Härten
Das Härten eines Metalls ist das Härten eines Metalls unter dem Einfluss seiner (endgültigen) plastischen Verformung . Dieser Härtungsmechanismus erklärt weitgehend die Unterschiede zwischen Metallteilen, die durch Schmiedeteile (dh durch plastische Verformung: Walzen , Ziehen , Schmieden ) und Gießereiteilen erhalten werden .
Kaltverfestigung tritt nur bei duktilen Werkstoffen und im Kunststoffbereich auf . Es handelt sich also um Elastomere , Gläser und bestimmte Keramiken , vor allem aber um Metalle , ausgenommen:
- spröde Metalle: Metalle bei niedriger Temperatur (unterhalb der spröde-duktilen Übergangstemperatur ) und nicht plastifizierbare Metalle (z. B. martensitische Stähle und bestimmte Gusseisen );
- Metalle mit rheologischem Verhalten : Dies schließt sehr langsame Dehnungsraten ( Kriechen ) und Hochtemperaturanwendungen aus.
Die Kaltverfestigung entspricht den Modifikationen, die das Metall erfährt, wenn die auf es einwirkenden Spannungen stark genug sind, um dauerhafte plastische Verformungen zu verursachen. Diese Modifikationen sind metallurgisch (Modifikation der inneren Struktur des Metalls) und beeinflussen im Allgemeinen seine mechanischen Eigenschaften.
Der Begriff Kaltverfestigung wird auch verwendet, um einen Vorgang der Umwandlung der mechanischen Eigenschaften des Materials zu bezeichnen: Dieser wird angefordert, und sobald die Elastizitätsgrenze überschritten wird, verbleibt immer eine Restspannung, die als plastische Spannung bekannt ist. Die dem Material verliehenen Wirkungen sind einerseits eine Erhöhung der Elastizitätsgrenze (im Vergleich zum Ausgangsmaterial) und andererseits der Härte ; Das Material wird auch zerbrechlicher. Abhängig von den betrachteten Metallen können sich die mechanischen Eigenschaften zu einer Erhöhung des Widerstands (bei legierten Stählen ) bis zu einem bestimmten Punkt (Bruchstelle) oder umgekehrt zu einer Verringerung (bei niedriglegierten Stählen) entwickeln.
Demonstration des Phänomens
Wenn wir einen Draht verdrehen ( Biegungen wären ein genauerer Begriff) und dann versuchen, ihn zu begradigen, sehen wir, dass er an der Stelle der anfänglichen Verformung eine Verformung beibehält: Diese Stelle ist gehärtet und es wird schwierig, den Draht wieder zu verformen in die andere Richtung.
Beim Kauf von Kupferrohren für Sanitärinstallationen können Sie zwei Qualitäten kaufen: gehärtetes Kupfer und geglühtes Kupfer.
- Das gehärtete Kupfer kommt in Form von geraden „Stäben“ von begrenzter Länge (typischerweise von 1 bis 4 m , um es transportieren zu können); es ist sehr schwer zu biegen , es muss zuerst mit einem Brenner erhitzt werden , um es zu glühen . Seine Härte ergibt sich aus dem Herstellungsprozess, der Zeichnung : Die signifikante plastische Verformung, die durch die Duktilität von (fast reinem) Kupfer ermöglicht wird, bewirkt eine signifikante Kaltverfestigung.
- Geglühtes Kupfer hat die Form einer Spule (Krone), die typischerweise 10 bis 25 m Rohr enthält. Dieses Rohr kann leicht abgewickelt und gebogen werden. Dieses Produkt ist teurer als gehärtetes Kupfer: Es wird zusätzlich behandelt ( geglüht ), um es zu erweichen.
Wenn man einen einfachen Zugversuch (einachsig) in Betracht zieht, kann man die Aushärtung hervorheben, indem man den Test unterbricht:
- Zunächst wird das Teststück durch Überschreiten der Elastizitätsgrenze gedehnt , ohne jedoch bis zum Einschnüren zu gehen .
- Die Kraft wird aufgehoben, das Teststück wird elastisch zurückgezogen und folgt einer geraden Linie im Diagramm (ε, σ).
- Wenn man erneut am Teststück zieht, ist es notwendig, zur Spannung am Ende der ersten Stufe zurückzukehren, um eine neue irreversible Verformung zu verursachen; die Elastizitätsgrenze erhöhte sich daher.
Arbeitshärtungsgesetze
Die Härtungsfähigkeit eines Metalls wird durch den Härtungskoeffizienten n geschätzt : Während eines Zugversuchs zeichnet man die rationale Zugkurve, dh die Kurve:
σ = ƒ (ε)oder
- σ (MPa) ist die reale Spannung unter Berücksichtigung der Verringerung der Fläche des Abschnitts, F (N) ist die Zugkraft und S (mm 2 ) die reale Fläche des Querschnitts;
- ε ist die Längsdehnung unter Berücksichtigung der Ansammlung infinitesimaler Dehnungen L 0 (mm) ist die Anfangslänge des Prüflings und L (mm) die Länge unter Last.
Die Aushärtungsrate oder Konsolidierungsrate wird an jedem Punkt als Steigung der Tangente an diese Kurve definiert:
dσ / dεes ist die überschüssige Kraft dσ, die bereitgestellt werden muss, um eine zusätzliche Dehnung dε zu erhalten.
Wenn diese Rate hoch ist, bedeutet dies, dass die Spannung & sgr; schnell zunimmt, wenn die Dehnung & egr; zunimmt, d. H. Die Kraft, die erforderlich ist, um das Metall weiter zu dehnen, nimmt stark zu.
Die Zugkurve kann durch ein empirisches Gesetz beschrieben werden. Wenn man bedenkt, dass man kein viskoses Verhalten hat , ist das Gesetz unabhängig von der Dehnungsrate. Wir verwenden im Allgemeinen drei Arten von Gesetzen: Hollomons Gesetz (oder potenzielles Gesetz), Ludwiks Gesetz und Voces Gesetz:
wobei n der Härtungskoeffizient ist ; sein Wert liegt typischerweise zwischen 0,1 und 0,5.
Das Gesetz von Voce ist geschrieben:
σ = σ 0 ⋅ (1 - e -Aε )wobei σ 0 die Sättigungsspannung ist. Wir können auch ein komplexeres Voce-Gesetz verwenden:
.
wobei σ s eine Schwellenspannung ist.
Wenn man sich nur für schwache plastische Verformungen interessiert, verwendet man oft ein bilineares Gesetz.
Spannungskonzentration und lokale Aushärtung
Wenn das Teil eine Abschnittsänderung oder einen Defekt aufweist - Hohlraum, Einschluss ( Niederschlag ) härter oder weniger hart als der Rest des Materials, Wiedereintritt in einen scharfen Winkel, untere Kerbe - kann eine lokale Konzentration von Spannungen auftreten . Während man denkt, im elastischen Bereich zu sein , tritt man lokal in den plastischen Bereich ein.
Es kann somit zu einer lokalen Aushärtung kommen. Dieses Phänomen ist eine der Hauptursachen für die Entstehung von Rissen bei Ermüdungsphänomenen .
Kaltverfestigungsmechanismen
Multiplikation von Versetzungen
Die plastische Verformung eines Metallteils erfolgt durch die Bewegung der Versetzungen . Während der Verformung vermehren sich diese Versetzungen gemäß dem Mechanismus von Frank und Read .
Versetzungen stören sich jedoch gegenseitig: Wenn sie sich in derselben Gleitebene befinden, ziehen sie sich an oder stoßen sich ab, begrenzen ihre Ausbreitung und wenn sie sich in orthogonalen Ebenen befinden, stecken sie sich gegenseitig fest (Phänomen der "Bäume des Waldes"). . Je mehr Versetzungen es gibt, desto mehr mögliche Verformungen gibt es, aber desto weniger beweglich sind die Versetzungen, weil sie sich gegenseitig stören.
Der Verlust der Beweglichkeit der Versetzungen führt zu einer Erhöhung der Elastizitätsgrenze und damit der Härte, die eine Kaltverfestigung darstellt.
Wenn man die Richtung der plastischen Verformung ändert, kann die Kaltverfestigung auch umgekehrt die Elastizitätsgrenze senken : Dies ist der Bauschinger-Effekt .
Bauschinger-Effekt
Das gegenseitige Unbehagen von Versetzungen impliziert eine „isotrope“ Aushärtung: Die Elastizitätsgrenze erhöht sich unabhängig von der Verformungsrichtung.
Der Bauschinger-Effekt (der seinen Namen dem Physiker Johann Bauschinger verdankt ) ist die anisotrope Änderung der Elastizitätsgrenze eines Metalls ( polykristallin ) oder einer Legierung nach einer ersten Belastung über die Grenze der jungfräulichen Elastizität (nominal) hinaus. Dieses Phänomen ist wichtig, um das Phänomen der Ermüdung und die Verschlechterung der Leistung von Materialien unter wechselnden Belastungen zu verstehen . Es handelt sich um ein Modell der kinematischen Härtung (siehe unten).
Wenn wir ein Metall in einer bestimmten Richtung so verformen, dass es eine bleibende Restverformung ( Plastifizierung ) entwickelt, dann verformen wir es in die entgegengesetzte Richtung in die gleiche Richtung. Wir stellen fest, dass die Elastizitätsgrenze abgenommen hat.
Dieses Phänomen erklärt sich durch die Verteilung von Versetzungen (lineare Defekte infolge plastischer Verformung) in kaltgeformten Metallen: Während der Verformung vermehren sich Versetzungen entlang der Korngrenzen und verwickeln sich. Abhängig von der Struktur, die sich aus der Kaltumformung ergibt, gibt es beim Bauschinger-Effekt im Allgemeinen zwei Mechanismen:
- Das Vorhandensein lokaler Restspannungen begünstigt die Entwicklung von Versetzungen in Gegenlastrichtung, wodurch die Elastizitätsgrenze gesenkt wird. Die Konzentration von Versetzungen an den Korngrenzen und die Bildung von Orowan- Schleifen um harte Niederschläge sind die beiden Hauptursachen für diese Restspannungen.
- Wenn die Verformungsrichtung umgekehrt wird, erzeugt der Plastifizierungsmechanismus Versetzungen, die einen Burgers-Vektor aufweisen , der dem früherer Versetzungen entgegengesetzt ist. Die Versetzungen neigen daher dazu, sich gegenseitig aufzuheben, was die Elastizitätsgrenze verringert.
Insgesamt ist die Fließspannung in Gegenlastrichtung geringer als wenn das Material in der gleichen Richtung wie bei der ersten Last nachgeladen worden wäre.
Fall von ebenen oder dreiachsigen Spannungszuständen
Äquivalenter Stress
In den meisten realen Fällen muss der Spannungszustand an einem bestimmten Punkt des Teils nicht durch einen einzelnen Spannungswert beschrieben werden, sondern durch sechs Werte, die einen symmetrischen Tensor bilden :
Im allgemeinen Fall kann man ein direktes orthonormales Koordinatensystem finden, in dem dieser Tensor durch eine Diagonalmatrix ausgedrückt wird, wobei die drei Spannungen als Hauptspannungen bezeichnet werden :
Wenn keine dieser Spannungen Null ist, spricht man von einem "dreiachsigen" Spannungszustand. Wenn eine der Hauptspannungen Null ist, spricht man von einem "zweiachsigen" oder "ebenen" Spannungszustand, und wenn nur eine Hauptspannung nicht Null ist, spricht man von einem "einachsigen" Spannungszustand.
Der oben dargestellte Zugversuch entspricht einem einachsigen Spannungszustand. In dieser Situation wird der Spannungszustand daher durch einen eindeutigen Skalar σ dargestellt; Das Plastizitätskriterium wird geschrieben
σ> R eund Härten entspricht einer Zunahme in der Elastizitätsgrenze R e .
Im Fall eines zwei- oder dreiachsigen Spannungszustands beinhaltet das Plastizitätskriterium im Allgemeinen eine äquivalente Spannung σ eqv, die ein Skalar ist, der aus den Komponenten des Spannungstensors berechnet wird. Im Allgemeinen werden zwei äquivalente Einschränkungen verwendet:
- die Tresca-Spannung oder maximale Scherspannung:
σ eqv = max (| σ I - σ II |, | σ II - σ III |, | σ III - σ I |) = max i ≠ j (| σ i - σ j |); - der von Mises-Stress oder der Verzerrungsenergiestress:
![{\ 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)
Das Plastizitätskriterium wird dann geschrieben
σ eqv > R eIm Raum der Hauptspannungen (σ I , σ II , σ III ) ist die Grenze σ eqv = R e eine Oberfläche:
- im Fall der Tresca-Beschränkung handelt es sich um ein Prisma mit einer sechseckigen Basis und unendlicher Länge;
- im Fall der von Mises-Beschränkung ist es ein Zylinder der Umdrehung und der unendlichen Länge.
Die Kaltverfestigung entspricht dann einer Verformung dieser Grenzfläche.
Bei einem zweiachsigen Spannungszustand kann man sich mit einer zweidimensionalen Darstellung (σ I , σ II ) zufrieden geben , die Grenze ist dann eine Kurve: ein Sechseck für Tresca, eine Ellipse für von Mises.
Isotropes oder kinematisches Modell der Härtung
Im Allgemeinen werden zwei Kaltverfestigungsmodelle verwendet.
Im ersten Modell, das als "isotropes" Modell bekannt ist, entspricht das Härten einer Erweiterung der Grenzfläche um eine in (0, 0, 0) zentrierte Homothetik. Dies bedeutet, dass es unabhängig von der Dehnungsrichtung zu einer Aushärtung kommt.
Im zweiten Modell, das als "kinematisch" bezeichnet wird, verformt sich die Grenzfläche nicht, sondern wird verschoben. Dies bedeutet, dass es in eine Richtung zu einer Aushärtung kommt, in anderen Richtungen jedoch zu einer Erweichung. Dies entspricht dem Bauschinger-Effekt.
Restaurierung und Rekristallisation
Die Wiederherstellung und Rekristallisation sind Phänomene, deren Wirkung darin besteht, die Aushärtung aufzuheben. Sie werden thermisch aktiviert ; Sie treten während der Wärmebehandlung auf, insbesondere beim Tempern .
Eine Rekristallisation kann nur stattfinden, wenn die Kaltverfestigung ausreicht: Die treibende Kraft hinter der Umwandlung ist die Menge an elastischer Verformungsenergie, die in den Versetzungen „gespeichert“ ist. In einigen Fällen, wenn die Dehnungsrate ausreichend ist (für ein bestimmtes Metall und eine bestimmte Temperatur), kann die Wiederherstellung und Rekristallisation gleichzeitig mit der Kaltverfestigung erfolgen: Wir sprechen von dynamischer Wiederherstellung und Rekristallisation .
Anmerkungen und Referenzen
- Lexikografische und etymologische Definitionen der „Verhärtung“ der computergestützten französischen Sprachkasse auf der Website des Nationalen Zentrums für textuelle und lexikalische Ressourcen
- PABC 2002 , p. 783.
- PABC 2002 , p. 787-788.
- PABC 2002 , p. 463-467.
- François Frey , Analyse von Strukturen und kontinuierlichen Medien: Mechanik von Strukturen , vol. 2, Lausanne, PPUR , Slg. "Tiefbauvertrag des Eidgenössischen Polytechnikums Lausanne",2006, 2 nd ed. ( online lesen ) , „7.2.3 Bauschinger-Effekt“, S. 104
- PABC 2002 , p. 915-916.
- PABC 2002 , p. 789-791.
- PABC 2002 , p. 791-792.
- Dieser Artikel stammt ganz oder teilweise aus dem Artikel „ Bauschinger-Effekt “ (siehe Autorenliste ) .
Siehe auch
Literaturverzeichnis
Allgemeine Bibliographie- [PABC 2002] J. Philibert , A. Vignes , Y. Bréchet und P. Combrade , Metallurgie, vom Erz zum Material , Paris, Dunod ,2002, 2 nd ed. 1177 p. ( ISBN 978-2-10-006313-0 ) , p. 781-794, 798-800, 822-829, 915-916
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