Czym jest utwardzanie odkształceniowe?

Utwardzanie odkształceniowe jest jednym z najczęściej stosowanych sposobów zwiększania wytrzymałości stopu. Metoda ta polega na zastosowaniu trwałego odkształcenia w celu zwiększenia wytrzymałości metalu. Angielskojęzyczne nazwy tej metody to strain hardening lub alternatywnie cold work lub  work hardening.

Żadna dyskusja na temat utwardzania odkształceniowego nie może się rozpocząć bez wzmianki o pojęciu ‘hartowania’ (temper). Hartowanie to opis ilości i rodzaju obróbki, jakiej został poddany metal w wytwarzającym go zakłądzie, w tym obróbki na zimno i obróbki termicznej. Przekłada się to na późniejszy opis stopu jako półtwardy, w pełni twardy, sprężysty itp. Stopy o wyższym stopniu hartowania będą miały mniejszą odkształcalność, ponieważ część ich zdolności do utwardzania przez odkształcenie uległa zmniejszeniu, ‘została zużyta’ w procesie walcowania na zimno.

Plastyczność materiału dostarczanego w taśmach/rolach zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury. Niektóre stopy, utwardzane tzw. metodą wydzieleniową, takie jak miedź-beryl lub nikiel-beryl, mają zwykle lepszy stosunek wytrzymałości do odkształcalności niż stopy, które są hartowane przez obróbkę na zimno. Generalnie: stopy poddane obróbce cieplnej nie wymagają tak dużej ilości obróbki na zimno, aby osiągnąć dany poziom wytrzymałości.

Kiedy materiał zostaje trwale odkształcony, dyslokacje poruszają się, dopóki nie zostaną zatrzymane przez inny element sieci krystalicznej, na przykład granice innych ziaren lub pierwiastki stopowe. Jednak jednym z najskuteczniejszych sposobów zatrzymania dyslokacji jest kolejna dyslokacja. Kiedy dyslokacje przebiegają na różnych płaszczyznach, ich trasy przecinają się, nie mogą się jednak przenikać - dyslokacje nakładają się na siebie i mogą się przeplatać. To ‘splątanie’ dyslokacji zapobiega dalszym trwałym odkształceniom konkretnego ziarna bez użycia znacznie większej energii, co zwiększa wytrzymałość materiału przy każdym kolejnym obciążeniu.

Rysunek 1 pokazuje, co teoretycznie dzieje się podczas utwardzania odkształceniowego. Do materiału wprowadzana jest pewna ilość naprężeń (odkształceń) (szara linia). Po usunięciu obciążenia materiał powraca do stanu zerowego naprężenia wzdłuż ścieżki prostopadłej do linii obciążenia sprężystego (fioletowe kwadraty). Kiedy materiał jest ponownie poddany obciążeniu, podąża tą samą ścieżką aż do pierwotnej krzywej naprężenie-odkształcenie (niebieska linia). Jednak w rezultacie tego procesu granica elastyczności materiału została zwiększona: nowa granica plastyczności (zielona przerywana linia) jest teraz znacznie wyższa niż stara granica plastyczności (czerwona przerywana linia). Ponadto zmniejszeniu uległo całkowite wydłużenie. Opisany wzrost wytrzymałości będzie zatem zmniejszał plastyczność i odkształcalność.

Rysunek 2 przedstawia proces walcowania na zimno stosowany w celu hartowania materiałów taśmowych. Taśma przechodzi między dwoma, wywierającymi duży nacisk rolkami. Pas materiału jest ściskany w szczelinie, stając się znacznie dłuższy i cieńszy. Same ziarna w metalu również stają się wydłużone. To trwałe odkształcenie powoduje wspomniane wcześniej ‘splątanie’ dyslokacji, co zwiększa wytrzymałość materiału. Dodatkowo większy obszar graniczny ziaren służy jako inhibitor kolejnych dyslokacji.

Zakres możliwej redukcji na zimno określa wytrzymałość metalu: zraz ze wzrostem wykonanej pracy na zimno rośnie wytrzymałość.  I odwrotnie, całkowite wydłużenie zmniejsza się wraz ze wzrostem ilości wykonanej pracy na zimno. Rysunek 3 przedstawia zależność między wytrzymałością, wydłużeniem i pracą na zimno dla żółtego mosiądzu. Jeśli procent pracy na zimno wzrośnie powyżej pewnego punktu, efekt przyłożenia siły proporcjonalnie się zmniejsza. Dzieje się tak, ponieważ przy coraz wyższych redukcjach jest coraz mniej wolnych dyslokacji, które mogą się splątać. Również wydłużenie (plastyczność, odkształcalność) gwałtownie spada przy obróbce na zimno, a ponieważ materiał jest mniej podatny na odkształcenia plastyczne, coraz bardziej prawdopodobne stają się pęknięcia.

Przy dużej ilości wykonanej obróbki na zimno materiał staje się bardzo trudny do dalszej obróbki lub formowania. Jeśli musi być dalej formowany lub jego grubość musi zostać zmniejszona, konieczne staje się jego wyżarzanie, które powoduje rekrystalizację ziaren. Stare ziarna zostają zatarte, a nowe ziarna wraz z nowymi dyslokacjami zaczynają rosnąć. Wszystkie efekty wcześniejszej obróbki na zimno znikają, co przywraca wytrzymałość i wydłużenie materiału do wartości początkowej (tj. bez pracy na zimno), a materiał jest gotowy do dalszych prac na zimno.

Ostateczny stan zahartowania materiału utwardzanego przez odkształcenie jest wypadkowa ilości wykonanej obróbki plastycznej na zimno, zastosowanej po jego  końcowym wyżarzeniu. Wyżarzanie musi odbywać się w wystarczająco wysokiej temperaturze i wystarczająco długo, aby zniszczyć stare ziarna. Jednocześnie, czas musi być wystarczająco krótki, a temperatura wystarczająco niska, aby nowe ziarna nie urosły zbyt duże.

Obróbka plastyczna na zimno jest jednym z najważniejszych sposobów poprawy wytrzymałości metali. Należy jednak zachować równowagę między stopniem wytrzymałości a ilością utraconej plastyczności. Twardsze stopy, stosowane np. do wyrobu sprężyn, mają wysoką wytrzymałość i niską plastyczność, podczas gdy inne są bardziej miękkie, mając niską wytrzymałość i wysoką plastyczność. Wybierając materiał na złącze, najlepiej jest użyć materiału o najwyższej wytrzymałości, który nadal spełnia wymagania dotyczące odkształcalności projektu.

Żródło: artykuł opracowano na podstawie materiałów, udostępnianych na stronie firmy Materion