Arbeitshärtung

Kaltverfestigung , auch als Dehnungsverfestigung bekannt , ist der Prozess, bei dem die Tragfähigkeit (Festigkeit) eines Werkstoffs während plastischer (bleibender) Verformung zunimmt. Diese Eigenschaft unterscheidet duktile von spröden Werkstoffen. ^{[ 1 ]} Kaltverfestigung kann je nach Anwendung erwünscht, unerwünscht oder unbedeutend sein.

Diese Festigkeitssteigerung beruht auf Versetzungsbewegungen und der Entstehung von Versetzungen innerhalb der Kristallstruktur des Materials. ^{[ 2 ]} Viele nicht spröde Metalle mit einem ausreichend hohen Schmelzpunkt und einige Polymere lassen sich auf diese Weise verstärken. ^{[ 3 ]} Legierungen, die sich nicht wärmebehandeln lassen , wie beispielsweise kohlenstoffarmer Stahl, werden häufig durch Kaltverfestigung gehärtet. Einige Werkstoffe, wie Indium , lassen sich bei niedrigen Temperaturen nicht kaltverfestigen , ^{[ 4 ]} andere hingegen, wie beispielsweise Reinkupfer und Aluminium, können nur durch Kaltverfestigung verstärkt werden. ^{[ 5 ]}

Ein Beispiel für unerwünschte Kaltverfestigung ist die spanende Bearbeitung , bei der frühe Bearbeitungsgänge eines Fräsers die Werkstückoberfläche unbeabsichtigt verfestigen und dadurch den Fräser bei späteren Bearbeitungsgängen beschädigen. Bestimmte Legierungen neigen stärker dazu als andere; Superlegierungen wie Inconel erfordern daher materialwissenschaftliche Bearbeitungsstrategien, die diesen Effekt berücksichtigen.

Bei Metallgegenständen, die sich biegen sollen, wie z. B. Federn , werden üblicherweise spezielle Legierungen verwendet, um Kaltverfestigung (eine Folge plastischer Verformung ) und Materialermüdung zu vermeiden . Zur Erzielung der erforderlichen Eigenschaften sind spezielle Wärmebehandlungen notwendig.

Ein Beispiel für erwünschte Kaltverfestigung ist diejenige, die bei Metallbearbeitungsprozessen auftritt , bei denen gezielt plastische Verformung zur Formänderung herbeigeführt wird. Diese Prozesse werden als Kaltumformung bezeichnet . Sie zeichnen sich dadurch aus, dass das Werkstück bei einer Temperatur unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur , üblicherweise bei Raumtemperatur, umgeformt wird . ^{[ 6 ]} Kaltumformverfahren werden in der Regel in vier Hauptgruppen unterteilt: Stauchen , Biegen , Ziehen und Scheren . Anwendungsgebiete sind das Stauchkopfdrehen von Bolzen und Zylinderschrauben sowie die Oberflächenbearbeitung von kaltgewalztem Stahl . Bei der Kaltumformung wird Metall mit Werkzeugstahl- oder Hartmetallwerkzeugen unter hohem Druck und hoher Geschwindigkeit umgeformt . Die Kaltverformung des Metalls erhöht die Härte, die Streckgrenze und die Zugfestigkeit . ^{[ 7 ]}

Vor der Kaltverfestigung weist das Material ein regelmäßiges, nahezu fehlerfreies Gitter auf (fast keine Versetzungen). Dieses fehlerfreie Gitter kann jederzeit durch Glühen erzeugt oder wiederhergestellt werden . Mit fortschreitender Kaltverfestigung sättigt sich das Material zunehmend mit neuen Versetzungen, und die Bildung weiterer Versetzungen wird gehemmt (es entsteht ein Widerstand gegen Versetzungsbildung). Dieser Widerstand gegen Versetzungsbildung äußert sich in einem Widerstand gegen plastische Verformung und führt somit zur beobachteten Festigkeitssteigerung.

In metallischen Kristallen ist dies ein reversibler Prozess, der üblicherweise auf mikroskopischer Ebene durch Defekte, sogenannte Versetzungen, durchgeführt wird. Diese entstehen durch Schwankungen lokaler Spannungsfelder im Material und führen zu einer Gitterumstrukturierung, während sich die Versetzungen durch das Kristallgitter ausbreiten. Bei normalen Temperaturen werden die Versetzungen durch Glühen nicht beseitigt. Stattdessen akkumulieren sie sich, interagieren miteinander und wirken als Verankerungspunkte oder Hindernisse, die ihre Bewegung erheblich behindern. Dies führt zu einer Erhöhung der Streckgrenze des Materials und einer damit einhergehenden Verringerung der Duktilität.

Eine solche Verformung erhöht die Konzentration von Versetzungen, die in der Folge Kleinwinkelkorngrenzen um Subkörner herum bilden können. Kaltverformung führt im Allgemeinen zu einer höheren Streckgrenze aufgrund der erhöhten Versetzungszahl und des Hall-Petch-Effekts der Subkörner sowie zu einer geringeren Duktilität. Die Auswirkungen der Kaltverformung können durch Glühen des Materials bei hohen Temperaturen rückgängig gemacht werden, wobei Erholung und Rekristallisation die Versetzungsdichte verringern.

Die Kaltverfestigungsfähigkeit eines Werkstoffs kann durch die Analyse einer Spannungs-Dehnungs-Kurve vorhergesagt oder im Kontext durch Härteprüfungen vor und nach einem Prozess untersucht werden . ^{[ 8 ] [ 9 ]}

Kaltverfestigung ist eine Folge plastischer Verformung, einer dauerhaften Formänderung. Sie unterscheidet sich von elastischer Verformung, die reversibel ist. Die meisten Werkstoffe zeigen nicht nur das eine oder das andere, sondern eine Kombination aus beidem. Die folgende Erläuterung bezieht sich hauptsächlich auf Metalle, insbesondere Stähle, die gut erforscht sind. Kaltverfestigung tritt besonders häufig bei duktilen Werkstoffen wie Metallen auf. Duktilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich vor dem Bruch plastisch zu verformen (z. B. ein Stahlstab bis zum Bruch zu biegen).

Der Zugversuch wird häufig zur Untersuchung von Verformungsmechanismen eingesetzt. Dies liegt daran, dass die meisten Werkstoffe unter Druckbelastung triviale (Gitterfehlanpassung) und nicht-triviale (Knickung) Ereignisse durchlaufen, bevor es zu plastischer Verformung oder Bruch kommt. Daher sind die Zwischenprozesse, die im Werkstoff unter einachsiger Druckbelastung vor dem Auftreten plastischer Verformung ablaufen, mit Schwierigkeiten verbunden.

Ein Material verformt sich im Allgemeinen unter dem Einfluss kleiner Kräfte elastisch ; nach Wegfall der verformenden Kraft kehrt es schnell in seine ursprüngliche Form zurück. Dieses Phänomen wird als elastische Verformung bezeichnet. Das Hookesche Gesetz beschreibt dieses Verhalten von Materialien . Materialien verhalten sich elastisch, bis die verformende Kraft die Elastizitätsgrenze , auch Streckgrenze genannt, überschreitet . Ab diesem Punkt ist das Material dauerhaft verformt und kehrt nach Wegfall der Kraft nicht mehr in seine ursprüngliche Form zurück. Dieses Phänomen wird als plastische Verformung bezeichnet . Beispielsweise kehrt eine Schraubenfeder, die bis zu einem bestimmten Punkt gedehnt wird , in ihre ursprüngliche Form zurück. Wird sie jedoch über die Elastizitätsgrenze hinaus gedehnt, bleibt sie verformt und kehrt nicht mehr in ihren ursprünglichen Zustand zurück.

Elastische Verformung dehnt die Bindungen zwischen den Atomen über ihren Gleichgewichtsabstand hinaus, ohne dabei genügend Energie aufzubringen, um die interatomaren Bindungen zu brechen. Plastische Verformung hingegen bricht interatomare Bindungen und führt daher zur Umordnung der Atome in einem Festkörper.

In der Materialwissenschaft werden Versetzungen als Linienfehler in der Kristallstruktur eines Materials definiert. Die Bindungen um die Versetzung herum sind durch den Defekt bereits elastisch vorgespannt, verglichen mit den Bindungen zwischen den Bestandteilen des regulären Kristallgitters. Daher brechen diese Bindungen bei relativ geringeren Spannungen, was zu plastischer Verformung führt.

Die Spannungen in der Umgebung einer Versetzung sind durch Gitterspannungsfelder charakterisiert . Beispielsweise treten direkt neben einer Stufenversetzung Druckspannungen auf, während jenseits des Versetzungsendes Zugspannungen entstehen. Diese bilden Druck- bzw. Zugspannungsfelder. Spannungsfelder sind in gewisser Weise mit elektrischen Feldern vergleichbar . Insbesondere unterliegen die Spannungsfelder von Versetzungen ähnlichen Gesetzen der Anziehung und Abstoßung: Um die Gesamtspannung zu reduzieren, ziehen sich Druckspannungen von Zugspannungen an und umgekehrt.

Die sichtbaren ( makroskopischen ) Folgen plastischer Verformung sind das Ergebnis mikroskopischer Versetzungsbewegungen. Beispielsweise wird die Dehnung eines Stahlstabs in einer Zugprüfmaschine durch Versetzungsbewegungen auf atomarer Ebene ermöglicht.

Die Zunahme der Versetzungszahl ist ein Maß für die Kaltverfestigung. Plastische Verformung entsteht durch Arbeit , die an einem Werkstoff verrichtet wird; dem Werkstoff wird Energie zugeführt. Diese Energie wird fast immer schnell und in ausreichendem Maße zugeführt, um nicht nur bestehende Versetzungen zu bewegen, sondern durch ausreichendes Stoßen oder Bearbeiten des Werkstoffs auch eine große Anzahl neuer Versetzungen zu erzeugen . Neue Versetzungen entstehen in der Nähe einer Frank-Read-Quelle .

Die Streckgrenze eines kaltverformten Werkstoffs erhöht sich. Mithilfe von Gitterspannungsfeldern lässt sich zeigen, dass eine Umgebung voller Versetzungen die Bewegung jeder einzelnen Versetzung behindert. Da die Versetzungsbewegung behindert ist, kann bei Normalspannungen keine plastische Verformung auftreten . Bei Anlegen von Spannungen knapp oberhalb der Streckgrenze des nicht kaltverformten Werkstoffs verformt sich ein kaltverformter Werkstoff weiterhin mithilfe des einzig verfügbaren Mechanismus: der elastischen Verformung. Das reguläre Schema der Dehnung oder Stauchung elektrischer Bindungen (ohne Versetzungsbewegung ) setzt sich fort, und der Elastizitätsmodul bleibt unverändert. Schließlich ist die Spannung groß genug, um die Wechselwirkungen des Spannungsfeldes zu überwinden, und die plastische Verformung setzt wieder ein.

Die Duktilität eines kaltverfestigten Werkstoffs nimmt jedoch ab. Duktilität beschreibt das Ausmaß, in dem ein Werkstoff plastisch verformt werden kann, d. h. wie weit er vor dem Bruch plastisch verformt werden kann. Ein kaltverformter Werkstoff ist im Grunde ein normaler (spröder) Werkstoff, der bereits einen Teil seiner zulässigen plastischen Verformung erreicht hat. Wenn die Versetzungsbewegung und die plastische Verformung durch Versetzungsansammlungen ausreichend behindert sind und die Dehnung elektronischer Bindungen sowie die elastische Verformung ihre Grenzen erreicht haben, tritt ein dritter Verformungsmodus auf: der Bruch.

Die Scherfestigkeit einer Versetzung hängt vom Schermodul G, der Größe des Burgersvektors b und der Versetzungsdichte ab : ${\displaystyle \tau }$${\displaystyle \rho _{\perp }}$

${\displaystyle \tau =\tau _{0}+G\alpha b\rho _{\perp }^{1/2}\ }$

Hierbei handelt es sich um die intrinsische Festigkeit des Materials mit niedriger Versetzungsdichte und um einen materialspezifischen Korrekturfaktor. ${\displaystyle \tau _{0}}$${\displaystyle \alpha }$

Wie Abbildung 1 und die obige Gleichung zeigen, ist die Kaltverfestigung proportional zur halben Wurzel von der Anzahl der Versetzungen. Das Material weist eine hohe Festigkeit auf, wenn entweder eine hohe Versetzungsdichte (mehr als 10^¹⁴ Versetzungen pro m^²) oder keine Versetzungen vorhanden sind. Eine mittlere Versetzungsdichte (zwischen 10^⁷ und 10^⁹ Versetzungen pro m ^²) führt typischerweise zu einer geringen Festigkeit.

Ein extremes Beispiel: Bei einem Zugversuch wird ein Stahlstab bis kurz vor die Bruchlänge gedehnt. Die Last wird gleichmäßig entfernt, und das Material baut einen Teil der Spannung durch Längenverringerung ab. Diese Längenverringerung wird als elastische Erholung bezeichnet, und das Ergebnis ist ein verfestigter Stahlstab. Der Anteil der wiederhergestellten Länge (wiederhergestellte Länge/Ausgangslänge) entspricht der Streckgrenze dividiert durch den Elastizitätsmodul. (Hier wird die wahre Spannung betrachtet , um die drastische Durchmesserverringerung in diesem Zugversuch zu berücksichtigen.) Die Länge, die ein Material nach Entlastung kurz vor dem Bruch wiedererlangt, entspricht der Länge, die es nach Entlastung kurz vor dem Eintritt der plastischen Verformung wiedererlangt.

Der kaltverfestigte Stahlstab weist eine so große Anzahl an Versetzungen auf, dass die Wechselwirkung des Spannungsfeldes jegliche plastische Verformung verhindert. Die nachfolgende Verformung erfordert eine Spannung, die linear mit der beobachteten Dehnung variiert ; die Steigung des Spannungs-Dehnungs-Diagramms entspricht, wie üblich, dem Elastizitätsmodul.

Der kaltverfestigte Stahlstab bricht, wenn die angelegte Spannung die übliche Bruchspannung und die Dehnung die übliche Bruchdehnung überschreitet. Dies kann als Elastizitätsgrenze betrachtet werden, und die Streckgrenze entspricht nun der Bruchzähigkeit , die deutlich höher ist als die Streckgrenze von nicht kaltverfestigtem Stahl.

Die mögliche plastische Verformung ist null und damit geringer als die eines nicht verfestigten Werkstoffs. Daher ist die Duktilität des kaltverformten Stabes reduziert.

Erhebliche und anhaltende Kavitation kann auch zu Kaltverfestigung führen.

Es gibt zwei gängige mathematische Beschreibungen des Verfestigungsphänomens. Die Hollomon-Gleichung ist eine Potenzgesetzbeziehung zwischen der Spannung und dem Ausmaß der plastischen Verformung: ^{[ 10 ]}

${\displaystyle \sigma =K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

wobei σ die Spannung, K der Festigkeitsindex bzw. Festigkeitskoeffizient, ε_{_p} die plastische Dehnung und n der Verfestigungsexponent ist . Die Ludwiks Gleichung ist ähnlich, berücksichtigt aber die Streckgrenze: ^{[ 11 ]}

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K\epsilon _{p}^{n}\,\!}$

Wenn ein Material zuvor einer Verformung (bei niedriger Temperatur) unterzogen wurde, erhöht sich die Streckgrenze um einen Faktor, der von der Größe der vorherigen plastischen Verformung ε ₀ abhängt :

${\displaystyle \sigma =\sigma _{y}+K(\epsilon _{0}+\epsilon _{p})^{n}\,\!}$

Die Konstante K ist strukturabhängig und wird durch die Verarbeitung beeinflusst, während n eine Materialeigenschaft ist, die üblicherweise im Bereich von 0,2 bis 0,5 liegt. Der Verfestigungsindex kann wie folgt beschrieben werden:

${\displaystyle n={\frac {d\log(\sigma )}{d\log(\epsilon )}}={\frac {\epsilon }{\sigma }}{\frac {d\sigma }{d\epsilon }}\,\!}$

Diese Gleichung lässt sich aus der Steigung eines log(σ) – log(ε)-Diagramms auswerten. Durch Umstellen kann die Verfestigungsrate bei gegebener Spannung und Dehnung bestimmt werden:

${\displaystyle {\frac {d\sigma }{d\epsilon }}=n{\frac {\sigma }{\epsilon }}\,\!}$

Stahl ist ein wichtiger Konstruktionswerkstoff mit vielfältigen Anwendungsgebieten. Durch Umformung bei niedrigen Temperaturen, die sogenannte Kaltverformung , lässt sich Stahl verfestigen . Typischerweise führt eine Zunahme der Kaltverformung zu einer Verringerung des Verfestigungsexponenten . Hochfeste Stähle weisen tendenziell einen niedrigeren Verfestigungsexponenten auf.

Kupfer war das erste Metall, das für Werkzeuge und Behälter allgemein verwendet wurde, da es eines der wenigen Metalle ist, die in nicht oxidierter Form verfügbar sind und daher nicht aus Erz geschmolzen werden müssen . Kupfer lässt sich durch Erhitzen und anschließendes Abkühlen leicht erweichen (es härtet nicht durch Abschrecken, z. B. in kaltem Wasser). In diesem geglühten Zustand kann es gehämmert, gedehnt und anderweitig geformt werden, wobei es sich der gewünschten Endform annähert, aber mit fortschreitender Bearbeitung härter und weniger duktil wird . Wird eine bestimmte Härte überschritten, neigt das Metall beim Bearbeiten zum Brechen und muss daher während der Formgebung regelmäßig erneut geglüht werden. Das Glühen wird beendet, sobald das Werkstück seine endgültige Form fast erreicht hat, sodass das Endprodukt die gewünschte Festigkeit und Härte aufweist. Die Repoussé -Technik nutzt diese Eigenschaften von Kupfer und ermöglicht die Herstellung von langlebigen Schmuckstücken und Skulpturen (wie der Freiheitsstatue ).

Viele Gold- und Silberschmuckstücke werden im Gussverfahren hergestellt , mit geringer oder gar keiner Kaltverformung. Je nach Legierung kann das Metall dadurch relativ weich und biegsam sein. Juweliere können jedoch gezielt Kaltverfestigung einsetzen, um tragbare Objekte wie Ringe , die Belastungen ausgesetzt sind, zu verstärken .

Bauteile aus Aluminium und seinen Legierungen müssen sorgfältig konstruiert werden, um Biegungen zu minimieren oder gleichmäßig zu verteilen. Diese können zu Kaltverfestigung und in der Folge zu Spannungsrissen führen, die unter Umständen einen Totalausfall verursachen können . Aus diesem Grund haben moderne Aluminiumflugzeuge eine begrenzte Nutzungsdauer (abhängig von den auftretenden Belastungen), nach deren Ablauf sie außer Dienst gestellt werden müssen.

• Degarmo, E. Paul; Black, J. T.; Kohser, Ronald A. (2003), Werkstoffe und Prozesse in der Fertigung (9. Aufl.), Wiley, ISBN 978-0-471-65653-1Die
• Smith, William F.; Hashemi, Javad (2006), Grundlagen der Materialwissenschaft und Werkstofftechnik (4. Aufl.), McGraw-Hill, ISBN 978-0-07-295358-9Die