Введение
Укрепление материала с помощью пластической деформации В материаловедении, работа на закаливании, также известная как натяжное закаливание, является укрепление металла или полимера с помощью пластической деформации. Закаливание может быть желательным, нежелательным или несущественным, в зависимости от контекста. Это усиление происходит из-за движений дислокации и генерации дислокации в пределах кристаллической структуры материала. Многие нехрупкие металлы с достаточно высокой точкой плавления, а также несколько полимеров могут быть укреплены таким образом. Сплавы, не поддающиеся термической обработке, включая низкоуглеродистую сталь, часто проходят обработку. Некоторые материалы не могут быть обработаны при низких температурах, например, индий, однако другие могут быть укреплены только путем их обработки, например, чистая медь и алюминий.
In materials science, work hardening, also known as strain hardening, is the strengthening of a metal or polymer by plastic deformation. Work hardening may be desirable, undesirable, or inconsequential, depending on the context. This strengthening occurs because of dislocation movements and dislocation generation within the crystal structure of the material. Many non brittle metals with a reasonably high melting point as well as several polymers can be strengthened in this fashion. Alloys not amenable to heat treatment, including low carbon steel, are often work hardened. Some materials cannot be work hardened at low temperatures, such as indium, however others can be strengthened only via work hardening, such as pure copper and aluminum.
Нежелательное закаливание
Примером нежелательного упрочнения является обработка резанием, когда начальные проходы инструмента непреднамеренно упрочняют поверхность заготовки, вызывая износ инструмента на последующих проходах. Некоторые сплавы более подвержены этому, чем другие; суперсплавы, такие как Inconel, требуют стратегий обработки, учитывающих это явление. Для металлических изделий, предназначенных для упругих деформаций, таких как пружины, обычно используются специальные сплавы, чтобы избежать упрочнения (в результате пластической деформации) и металлической усталости, при этом требуется специальная термическая обработка для достижения необходимых характеристик.
Умышленное закаливание
Примером желательной деформационного упрочнения является то, что происходит в металлообрабатывающих процессах, которые намеренно вызывают пластическую деформацию для изменения формы. Эти процессы известны как процессы холодной обработки или холодной штамповки. Они характеризуются формованием заготовки при температуре ниже температуры рекристаллизации, обычно при комнатной температуре. Методы холодной штамповки обычно подразделяются на четыре основные группы: выдавливание, гибка, вытяжка и резка. Области применения включают обжим болтов и винтов с полусферической головкой, а также окончательную обработку холоднокатаной стали. При холодной штамповке металл формуется с высокой скоростью и под высоким давлением с использованием инструментальной стали или карбидных штампов. Деформационное упрочнение металла увеличивает твердость, предел текучести и прочность на разрыв.
Теория
Перед закалкой решетка материала имеет регулярный, почти бездефектный рисунок (практически без смещений). Беспорочная решетка может быть создана или восстановлена в любое время путем отжига. По мере того, как материал затвердевает, он становится все более насыщенным новыми дислокациями, и большему количеству дислокаций препятствует нуклеация (развивается сопротивление формированию дислокации). Эта устойчивость к формированию дислокации проявляется в качестве устойчивости к пластической деформации; следовательно, наблюдается укрепление. В металлических кристаллах это обратимый процесс, обычно осуществляемый в микроскопическом масштабе дефектами, называемыми дислокациями, которые создаются флуктуациями в локальных полях напряжения внутри материала, завершающимися перестройкой решетки, поскольку дислокации распространяются через решетку. При нормальных температурах вывих не уничтожается отжигом. Вместо этого, дислокации накапливаются, взаимодействуют друг с другом и служат в качестве закрепления точек или препятствий, которые значительно препятствуют их движению. Это приводит к увеличению прочности материала и последующему снижению пластичности. Такая деформация увеличивает концентрацию дислокаций, которые впоследствии могут образовывать границы зерна с низким углом, окружающие подзерна. Холодная обработка обычно приводит к повышению прочности при попадании в результате увеличения числа дислокаций и эффекта Холла-Петча подзерна, а также к снижению пластичности. Эффекты холодной обработки могут быть обращены вспять путем отжига материала при высоких температурах, где восстановление и рекристаллизация снижают плотность дислокации. Трудоустойчивость материала может быть предсказана путем анализа кривой напряжения-расслабления или изучена в контексте путем проведения испытаний твердости до и после процесса.
Эластическая и пластическая деформация
Нагармощение является следствием пластической деформации, то есть необратимого изменения формы. Это отличается от упругой деформации, которая является обратимой. Большинство материалов проявляют не только одно из этих явлений, но и их комбинацию. Дальнейшее обсуждение в основном относится к металлам, особенно к сталям, которые хорошо изучены. Нагармощение наиболее заметно проявляется в пластичных материалах, таких как металлы. Пластичность – это способность материала подвергаться пластическим деформациям до разрушения (например, изгиб стального стержня до его окончательного слома). Испытание на растяжение широко используется для изучения механизмов деформации. Это связано с тем, что при сжатии большинство материалов испытывают тривиальные (несоответствие кристаллической решетки) и нетривиальные (выпучивание) явления до возникновения пластической деформации или разрушения. Следовательно, промежуточные процессы, происходящие с материалом при одноосном сжатии до начала пластической деформации, делают испытание на сжатие сложным. Материал обычно деформируется упруго под воздействием небольших сил; при снятии деформирующей силы материал быстро возвращается к своей первоначальной форме. 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, также известный как предел текучести. В этот момент материал претерпевает необратимую деформацию и не возвращается к своей первоначальной форме при снятии силы. Это явление называется пластической деформацией. Например, если растянуть пружину до определенной точки, она вернется к своей первоначальной форме, но как только она будет растянута за пределы упругости, она останется деформированной и не вернется в исходное состояние. Упругая деформация растягивает связи между атомами, отклоняя их от равновесного расстояния, не затрачивая достаточной энергии для разрыва межatomных связей. Пластическая деформация, напротив, разрывает межatomные связи и, следовательно, включает в себя перегруппировку атомов в твердом материале.
Дислокации и поля деформации решетки
В материаловедении дислокации определяются как линейные дефекты в кристаллической структуре материала. Связи, окружающие дислокацию, уже подвержены упругой деформации из-за дефекта, по сравнению со связями между атомами в обычной кристаллической решетке. Поэтому эти связи разрушаются при относительно низких напряжениях, что приводит к пластической деформации. Деформированные связи вокруг дислокации характеризуются полями деформации решетки. Например, непосредственно рядом с краевой дислокацией находятся сжатые связи, а за пределами краевой дислокации – растянутые. Они формируют поля сжатия и поля растяжения, соответственно. Поля деформации аналогичны электрическим полям в определенных аспектах. В частности, поля деформации дислокаций подчиняются схожим законам притяжения и отталкивания: для снижения общей деформации сжатые поля притягиваются к растянутым, и наоборот. Наблюдаемые (макроскопические) результаты пластической деформации являются следствием микроскопического движения дислокаций. Например, растяжение стального стержня в испытательной машине реализуется посредством движения дислокаций на атомном уровне.
Увеличение вывихов и усиление работы
Увеличение числа вывихов является количественной характеристикой усиления работы. Пластическая деформация возникает в результате работы над материалом; энергия добавляется к материалу. Кроме того, энергия почти всегда применяется достаточно быстро и в достаточно большой величине, чтобы не только переместить существующие смещения, но и произвести большое количество новых смещений, достаточно сильно раздражая или обрабатывая материал. Новые дислокации генерируются вблизи источника Frank Read. Прочность при нагрузке увеличивается в холодно обработанном материале. Используя поля деформации решетки, можно показать, что среда, наполненная дислокациями, будет препятствовать движению любой дислокации. Поскольку движение дислокации затруднено, пластическая деформация не может возникнуть при нормальных напряжениях. При применении напряжений, превышающих прочность прочности нехолодно обработанного материала, холодно обработанный материал будет продолжать деформироваться с использованием единственного доступного механизма: эластичная деформация, регулярная схема растяжения или сжатия электрических связей (без дислокационного движения) продолжает происходить, и модуль эластичности остается неизменным. В конце концов напряжение достаточно велико, чтобы преодолеть взаимодействие напряжения и возобновить пластическую деформацию. Однако, пластичность твёрдого материала снижается. Дюктильность - это степень, в которой материал может подвергаться пластической деформации, то есть это то, насколько материал может быть пластически деформирован до перелома. Материал, обработанный при холодном режиме, является, по сути, нормальным (хрупким) материалом, который уже был протянут через часть его допустимой пластической деформации. Если дислокационное движение и пластическая деформация были достаточно затруднены накоплением дислокации, а растяжение электронных связей и эластичная деформация достигли своего предела, возникает третий способ деформации: перелом.
Пример
В качестве крайнего примера, при испытании на растяжение стальной образец нагружают до длины, близкой к той, при которой он обычно разрушается. Нагрузка плавно снимается, и материал уменьшает часть своей деформации за счет сокращения длины. Это уменьшение длины называется упругим восстановлением, и в результате получается стальной образец, упрочненный деформацией. Отношение восстановленной длины к исходной длине равно пределу текучести, деленному на модуль упругости. (Здесь мы рассматриваем истинное напряжение, чтобы учесть значительное уменьшение диаметра при этом испытании на растяжение.) Длина, восстановленная после снятия нагрузки с материала непосредственно перед разрушением, равна длине, восстановленной после снятия нагрузки непосредственно перед началом пластической деформации. Упрочненный деформацией стальной образец содержит достаточно большое количество дислокаций, чтобы взаимодействие полей деформации препятствовало любой пластической деформации. Дальнейшая деформация требует напряжения, которое линейно изменяется с наблюдаемой деформацией; наклон графика зависимости напряжения от деформации, как обычно, равен модулю упругости. Упрочненный деформацией стальной образец разрушается, когда приложенное напряжение превышает обычное напряжение разрушения, а деформация превышает обычную деформацию при разрушении. Это можно рассматривать как предел упругости, и предел текучести теперь равен вязкости разрушения, которая значительно выше, чем предел текучести необработанной стали. Возможная величина пластической деформации равна нулю, что меньше, чем возможная величина пластической деформации для необработанного материала. Таким образом, пластичность холоднодеформированного образца снижается. Значительная и продолжительная кавитация также может приводить к упрочнению деформацией.
Медь
Медь была первым металлом, широко используемым для изготовления инструментов и сосудов, поскольку это один из немногих металлов, встречающихся в природе в неокисленной форме и не требующий выплавки из руды. Медь легко размягчается при нагревании и последующем охлаждении (она не затвердевает при закалке, например, при охлаждении в холодной воде). В этом отпущенном состоянии её можно ковать, вытягивать и придавать ей другую форму, приближаясь к желаемой конечной форме, но при этом она становится тверже и менее пластичной по мере обработки. Если обработка продолжается до определенной твердости, металл склонен к разрушению, поэтому его можно периодически отжигать в процессе формования. Отжиг прекращают, когда заготовка приближается к своей окончательной форме, чтобы готовое изделие обладало необходимой прочностью и твердостью. Техника чеканки использует эти свойства меди, позволяя создавать прочные ювелирные изделия и скульптуры (например, Статую Свободы).
Золото и другие драгоценные металлы
Большая часть золотых украшений изготавливается методом литья, с минимальной или полной ее отсутствием холодной обработки; что, в зависимости от марки сплава, может сделать металл относительно мягким и податливым. Однако ювелир может намеренно использовать упрочнение деформацией для повышения прочности изделий, подвергающихся нагрузкам, таких как кольца.
Алюминий
Устройства, изготовленные из алюминия и его сплавов, такие как самолеты, должны быть тщательно спроектированы для минимизации или равномерного распределения деформации изгиба, которая может привести к упрочнению и, как следствие, к образованию трещин, потенциально вызывающих катастрофический отказ. По этой причине современные алюминиевые самолеты имеют установленный наработанный ресурс (зависящий от типа испытываемых нагрузок), по истечении которого самолет должен быть снят с эксплуатации.