TERÄSOPAS

4. Teräksen käyttäytyminen jännityksen alaisena

4.2 Muokkauslujittuminen

4.2.1 Monikiteinen metalli

Muokkauslujittumisella ymmärretään metallin kykyä vastustaa jatkuvaa muokkautumista muodonmuutoksen kasvaessa lisääntyvän lujittumisen ansiosta. Ulkoista jännitystä on siis jatkuvasti lisättävä, jotta muokkausaste jatkuvasti kasvaisi.
Muokkauslujittuminen on eräs metallisren materiaalien tärkeimpiä ominaisuuksia ja sen olemassaoloon perustuu suurelta osalta metallien soveltuvuus rakennemateriaaliksi. Muokkauslujittuminen ilmenee kuvassa 53 esitetystä, vetokokeella määritetystä voima-venymäkäytädyä. Tämän tapainen voima-venymäkäyrä saadaan terävän myötörajan omaavilla metalleilla, esim. niukkahiilisellä teräksellä. Käyrästä nähdään, että voiman ylitettyä myötölujuutta vastaavan arvon Fm, jatkuu myötäminen vakiovoiman vaikuttaessa tiettyyn venymään saakka. Tämän ns. myötövenymän tapahduttua alkaa plastisen modonmuutokseen tarvittava voima kasvaa muokkauslujittumisen vaikutuksesta ja myötäminen pysähtyy. Jotta myötäminen voisi tämän jälkeen jatkua, on kuormituksen jatkuvasti kasvettava. Muokkauslujittuminen suojaa täten äkilliseltä murtumiselta, vaikka myötölujuus paikallisesti jossain ylitettäisiinkin. Toisaalta metallia voidaan kylmämuokata jo etukäteen. Muokkauslujittumisen ansiosta rakenteessa voidaan tällöin samalla huomattavasti suurempia jännityksiä ilman plastisen muodonmuutoksen vaaraa kuin käytettäessä kylmämuokkaamatonta metallia. Muokkauslujittuminen on tehokkain tunnettu metallin lujittumismenetelmä ja sillä voidaan nostaa metallin lujuutta aina 200--300 % (kuva 53).

Kuva53. Teräslangan lujittumunen kylmävedossa

Kuva54.Teräksen jännitys-venymäkäyrä

Kuvassa 54 esitetystä monikiteisen metallin jännitys-venymäkäyrästä ei voida tehdä muita kuin tilastollista merkitystä omaavia johtopäätöksiä metallien muokkauslujittumista säätelevistä tekijöistä. Kokemusperäisesti esim. tiedetään, että tilakeskisen kuutiohilan omaavilla metalleilla (esim. teräs) muokkauslujittuminen noudattaa potenssilakia, jota matemaattisesti esittää kaava:

,jossa

Potenssilaki on voimassa vain myötövenymän ylittävillä muokkausasteilla. Sitä kuvaa kaksoislogaritmisessa koordinaatistossa suora (kuva 55), jonka kulmakerroin = n
ja muokkausastetta

Kuva55 Teräksen muodonmuutosvastus luonnollisen
muokkausteen funktiona

Monirakeisen metallin käyttäytyminen kylmämuokkauksessa edustaa yksityisten kiteiden käyttäytyminen tilastollista keskiarvoa ja tässä käyttäytymisessä heijastuvat raerajojen sekä jatkuvuusvaatimuksen vaikutukset. Kylmämuokkauksessa muokkautuvat yksityiset kiteet siten, että jännityksen suuntaan nähden edullisimmilla liukutasoilla tapahtuu siirrosliukumista. Siirrosliukuminen edellyttää dislokaatioiden muodostumista ja liikkumista. Muokkauslujittuminen on näin ollen tapahtumasarja, jossa siirrosliukumiseen tarvittavien dislokaatioiden määrän lisääntyminen liukutasoilla vaikeuttaa uusien dislokaatioiden muodostumista ja liukutasoilla jo olevien dislokaatioiden liikettä.
Jotta muokkauslujittumisen perusmekanismeja voitaisiin tarkastella häiriöttä, on tarkastelun kohteeksi jälleen otettava erillinen metallikide:

Erilliskiteen muokkauslujittuminen

Erilliskiteillä tehdyt vetokokeet ovat osoittaneet, että muokkauslujittumista tapahtuu vain silloin, kun siirrosliukumista tapahtuu erisuuntaisilla, toisiaan leikkaavilla liukutasoilla. Jos erilliskiteeseen vaikuttava jännitys on siten suunnattu, että liukumista tapahtuu aluksi vain yhdessä, samansuuntaisten liukutasojen muodostamassa liukutasojärjestelmässä, saadaan kuvassa 56 esitetty jännitys-venymäkäyrä. Kimmoisella alueella kasvaa venymä aluksi suoraan verrannollisena jännitykseen. Kun plastinen muodonmuutos alkaa, pysyy jännitys aluksi lähes vakiona, mikä osoittaa, että muokkauslujittumista ei tapahdu (vaihe I). Tässä vaiheessa taapahtuu liukumista vain yhdensuuntaisilla liukutasoilla (helppo liukuminen). Kun kaikille yhdensuuntaisille liukutasoille vähitellen ruuhkautuu dislokaatioita, vaikeutuu liukuminen tässä liukutasojärjestelmässä niin paljon, että jonkin muun suuntaisilla liukutasoilla alkaa myös tapahtua liukumista.

Kuva 56. Pintakeskisen kuutuiohilahlan omaavan
metallin erilliskiteen muokkauslujittuminen vetokokeessa

Tällöin joutuvat uusilla liukutasoilla liikkuvat dislokaatiot leikkaamaan aikaisemmin muodostuneita. Dislokaatioiden väliset poisto-ja vetovoimat aiheuttavat nyt vaikeasti liikkuvien dislokaatioryhmien kehittymisen, jotka ehkäisevät tehokkaasti uusein dislokaatioiden liikkumista. Tämä ilmenee voimakkaana muokkauslujittumisena (vaihe II) (lineaarinen lujittuminen). Dislokaatiotiheys on tämän vaiheen lopussa 10^10 kpl/cm². Jännityksen kasvaessa riittävän suureksi pystyvät dislokaatiot kiertämään vaiheessa II muodostuneita dislokaatioruuhkia, ns. ristiliukumisen avulla; jolloin muokkauslujittuminen heikkenee (vaihe III) (dynaaminen totipuminen). Ristiliukumisessa siirtyy dislokaatio tai osa siitä alkuperäistä liukutasoa leikkaavalle liukutasolle. Jos jännityksen suunta on sellainen, että liukuminen pääsee alkamaan useamman suuntaisilla oiukutasoilla yhtä aikaa,jää vaihe I pois ja muokkauslujittuminen alkaa heti kimmoisen vaiheen jälkeen. Tällainen on.tilanne mm. monikiteisessä metallissa, jossa eri rakeissa tapahtuvien muodonmuutosten yhteensopivuusehto edellyttää muodonmuutoksen tapahtuvan viidellä liukutasojärjestelmällä.
Edellä selostetut tulokset on saatu pintakeskisen kuutiohilan omaavien metallien erilliskiteillä. Tilakeskisen kuutiohilan (esim. ferriitti) omaavilla kiteillä saaduista jännitys-venymäkäyristä puuttuuu vaihe I, koska niissä ei ole mahdollista saada liukumista tapahtumaan vain yhdensuuntaisilla liukutasoilla. Mikäli ferriitti-erilliskide sisältää pieniä määriä epäpuhtauksia (typpi, hiili, happi), esiintyy jännitys-venymäkäyrässä terävä myötöraja kuten monikiteisessä vetokoesauvassa. Edellä esitetty muokkauslujittumismekanismi on kvalitatiivinen ja verrattain karkea. Siitä puuttuu monta tärkeätä yksityiskohtaa kuten vakanssien, nykämien ja pinousvikojen osuus muokkauslujittumisessa. Sellaisenaankin se kuitenkin osoittaa kuinka keskeinen asema dislokaatioteorialla on metallin käyttäytymistä selitettäessä.

4.3 Murtuminen