Keményedés
A fém megkeményedése a fém megkeményedése a (végső) plasztikus alakváltozás hatására . Ez a keményedési mechanizmus nagyrészt megmagyarázza a megmunkált (vagyis plasztikus alakváltozással: hengerlés , húzás , kovácsolás ) révén nyert fémrészek és az öntödei alkatrészek közötti különbségeket .
A munka megkeményedése csak a képlékeny anyagokon és a műanyag területen történik . Tehát elasztomerekre , üvegekre és bizonyos kerámiákra vonatkozik , de mindenekelőtt fémekre , kivéve:
- törékeny fémek: fémek alacsony hőmérsékleten (a törékeny-alakítható átmeneti hőmérséklet alatt ) és nem lágyítható fémek (például martenzites acélok és bizonyos öntöttvasak );
- reológiai viselkedést mutató fémek : ez kizárja a nagyon lassú alakváltozási sebességet ( kúszást ) és a magas hőmérsékletű alkalmazásokat.
A megkeményedés megfelel azoknak a módosításoknak, amelyeken a fém átesik, amikor a rá kifejtett feszültségek elég erősek ahhoz, hogy maradandó képlékeny alakváltozásokat okozzanak. Ezek a módosítások kohászati jellegűek (a fém belső szerkezetének módosítása), és általában befolyásolják annak mechanikai tulajdonságait.
A keményedés kifejezés az anyag mechanikai tulajdonságainak átalakítási műveletét is jelöli: ezt kérjük, és ha a rugalmassági határ túllépésre kerül, mindig marad egy műanyag törzsként ismert maradék törzs. Az anyagra gyakorolt hatások egyrészt a rugalmassági határ (a kiindulási anyaghoz képest), másrészt a keménység növekedését jelentik ; az anyag is törékenyebbé válik. A figyelembe vett fémektől függően a mechanikai tulajdonságok az ellenállás ( ötvözött acélok esetében ) növekedése felé változhatnak egy bizonyos pontig (töréspontig), vagy fordítva annak csökkenéséig (alacsony ötvözetű acélok esetén).
A jelenség bemutatása
Ha egy huzalt megcsavarunk (a hajlítások pontosabb kifejezés lenne), akkor próbáljuk kiegyenesíteni, azt látjuk, hogy megtartja a deformációt a kezdeti deformáció helyén: ez a hely megkeményedett, és megnehezíti a huzal újbóli deformálását , a másik irányba.
Ha vásárol réz cső a vízvezeték , meg lehet vásárolni a két fokozat: edzett réz és lágyított réz.
- Az edzett réz korlátozott hosszúságú egyenes „rudak” formájában jelenik meg (jellemzően 1 és 4 méter között , annak érdekében, hogy szállítani lehessen); nagyon nehéz hajlítani , előbb fáklyával kell felmelegíteni, hogy megolvasztsa . Keménysége a gyártási folyamatból, a rajzból származik : a (szinte tiszta) réz alakíthatósága által megengedett jelentős képlékeny alakváltozás jelentős megkeményedést okoz.
- Lágyított réz formájában egy tekercs (korona) jellemzően tartalmazó 10 , hogy 25- m- cső. Ez a cső könnyen feltekerhető és hajlítható. Ez a termék drágább, mint az edzett réz: további kezelésen ( lágyításon ) esik át, hogy megpuhítsa.
Ha egyszerű (egytengelyes) szakítószilárdsági vizsgálatot veszünk figyelembe , akkor a megszakítással kiemelhetjük az edzést:
- Először a próbadarabot a rugalmassági határ túllépésével nyújtják , de anélkül, hogy a nyakig menne .
- Az erő megszűnik, a próbadarab rugalmasan behúzódik, követve a diagram egyenesét (ε, σ).
- Ha az ember ismét meghúzza a próbadarabot, vissza kell térni az első szakasz végének feszültségéhez, hogy új visszafordíthatatlan deformációt okozzon; a rugalmassági határ ezért megnőtt.
Munka keményítő törvényeket
A fém keményedési képességét az n keményedési együtthatóval becsüljük meg : a szakítópróba során az ember megrajzolja a racionális húzógörbét, vagyis a görbét:
σ = ƒ (ε)vagy
- σ (MPa) a valós stressz, figyelembe véve a szakasz területének csökkenését, F (N) a húzóerő és S (mm 2 ) a keresztmetszet valós területe;
- ε a hosszanti törzs, figyelembe véve a végtelenül kis megnyúlások felhalmozódását L 0 (mm) a próbadarab kezdeti hossza, és L (mm) a terhelés alatti hossz.
A keményedés vagy a konszolidáció sebességét minden pontban úgy definiáljuk, mint a görbe érintőjének meredekségét:
dσ / dεa dσ túlzott erőt kell biztosítani egy további dε megnyúlás eléréséhez.
Ha ez az arány magas, az azt jelenti, hogy az σ feszültség gyorsan növekszik, amikor az ε igénybevétel megnő, vagyis a fém nyújtásához szükséges erő jelentősen megnő.
A húzógörbét egy empirikus törvény írja le. Ha valaki úgy ítéli meg, hogy nincs viszkózus viselkedése , akkor a törvény független a feszültségtől. Általában háromféle törvényt használunk: Hollomon törvénye (vagy potenciális törvénye), Ludwik törvénye és Voce törvénye:
ahol n a keményedési együttható ; értéke tipikusan 0,1 és 0,5 között van.
Voce törvénye meg van írva:
σ = σ 0 ⋅ (1 - e -Aε )ahol σ 0 a telítési feszültség. Használhatunk egy összetettebb Voce-törvényt is:
.
ahol σ s egy küszöbfeszültség.
Ha valakit csak a gyenge műanyag törzsek érdekelnek, gyakran bilináris törvényt használ.
A feszültségek koncentrációja és a helyi keményedés
Ha az alkatrésznek van egy szakaszváltozása vagy hibája van - üreg, zárvány ( csapadék ) nehezebb vagy kevésbé kemény, mint a többi anyag, újra éles szögbe kerül, alsó rés - a feszültségek helyi koncentrációja léphet fel . Míg az ember azt gondolja, hogy a rugalmas tartományban van , addig helyileg belép a műanyag tartományba.
Így előfordulhat helyi megkeményedés. Ez a jelenség a fáradtsági jelenségek repedéseinek egyik fő oka .
Munka edző mechanizmusok
A diszlokációk szorzata
A fémrész plasztikus alakváltozását a diszlokációk mozgása váltja ki . A deformáció során ezek a diszlokációk Frank és Read mechanizmusának megfelelően szaporodnak .
A diszlokációk azonban zavarják egymást: ha ugyanabban a csúszó síkban vannak, akkor vonzzák vagy taszítják egymást, korlátozva terjedésüket, és ha merőleges síkban vannak, akkor egymásnak csapkodnak ("az erdő fái" jelenség) . Tehát minél több a diszlokáció, annál több lehetséges deformáció van, de annál kevésbé mozgékonyak a diszlokációk, mert zavarják egymást.
A diszlokációk mobilitásának elvesztése a rugalmassági határ, tehát a keménység növekedéséhez vezet, ami a munka megkeményedését jelenti.
Ha valaki megváltoztatja a képlékeny alakváltozás irányát, a keményedés fordítva is csökkentheti a rugalmassági határt: ez a Bauschinger-effektus .
Bauschinger-effektus
A diszlokációk kölcsönös kényelmetlensége „izotróp” keményedést von maga után: a rugalmas határ a deformáció irányától függetlenül növekszik.
A Bauschinger-effektus (nevét Johann Bauschinger fizikusnak köszönheti ) a fém ( polikristályos ) vagy ötvözet rugalmasságának anizotróp változása a szűz rugalmasság (névleges) határán túli első terhelés után. Ez a jelenség elengedhetetlen a fáradtság jelenségének megértéséhez és az anyagok teljesítményének romlásához váltakozó terhelés alatt. A kinematikus keményedés modelljéről van szó (lásd alább).
Ha egy fémet egy adott irányban deformálunk úgy, hogy az maradandó maradandó alakváltozást ( plaszticitást ) alakítson ki, akkor ugyanabban az irányban az ellenkező irányban deformáljuk, megfigyeljük, hogy a rugalmassági határ csökkent.
Ezt a jelenséget a diszlokációk (plasztikus alakváltozásból adódó lineáris hibák) eloszlásával magyarázzák a hidegen formált fémekben: a deformáció során a diszlokációk a szemcsehatárok mentén szaporodnak és összefonódnak. A hidegformázásból fakadó struktúrától függően a Bauschinger-effektus általában két mechanizmust tartalmaz:
- A helyi maradványfeszültségek jelenléte kedvez az elmozdulások kialakulásának az ellenterhelés irányában, ami csökkenti a rugalmas határt. A diszlokációk koncentrációja a szemcsehatárokon és az Orowan- hurkok kialakulása a kemény csapadék körül a maradék stressz két fő oka.
- Amikor a deformáció iránya megfordul, a plasztikációs mechanizmus olyan diszlokációkat hoz létre, amelyeknek Burgers-vektora ellentétes a korábbi diszlokációkéval. A diszlokációk ezért általában törlik egymást, ami csökkenti a rugalmassági határt.
Összességében az ellenterhelés irányában az áramlási feszültség kisebb, mintha az anyagot ugyanabba az irányba helyezték volna vissza, mint az első terhelésnél.
Sík vagy triaxiális stressz állapotok esete
Ekvivalens stressz
A legtöbb valós esetben a feszültség állapotát az alkatrész adott pontján nem egyetlen feszültségértékkel, hanem hat szimmetrikus tenzort alkotó értékkel kell leírni :
Általános esetben megtalálható egy közvetlen ortonormális koordináta-rendszer, amelyben ezt a tenzort egy átlós mátrix fejezi ki, a három feszültséget főfeszültségnek nevezzük :
Ha ezen feszültségek egyike sem nulla, akkor „triaxiális” stressz állapotról beszélünk. Ha az egyik fő feszültség nulla, akkor „biaxiális” vagy „sík” stressz állapotról beszélünk, és ha csak egy fő feszültség nem nulla, akkor „egytengelyes” stressz állapotról beszélünk.
A fent bemutatott húzóvizsgálat egytengelyű stressz állapotnak felel meg. Ebben a helyzetben a stressz állapotot tehát egyedi σ skalár képviseli; a plaszticitási kritérium meg van írva
σ> R eés az edzés az R e rugalmassági határ növekedésének felel meg .
Két- vagy háromtengelyű feszültségállapot esetén a plaszticitási kritérium általában ekvivalens feszültséget jelent σ eqv, amely a feszültségtenzor összetevőiből számított skalár. Általában két egyenértékű korlátozást alkalmaznak:
- a Tresca-feszültség vagy maximális nyírófeszültség:
σ eqv = max (| σ I - σ II |, | σ II - σ III |, | σ III - σ I |) = max i ≠ j (| σ i - σ j |); - a von Mises-féle stressz vagy torzító energia-stressz:
![{\ displaystyle \ sigma _ {\ mathrm {eqv}} = {\ sqrt {{\ frac {1} {2}} [(\ sigma _ {\ mathrm {I}} - \ sigma _ {\ mathrm {II} }) ^ {2} + (\ sigma _ {\ mathrm {II}} - \ sigma _ {\ mathrm {III}}) ^ {2} + (\ sigma _ {\ mathrm {III}} - \ sigma _ {\ mathrm {I}}) ^ {2}]}}}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/9dc666ab86b5399a3318162dfee939c081211d9e)
Ezután megírják a plaszticitási kritériumot
σ eqv > R eA főfeszültségek (σ I , σ II , σ III ) terében az σ eqv = R e határ egy felület:
- a trescai kényszer esetében hatszög alapú és végtelen hosszúságú prizma;
- a von Mises-kényszer esetében ez egy forradalmi és végtelen hosszúságú henger.
A munka megkeményedése ennek a határfelületnek a deformációjának felel meg.
Biaxiális feszültségállapot esetén meg lehet elégedni egy kétdimenziós ábrázolással (σ I , σ II ), a határ ekkor görbe: Tresca számára hatszög, von Mises számára ellipszis.
Az edzés izotróp vagy kinematikai modellje
Általában két munkakeményítő modellt alkalmaznak.
Az első, „izotróp” modellnek nevezett modellben a megkeményedés a határfelület tágulásának felel meg egy (0, 0, 0) középpontú homotétiával. Ez azt jelenti, hogy megkeményedés van a törzs irányától függetlenül.
A „kinematikusnak” nevezett második modellben a határfelület nem deformálódik, hanem lefordul. Ez azt jelenti, hogy van valamilyen irányú keményedés, más irányban azonban enyhülés. Ez megfelel a Bauschinger-effektusnak.
Helyreállítás és átkristályosítás
A helyreállítás és az átkristályosítás olyan jelenségek, amelyeknek hatása a megkeményedés megszüntetése. Ezek termikusan aktivált ; hőkezelés, különösen hőkezelés során fordulnak elő .
Átkristályosításra csak akkor kerülhet sor, ha a megkeményedés elegendő: az átalakulás motorja a diszlokációkban „tárolt” rugalmas alakváltozási energia mennyisége. Bizonyos esetekben, amikor a deformációs ráta elegendő (egy adott fémhez és hőmérséklethez), a helyreállítás és az átkristályosítás a munka keményedésével egy időben történhet: dinamikus helyreállításról és átkristályosításról beszélünk .
Megjegyzések és hivatkozások
- lexikográfiai és etimológiai meghatározások a „keménység” A számítógépes francia nyelv kincstár , a honlapon a National Center for szöveges és lexikai források
- PABC 2002 , p. 783.
- PABC 2002 , p. 787-788.
- PABC 2002 , p. 463-467.
- François Frey , A szerkezetek és a folyamatos közegek elemzése: Szerkezetek mechanikája , vol. 2, Lausanne, PPUR , koll. "A lausanne-i Szövetségi Műszaki Egyetem mélyépítési szerződése",2006, 2 nd ed. ( olvasható online ) , “7.2.3 Bauschinger-effektus”, p. 104
- PABC 2002 , p. 915-916.
- PABC 2002 , p. 789-791.
- PABC 2002 , p. 791-792.
- Ez a cikk részben vagy egészben a „ Bauschinger-effektus ” című cikkből származik (lásd a szerzők felsorolását ) .
Lásd is
Bibliográfia
Általános bibliográfia- [PABC 2002] J. Philibert , A. Vignes , Y. Bréchet és P. Combrade , Kohászat, érctől anyagig , Párizs, Dunod ,2002, 2 nd ed. , 1177 p. ( ISBN 978-2-10-006313-0 ) , p. 781-794, 798-800, 822-829, 915-916
- J.-L. Fanchon , Útmutató az ipari tudományokhoz és technológiákhoz , Párizs, Afnor, Nathan,2010, 592 p. ( ISBN 978-2-09-178761-9 és 2-12-494112-7 , OCLC 47854031 , online előadás ) , p. 144
- (de) Johann Bauschinger , " Über die Veränderung Elastizitätsgrenze der und die Festigkeit a Eisens Stahls und durch und Strecken Quetschen, durch und durch Erwärmen und abkühlen oftmals wiederholte Beanspruchungen " , Mitthilungen aus dem Meschanich-Teschnichen Laboratorium der K. Teschnichen Hochschuhlen , München, Theodor Ackermann, köt. 13,1886( online olvasás )
- J. Lemaitre J.-L. Chaboche, szilárd anyagok mechanikája , Párizs, Dunod ,1988, 544 p. ( ISBN 2-04-018618-2 ) , „A keményedés 3.7 jellemzése”, p. 110
- Norman E. Dowlings, Anyagok mechanikai viselkedése , Englewood Cliffs (NJ), Prentice Hall ,1993, 780 p. ( ISBN 0-13-026956-5 ) , „12. Plasztikai alakváltozás és modellek az anyagok számára”, p. 547-48