差排與強化機制

加工硬化(work hardening)

把迴紋針折一次,它輕鬆就彎;在同一處來回折,它每折一次就更硬更僵,直到斷掉。那股愈來愈大的抵抗,就是加工硬化(又稱應變硬化):金屬被塑性變形得愈多,就變得愈強、愈硬。這是變形讓金屬回頭反抗。

機制在於差排彼此擋路。塑性變形不只是移動差排,還會製造新的差排,所以當你加工金屬時,差排的數目會倍增。很快晶體裡就擠滿了差排,而由於每條差排都帶著自己的應變場,它們像塞車一樣互相排斥、糾纏。一條想滑行的差排,現在必須擠過一叢別的差排,這需要愈來愈大的應力。於是金屬的降伏強度隨變形而攀升,用應變硬化關係 sigma = K times epsilon^n 來描述,其中指數 n(通常 0.1 到 0.5)衡量它硬化得多快。

加工硬化既是工具也是麻煩。冷輥軋鋼板、抽拉線材、鍛打刀刃,都是靠它在不加合金、不做熱處理的情況下強化的。但它也會耗掉延性:被大量加工的金屬又強又接近開裂,所以最終必須用退火軟化,才能再進一步成形。它遇熱就消失;把金屬加熱到夠高,糾纏就會化開(回復與再結晶),使它變回柔軟。

把退火過的銅冷輥軋到 50% 減薄,可以讓它的降伏強度增加好幾倍,而斷裂伸長率則從數十個百分點掉到只剩幾個百分點;更強,但伸展能力大減。

輥軋機的每一道次都讓差排倍增、糾纏、卡住,硬化了金屬,卻花掉了它的延性。

加工硬化只有在再結晶溫度以下才留得住;在夠熱時讓金屬變形,它會硬化得多快就軟化得多快,這正是冷加工與熱加工的差別所在。

又称
strain hardeningcold hardening應變硬化