Кіріспе
Материалдарды пластикалық деформация арқылы күшейту
Материалдар ғылымында жұмысқа қатыру, сондай-ақ кернеу қатыру, – металл немесе полимерді пластикалық деформация арқылы күшейту болып табылады. Жұмысқа қатыру қажетті, қажетсіз немесе маңызды емес болуы мүмкін, бұл қолданылған жағдайға байланысты. Бұл күшейу материалдың кристалдық құрылымындағы дислокациялардың қозғалысы және дислокациялардың пайда болуы нәтижесінде жүзеге асады. Көптеген сынғыш емес, салыстырмалы түрде жоғары балқу температурасы бар металдар мен бірнеше полимерлер осы тәсілмен күшейтілуі мүмкін. Жылулық өңдеуге жарамсыз қорытпалар, соның ішінде төмен көміртекті болат, көбінесе жұмысқа қатыру арқылы күшейтіледі. Кейбір материалдарды төмен температурада жұмысқа қатыруға болмайды, мысалы, индий, ал басқаларын тек жұмысқа қатыру арқылы күшейтуге болады, мысалы, таза мыс және алюминий.
Қажетті емес жұмыс қатаюы
Жұмыс қатаюының қажетсіз мысалы – машинамен өңдеу кезінде кескіштің алғашқы өтулері workpiece бетін күтпеген жерден қатайтып, кейінгі өтулерде кескішке зақым келтіруі мүмкін. Кейбір қорытпалар бұл құбылысқа көбірек бейім; Инконел сияқты суперқорытпалар оны ескеретін өңдеу стратегияларын талап етеді. Иілуге арналған металл бұйымдар, мысалы серіппелер үшін, жұмыс қатаюын (пластикалық деформация нәтижесінде) және металлдың шаршауын болдырмау үшін әдетте арнайы қорытпалар қолданылады, ал қажетті қасиеттерді алу үшін нақты жылулық өңдеу қажет.
Қасақана жұмыс істеу қатаңдатуы
Қажетті жұмыс қатаюының мысалы - форманың өзгеруін талап ету үшін пластикалық деформацияны әдейі тудыратын металл өңдеу процестерінде пайда болатын. Бұл процестер суықтай өңдеу немесе суықтай қалыптау процестері деп аталады. Олар жұмыс бөлігін қайта кристалдану температурасынан төмен температурада, әдетте қоршаған орта температурасында қалыптаумен сипатталады. Салқын қалыптау әдістері әдетте төрт негізгі топқа бөлінеді: сығу, иілу, тарту және кесу. Қолданбаларға бұрандалар мен қақпақ бұрандаларының батырмалары және суықтай төгілген болат өңдеу кіреді. Қысқа формалау кезінде металл жоғары жылдамдықпен және жоғары қысыммен құралды болаттан немесе карбидтан жасалған формаларды пайдалана отырып қалыптастырылады. Мұзда өңдеу металдың қаттылығын, беріктігін және тартылу беріктігін арттырады.
Теория
Жұмыспен қатаңдату алдында материалдың торшасы тұрақты, кемшіліксіз үлгі (жекешеліктер жоқ) көрсетеді. Ақаусыз торды кез келген уақытта оттастыру арқылы құруға немесе қалпына келтіруге болады. Материал жұмыс істегенде қатаюы арқылы жаңа дислокациялармен толығады және көбірек дислокациялардың ядролануына жол берілмейді (дислокациялардың пайда болуына қарсылық пайда болады). Бұл дислокация қалыптасуына қарсылық пластикалық деформацияға қарсылық ретінде көрінеді; сондықтан байқалатын күшейту. Металл кристалдарында бұл кері болатын процесс және әдетте микроскоптық масштабта дислокациялар деп аталатын ақаулар арқылы жүзеге асырылады, олар материалдың ішіндегі жергілікті кернеу өрістеріндегі ауытқулар арқылы құрылады, бұл дислокациялар тор арқылы таралған кезде тордың қайта орналасуына әкеледі. Қалыпты температурада дислокациялар оттану арқылы жойылмайды. Керісінше, олардың орны толып, бір-бірімен өзара әрекеттеседі және олардың қозғалысына елеулі кедергі келтіретін кедергілер немесе кедергілер ретінде қызмет етеді. Бұл материалдың беріктігін арттырады, содан кейін оның икемділігі төмендейді. Мұндай деформация дислокациялардың концентрациясын арттырады, олар кейіннен зерделік зерделерді қоршап тұратын төмен бұрышты түйіршектерін құрауы мүмкін. Салқын өңдеу, әдетте, дислокациялардың санының артуы және зерделік дәндердің Холл-Петч эффектісі және икемділіктің төмендеуі нәтижесінде өнімділіктің жоғары беріктігіне әкеледі. Салқын өңдеудің әсерін материалды жоғары температурада қыздыру арқылы кері қайтаруға болады, онда қалпына келтіру және қайта кристалдану дислокация тығыздығын азайтады. Материалдың жұмыс істеу қатаюшылығын кернеу-тербеліс қисығын талдау арқылы болжауға болады немесе процестен бұрын және кейін қатаюшылық сынақтарын жүргізу арқылы контекстте зерттеуге болады.
Эластикалық және пластикалық деформация
Жұмыспен қатаю – пластикалық деформацияның салдарынан туындайтын, нысанның тұрақты өзгеруі. Бұл өзгеріс кері қайтаруға болатын эластикалық деформациядан өзгеше. Көптеген материалдар біреуін ғана емес, екеуінің де комбинациясын көрсетеді. Келесі талқылау негізінен металдарға, әсіресе жақсы зерттелген болаттарға қатысты. Жұмыспен қатаю, ең алдымен, металдар сияқты майысқақ материалдарда байқалады. Майысқақтық – материалдың сынуға дейін пластикалық деформацияға ұшырау қабілеті (мысалы, болат таяқты сынғанша иілу). Деформация механизмдерін зерттеу үшін тартылу сынағы кеңінен қолданылады. Себебі, қысымға түсірілгенде көптеген материалдар пластикалық деформация немесе сыну пайда болғанға дейін тривиальды (тордың сәйкес келмеуі) және маңызды (бұрмалану) құбылыстарды бастан кешіреді. Сондықтан, материалға бір осьті қысым түсірілгенде пластикалық деформация туғанға дейін болатын аралық процестер қысым сынағын қиындықтарға толы етеді. Материал әдетте кішкентай күштердің әсерінен эластикалық деформацияланады; деформациялайтын күш алынғанда материал бастапқы нысанына жылдам оралады. Бұл құбылыс эластикалық деформация деп аталады. Материалдардың осы сипаттамасы Гук заңымен сипатталады. Материалдар эластикалық шектен асып түскенше, деформациялық күш эластикалық деформация ретінде әрекет етеді. Осы кезде материал тұрақты деформацияланады және күш алынғанда бастапқы нысанына орала алмайды. Бұл құбылыс пластикалық деформация деп аталады. Мысалы, егер серіппе бірінші белгілі бір шекке дейін созылса, ол бастапқы нысанына оралады, бірақ эластикалық шегінен асып кеткеннен кейін деформацияланып, бастапқы күйіне қайта оралмайды. Эластикалық деформация атомдар арасындағы байланыстарды олардың тепе-теңдік арақашықтығынан шегіндіріп созады, бірақ атомдар арасындағы байланыстарды бұзуға жеткілікті энергияны қолданбайды. Ал пластикалық деформация атомдар арасындағы байланыстарды бұзады, сондықтан қатты денедегі атомдардың қайта орналасуын қамтиды.
Дислокациялар және торлық тартылу өрістері
Материалдар ғылымында дислокациялар материалдың кристалдық құрылымындағы сызықтық кемшіліктер ретінде анықталады. Дислокацияның айналасындағы байланыстар, тұрақты кристалдық тордың құрамдас бөліктері арасындағы байланыстарға қарағанда, кемшілік салдарынан серпімді деформацияға ұшырайды. Сондықтан, бұл байланыстар салыстырмалы түрде төмен кернеуде үзіледі, нәтижесінде пластикалық деформация пайда болады. Дислокация төңірегіндегі деформацияланған байланыстар торлық деформациялық өрістермен сипатталады. Мысалы, жиек дислокациясының тікелей жанындағы байланыстар қысымға ұшырайды, ал жиек дислокациясының соңынан тысқары байланыстар созылуға ұшырайды. Бұл сәйкесінше қысымдық және созылу деформациялық өрістерін құрайды. Деформациялық өрістер белгілі бір жағынан электр өрістеріне ұқсас. Атап айтқанда, дислокациялардың деформациялық өрістері тартымдылық және тебілудің ұқсас заңдарына бағынады; жалпы деформацияны азайту үшін қысымдық деформациялар созылу деформацияларына тартылады, және керісінше. Пластикалық деформацияның көрінетін (макроскопиялық) нәтижелері микроскопиялық дислокациялардың қозғалысының нәтижесі болып табылады. Мысалы, созылу сынағындағы болат сымды созу атомдық деңгейде дислокациялардың қозғалысы арқылы жүзеге асырылады.
Көші-қон және жұмыс күшейуі
Дислокациялар санының артуы жұмыстың қатаюын сандық сипаттауын көрсетеді. Пластикалық деформация материалға жұмыс жасау нәтижесінде пайда болады; материалға энергия беріледі. Сонымен қатар, энергия көбінесе жеткілікті жылдамдықпен және жеткілікті күшпен қолданылады, бұл тек қана қолданыстағы дислокацияларды жылжыту ғана емес, сонымен қатар материалды жеткілікті түрде деформациялау немесе өңдеу арқылы көптеген жаңа дислокацияларды тудыруға мүмкіндік береді. Жаңа дислокациялар Фрэнк-Рид көзіне жақын жерде пайда болады. Салқындатылған материалдың беріктігі артады. Торлық кернеу өрістерін пайдалану арқылы, дислокациялармен толтырылған орта кез келген дислокацияның қозғалысына кедергі келтіретінін көрсетуге болады. Дислокациялық қозғалысқа кедергі келтірілгендіктен, қалыпты кернеулерде пластикалық деформация болмайды. Салқындатылмаған материалдың беріктігінен сәл жоғары кернеу қолданғанда, салқындатылған материал тек қол жетімді механизмді пайдаланып деформацияланады: серпімді деформация, яғни электрондық байланыстардың созылуы немесе қысылуының үлгісі (дислокациялық қозғалыссыз) жалғасады және серпімділік модулі өзгермейді. Әрине, кернеу кернеу өрісінің өзара әрекеттесуін жеңу үшін жеткілікті болады және пластикалық деформация қайта басталады. Дегенмен, жұмыс қатайтылған материалдың соғылу қабілеті төмендейді. Соғылу қабілеті – материалдың пластикалық деформацияға ұшырауының шамасы, яғни материалдың сынуға дейін қаншалықты пластикалық деформацияға ұшырауы мүмкін. Салқындатылған материал, іс жүзінде, рұқсат етілген пластикалық деформацияның бір бөлігі арқылы кеңейтілген қалыпты (қатаң) материал болып табылады. Егер дислокациялық қозғалыс пен пластикалық деформация дислокациялардың жиналуы арқылы жеткілікті кедергіге ұшыраса және электрондық байланыстардың созылуы мен серпімді деформацияның шегіне жетсе, деформацияның үшінші түрі пайда болады: сыну.
Мысал
Шегінен шыққан мысал ретінде, созу сынағында болаттан жасалған таяқша әдеттегідей жұлынып сынған ұзындығына дейін тартылады. Жүктеме біртегіс түрде босатылады және материал ұзындығы қысқарып, кернеудің бір бөлігін азайтады. Ұзындықтың қысқаруы серпімді қалпына келтіру деп аталады, нәтижесінде жұмысқа қатайтылған болат таяқша пайда болады. Қалпына келтірілген ұзындықтың үлесі (қалпына келтірілген ұзындық/ бастапқы ұзындық) иілгіштік шегінің серпімділік модуліне бөлінуіне тең. (Бұл жерде нақты кернеуді қарастырамыз, себебі бұл созу сынағында диаметрдің күрт төмендеуін ескеру қажет.) Материалдан жүктемені алып тастағанда, сынуға дейін қалпына келтірілген ұзындық, пластикалық деформацияға кіруге дейін жүктемені алып тастағандағы қалпына келтірілген ұзындыққа тең болады. Жұмысқа қатайтылған болат таяқшада жеткілікті мөлшерде дислокациялар бар, сондықтан деформациялық өріс әрекітесі кез келген пластикалық деформацияға кедергі келтіреді. Келесі деформация байқалатын деформацияға пропорционал кернеуді қажет етеді, кернеуге қарсы деформация графигінің еңісі әдеттегідей серпімділік модулі болып табылады. Жұмысқа қатайтылған болат таяқша қолданылған кернеу әдеттегі сыну кернеуінен асып кеткенде және деформация әдеттегі сыну деформациясынан асып кеткенде жұлынады. Бұл серпімділік шегі деп есептелуі мүмкін, ал иілгіштік шегі енді сынудың беріктігіне тең, бұл жұмысқа қатайтылмаған болаттың иілгіштік шегінен әлдеқайда жоғары. Мүмкін пластикалық деформация мөлшері нөлге тең, бұл жұмысқа қатайтылмаған материал үшін мүмкін пластикалық деформация мөлшерінен кем. Осылайша, суық өңделген таяқшаның пластикалық қасиеттері төмендейді. Маңызды және ұзаққа созылған кавитация да материалдың қатаюына әкелуі мүмкін.
Мыс
Мыс – құралдар мен ыдыстар үшін қолданылатын алғашқы металл, себебі ол тотықпаған күйде кездесетін сирек металдардың бірі және кенді балқытуды қажет етпейді. Мысты қыздырып, содан кейін салқындату арқылы оңай жұмсартуға болады (оның салқын суда суыту арқылы қатаюы мүмкін емес). Осы жұмсақ күйде оны соққымен қағуға, созуға және түрлендіруге болады, соның арқасында қажетті пішінге жақындауға болады, бірақ жұмыс істеу барысында металл қатайып, серпімділігін жояды. Егер жұмыс белгілі бір деңгейдегі қатаңдыққа жеткеннен кейін жалғасса, металл жұмыс кезінде сынуы мүмкін, сондықтан оны қалыптау процесінде мерзімді түрде қайта жұмсарту қажет. Жұмыс дайындамасы тілеудегі соңғы пішініне жақын болғанда жұмсарту тоқтатылады, нәтижесінде дайын өнім қажетті күш пен қатаңдыққа ие болады. Репуссе техникасы мыстың осы қасиеттерін пайдаланады, соның арқасында берік әшекей бұйымдар мен мүсіндер жасауға болады (мысалы, Азаттық мүсіні).
Алтын және басқа да бағалы металдар
Алтын әшекейлерінің көп бөлігі құю арқылы жасалады, суық өңдеу көбінесе жасалмайды немесе аздап қолданылады; қорытпаның сапасына қарай металл салыстырмалы түрде жұмсақ және иілгіш болуы мүмкін. Дегенмен, зергерлер тозуға төзімді болуын қамтамасыз ету үшін, сақиналар сияқты күш түсетін бұйымдарды нығайту үшін қасады түрде металлдың қатаюын пайдаланады.
Алюминий
Алюминийден және оның қорытпаларынан жасалған құрылғылар, мысалы, ұшақтар, иілуді барынша азайту немесе тегіс бөлу үшін мұқият жобалануы керек, бұл жұмыс қатаюына әкелуі мүмкін, ал өз кезегінде, стресс жарылу, мүмкін апатты сәтсіздікке әкелуі мүмкін. Осы себепті қазіргі заманғы алюминий ұшақтарының жұмыс істеу мерзімі (болған жүктемелердің түріне байланысты) болады, содан кейін ұшақ зейнетке шығуы керек.