформационное упрочнение.

Эмпирические отношения

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

{ Displaystyle sigma = К эпсилон _ {p} ^ {n} , !}

где σ это стресс, K - индекс прочности или коэффициент прочности, ε_п пластическая деформация и п это показатель деформационного упрочнения. Уравнение Людвика аналогично, но включает предел текучести:

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

Если материал был подвергнут предварительной деформации (при низкой температуре), то предел текучести будет увеличиваться в раз, в зависимости от величины предшествующей пластической деформации. ε₀:

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

Константа K зависит от структуры и зависит от обработки, в то время как n - это свойство материала, обычно лежащее в диапазоне 0,2–0,5. Индекс деформационного упрочнения можно описать как:

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

Это уравнение можно вычислить 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}} , !}

Деформационное упрочнение определенных 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 требующий плавка из руда. Медь легко размягчается при нагревании и последующем охлаждении (не затвердевает при закалке, например закалке в холодной воде). В этом отожженный состояние его можно затем забить, растянуть или иным образом сформировать, прогрессируя до желаемой конечной формы, но становясь все более твердым и менее пластичный по мере продвижения работы. Если работа продолжается сверх определенной твердости, металл будет иметь тенденцию к разрушению при работе, и поэтому его можно периодически подвергать повторному отжигу по мере продолжения формования. Отжиг прекращается, когда заготовка приближается к своей окончательной желаемой форме, и поэтому конечный продукт будет иметь желаемую жесткость и твердость. Техника Repoussé использует эти свойства меди, позволяя создавать прочные ювелирные изделия и скульптуры (такие как Статуя Свободы ).

Золото и другие драгоценные металлы

Многие ювелирные изделия из золота производятся методом литья с минимальной обработкой или без нее; которые, в зависимости от марки сплава, могут сделать металл относительно мягким и гибким. Однако Ювелир может намеренно использовать механическое упрочнение для усиления предметов одежды, которые подвергаются нагрузкам, например кольца.

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 деформационному упрочнению и, в свою очередь, к растрескиванию под напряжением, что может вызвать катастрофический отказ. По этой причине у современных алюминиевых самолетов будет установленный срок службы (в зависимости от типа возникающих нагрузок), по истечении которого самолет должен быть списан.

использованная литература

^ Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 60.
^ Van Melick, H.G.H .; Govaert, L.E .; Мейер, Х. Э. Х. (2003), "О происхождении деформационного упрочнения в стеклообразных полимерах", Полимер, 44 (8): 2493–2502, Дои:10.1016 / с0032-3861 (03) 00112-5
^ Свенсон, К. А. (1955), "Свойства индия и таллия при низких температурах", Физический обзор, 100 (6): 1607–1614, Дои:10.1103 / Physrev.100.1607
^ Смит и Хашеми, 2006 г., п. 246.
^ Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 375.
^ Дерингер-Ней, «Процесс холодной штамповки и холодной высадки», 29 апреля 2014 г.
^ Cheng, Y.T .; Ченг, К. М. (1998), «Масштабный подход к коническому вдавливанию в упруго-пластичных твердых телах с наклепом» (PDF), Журнал прикладной физики, 84 (3): 1284–1291, Дои:10.1063/1.368196
^ Правото, Юнань (2013). Интеграция механики в исследования материаловедения: руководство для исследователей материалов по аналитическим, вычислительным и экспериментальным методам. Lulu.com. ISBN 978-1-300-71235-0.
^ Холломон, Дж. Р. (1945). «Деформация при растяжении». Транзакция AIME. 162: 268–277.

Список используемой литературы

Дегармо, Э. Пол; Black, J T .; Козер, 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.

[1] Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 60.

[2] Van Melick, H.G.H .; Govaert, L.E .; Мейер, Х. Э. Х. (2003), "О происхождении деформационного упрочнения в стеклообразных полимерах", Полимер, 44 (8): 2493–2502, Дои:10.1016 / с0032-3861 (03) 00112-5

[3] Свенсон, К. А. (1955), "Свойства индия и таллия при низких температурах", Физический обзор, 100 (6): 1607–1614, Дои:10.1103 / Physrev.100.1607

[4] Смит и Хашеми, 2006 г., п. 246.

[Degarmo375-5] Дегармо, Блэк и Козер, 2003 г., п. 375.

[6] Дерингер-Ней, «Процесс холодной штамповки и холодной высадки», 29 апреля 2014 г.

[7] Cheng, Y.T .; Ченг, К. М. (1998), «Масштабный подход к коническому вдавливанию в упруго-пластичных твердых телах с наклепом» (PDF), Журнал прикладной физики, 84 (3): 1284–1291, Дои:10.1063/1.368196

[8] Правото, Юнань (2013). Интеграция механики в исследования материаловедения: руководство для исследователей материалов по аналитическим, вычислительным и экспериментальным методам. Lulu.com. ISBN 978-1-300-71235-0.

[9] Холломон, Дж. Р. (1945). «Деформация при растяжении». Транзакция AIME. 162: 268–277.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]