Ενδοτράχυνση

Η ενδοτράχυνση ή εργοσκλήρυνση είναι μέθοδος αύξησης της αντοχής και της σκληρότητας ενός μεταλλικού υλικού (μετάλλου ή κράματος) με παραμόρφωση πέρα από το όριο διαρροής. Η ενδοτράχυνση έχει ιδιαίτερη σημασία στην μεταλλοτεχνία του χάλυβα, όταν το μέταλλο αυτό υποβληθεί σε ψυχρή κατεργασία, δηλ. σε πλαστική παραμόρφωση υπό θερμοκρασία χαμηλότερη από το μισό της θερμοκρασίας τήξης.

Η παραμόρφωση πέρα από το όριο διαρροής οδηγεί σε δραματική αύξηση της πυκνότητας των διαταραχών — γραμμικών και διεπιφανειακών — στο εσωτερικό των κρυστάλλων του υλικού. Για παράδειγμα, σε ένα ανοπτημένο μεταλλικό υλικό, η πυκνότητα διαταραχών είναι της τάξης των 10¹⁰/m², ενώ σε ένα υλικό που έχει πάθει ψυχρή ολκή ή έλαση, η πυκνότητα διαταραχών είναι της τάξης των 10¹⁵/m². Καθώς μεγαλώνει η παραμόρφωση του υλικού, οι διαταραχές μετακινούνται (ολισθαίνουν), τέμνονται, αλληλεπιδρούν μεταξύ τους και συσσωρεύονται σε ορισμένα σημεία, με αποτέλεσμα να εμποδίζει η μία την κίνηση της άλλης. Με την αύξηση της πυκνότητας των ατελειών, την αλλαγή της κατανομής τους και την παρεμπόδιση της κίνησής τους, το υλικό χάνει την ολκιμότητά του και γίνεται πιο σκληρό.

Μακροσκοπικά, η ενδοτράχυνση παρατηρείται εύκολα, όταν πάρουμε ένα μεταλλικό σύρμα και προσπαθήσουμε να το λυγίσουμε μερικές φορές. Αφού το λυγίσουμε μία φορά και το ισιώσουμε, την δεύτερη φορά πιθανότατα δεν θα λυγίσει στο ίδιο σημείο. Αν καταφέρουμε να το λυγίσουμε ξανά στο ίδιο σημείο, θα νοιώσουμε ότι το σύρμα είναι πιο δύσκαμπτο. Αυτό συμβαίνει επειδή το σημείο καμπής του σύρματος έχει πάθει ενδοτράχυνση. Εάν επαναλάβουμε το λύγισμα μερικές φορές ακόμα, το σύρμα γίνεται ολοένα και πιο δύσκαμπτο και στο τέλος σπάζει.

Κατά τρόπο πιο επιστημονικό, η ενδοτράχυνση παρατηρείται όταν υποβληθεί σε δοκιμή εφελκυσμού ένα υλικό το οποίο είχε υποβληθεί προηγουμένως σε παρόμοια δοκιμή μέχρι να πάθει πλαστική παραμόρφωση. Κατά την δεύτερη δοκιμή εφελκυσμού, το υλικό θα παρουσιάσει μεγαλύτερο όριο ελαστικής παραμόρφωσης και μεγαλύτερο όριο διαρροής. Μάλιστα, εάν πρόκειται για κοινό χάλυβα, κατά την δεύτερη δοκιμή εφελκυσμού η πλαστική παραμόρφωση είναι ομαλή και δεν παρατηρείται διαρροή. Η διαρροή παρατηρείται ξανά μόνον όταν, ανάμεσα στην πρώτη και την δεύτερη δοκιμή εφελκυσμού, το υλικό αναθερμανθεί γύρω στους 120°C και επέλθει εργογήρανση.

Σκαρίφημα που δείχνει τις καμπύλες τάσης (σ_f) – παραμόρφωσης (ε) για έναν κοινό δομικό χάλυβα, όπως έχει (δοκιμή Ι) και μετά από πλαστική παραμόρφωση (επιμήκυνση) περίπου 5% που έχει προκαλέσει ενδοτράχυνση (δοκιμή ΙΙ).

Μαθηματικά, στις περισσότερες περιπτώσεις, η σχέση τάσης–παραμόρφωσης στην περιοχή της πλαστικής παραμόρφωσης μπορεί να περιγραφεί με την εξίσωση του Λούντβιχ (P. Ludwig, Element der Technologischen Mechanik, pp. 32–44. Springer, Berlin, 1909):

σ = σ_y Κεⁿ

όπου σ η ασκούμενη τάση, σ_y το όριο διαρροής, Κ μια εμπειρική σταθερά, ε η παραμόρφωση και n ένας εμπειρικός εκθέτης που για τα περισσότερα μέταλλα λαμβάνει την τιμή 0,2 έως 0,5. Για ένα υλικό που έχει ήδη υποστεί πλαστική παραμόρφωση ε₀, η παραπάνω εξίσωση γίνεται:

σ = σ_y K(ε₀ ε)ⁿ.

Η ενδοτράχυνση με ψυχρή ολκή, έλαση ή άλλη μηχανική κατεργασία προκαλεί αύξηση της σκληρότητας του μετάλλου ή κράματος, επιμήκυνση των κόκκων (κρυστάλλων) κατά την διεύθυνση της παραμόρφωσης και, επομένως, ανισοτροπία στο υλικό. Η εργογήρανση επαναφέρει την διαρροή στους χάλυβες, αλλά δεν μειώνει την σκληρότητα του υλικού, το οποίο μπορεί να αστοχήσει κατά τρόπο ψαθυρό. Το υλικό που έπαθε σκλήρυνση με ενδοτράχυνση ανακτά την αρχική ολκιμότητά του, ή μέρος της ολκιμότητάς του, μόνον με ανόπτηση, δηλ. θέρμανση σε σχετικά υψηλή θερμοκρασία.

Η ενδοτράχυνση συνδέεται και με το φαινόμενο της κόπωσης των μετάλλων. Η επαναληπτική εφαρμογή εφελκυστικών/θλιπτικών τάσεων οδηγεί σε συσσώρευση των ατελειών σε ορισμένα σημεία όπου τελικά το υλικό αστοχεί με ψαθυρή θραύση.

Δύο άλλοι τρόποι αύξησης της αντοχής και σκληρότητας ενός μεταλλικού υλικού είναι οι εξής:

σκλήρυνση με κραμάτωση, δηλ. με την προσθήκη κραματικών στοιχεία που καταλαμβάνουν θέσεις παρεμβολής ή αντικατάστασης στο κρυσταλλικό πλέγμα του μητρικού μετάλλου και έτσι εμποδίζουν την κίνηση των διαταραχών· και
γήρανση, δηλαδή σκλήρυνση με κατακρήμνιση στα όρια των κόκκων νέων φάσεων που εμποδίζουν την κίνηση των διαταραχών.

Βλ. επίσης

Ανόπτηση

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

G. Marshall, P. Evans, R. Ricks and A. Green, "Strain hardening overview (for aluminium)", aluminium.matter.org.uk, 2007(?) — Η ενδοτράχυνση του αλουμινίου (Αγγλικά).