Work hardening
सामग्री विज्ञान में, कार्य कठोरता, जिसे तनाव कठोरता के रूप में भी जाना जाता है, प्लास्टिक विरूपण द्वारा धातु या बहुलक को मजबूत करना है। संदर्भ के आधार पर कड़ी मेहनत वांछनीय, अवांछनीय या अप्रासंगिक हो सकती है। यह मजबूती सामग्री की क्रिस्टल संरचना के भीतर विस्थापन आंदोलनों और विस्थापन उत्पादन के कारण होती है। उचित रूप से उच्च पिघलने बिंदु वाली कई गैर-भंगुर धातुओं के साथ-साथ कई पॉलिमर को इस तरह से मजबूत किया जा सकता है। कम कार्बन वाले इस्पात सहित ऊष्मा उपचार के लिए अनुकूल नहीं होने वाले मिश्र धातुओं को अक्सर कठोर किया जाता है। कुछ सामग्रियों को कम तापमान पर कार्य-कठोर नहीं किया जा सकता है, जैसे कि इंडियम, हालाँकि अन्य को केवल कार्य-कठोरता के माध्यम से मजबूत किया जा सकता है, जैसे कि शुद्ध तांबा और एल्यूमीनियम। अवांछनीय कार्य कठोरता का एक उदाहरण मशीनिंग के दौरान अवांछनीय कार्य कठोरता का एक उदाहरण है जब एक कटर के शुरुआती पास अनजाने में वर्कपीस की सतह को कठोर कर देते हैं, जिससे बाद के पास के दौरान कटर को नुकसान होता है। कुछ मिश्र धातुएँ दूसरों की तुलना में इसके लिए अधिक प्रवण होती हैं; इनकनेल जैसे सुपर अलॉय को मशीनिंग रणनीतियों की आवश्यकता होती है जो इसे ध्यान में रखती हैं। फ्लेक्स करने के लिए डिज़ाइन की गई धातु की वस्तुओं के लिए, जैसे कि स्प्रिंग्स, विशेष मिश्र धातुओं को आमतौर पर काम की कठोरता (प्लास्टिक विरूपण के परिणामस्वरूप) और धातु की थकान से बचने के लिए नियोजित किया जाता है, जिसमें आवश्यक विशेषताओं को प्राप्त करने के लिए विशिष्ट गर्मी उपचार की आवश्यकता होती है। इरादतन कार्य कठोरता वांछनीय कार्य कठोरता का एक उदाहरण वह है जो धातु कार्य प्रक्रियाओं में होता है जो जानबूझकर प्लास्टिक विरूपण को सटीक आकार परिवर्तन के लिए प्रेरित करता है। इन प्रक्रियाओं को कोल्ड वर्किंग या कोल्ड फॉर्मिंग प्रक्रियाओं के रूप में जाना जाता है। वे आमतौर पर परिवेश के तापमान पर, अपने पुनः क्रिस्टलीकरण तापमान से नीचे के तापमान पर वर्कपीस को आकार देने की विशेषता रखते हैं। शीत निर्माण तकनीकों को आमतौर पर चार प्रमुख समूहों में वर्गीकृत किया जाता हैः निचोड़ना, झुकना, चित्र बनाना और कतरना। अनुप्रयोगों में बोल्ट और कैप स्क्रू का शीर्षक और कोल्ड रोल्ड स्टील का परिष्करण शामिल है। कोल्ड फॉर्मिंग में, धातु उच्च गति से बनती है और टूल स्टील या कार्बाइड डाई का उपयोग करके उच्च दबाव होता है। धातु के ठंडे काम करने से कठोरता, उपज शक्ति और तन्यता शक्ति बढ़ जाती है। सिद्धांत कार्य कठोरता से पहले, सामग्री की जाली एक नियमित, लगभग दोष-मुक्त पैटर्न (लगभग कोई विस्थापन नहीं) प्रदर्शित करती है। दोष-मुक्त जाली को किसी भी समय एनीलिंग द्वारा बनाया या पुनर्स्थापित किया जा सकता है। जैसे-जैसे सामग्री कठोर होती जाती है, यह नए विस्थापनों के साथ तेजी से संतृप्त हो जाती है, और अधिक विस्थापन को न्यूक्लिएटिंग से रोका जाता है (विस्थापन-गठन के लिए एक प्रतिरोध विकसित होता है)। विस्थापन-संरचना के लिए यह प्रतिरोध खुद को प्लास्टिक विरूपण के प्रतिरोध के रूप में प्रकट करता है; इसलिए, देखा गया सुदृढ़ीकरण। धातु के क्रिस्टलों में, यह एक प्रतिवर्ती प्रक्रिया है और आमतौर पर एक सूक्ष्म पैमाने पर अव्यवस्था नामक दोषों द्वारा की जाती है, जो सामग्री के भीतर स्थानीय तनाव क्षेत्रों में उतार-चढ़ाव से उत्पन्न होते हैं जो एक जाली पुनर्व्यवस्था में समाप्त होते हैं क्योंकि अव्यवस्था जाली के माध्यम से फैलती है। सामान्य तापमान पर विस्थापन एनीलिंग द्वारा नष्ट नहीं होते हैं। इसके बजाय, विस्थापन जमा हो जाते हैं, एक दूसरे के साथ बातचीत करते हैं, और पिन करने वाले बिंदुओं या बाधाओं के रूप में काम करते हैं जो उनकी गति को महत्वपूर्ण रूप से बाधित करते हैं। इससे सामग्री की उपज शक्ति में वृद्धि होती है और बाद में लचीलापन में कमी आती है। इस तरह की विकृति विस्थापन की सांद्रता को बढ़ाती है जो बाद में उप-अनाज के आसपास कम कोण वाले अनाज की सीमाएँ बना सकती है। कोल्ड वर्किंग के परिणामस्वरूप आम तौर पर विस्थापन की बढ़ती संख्या और उप-अनाज के हॉल-पेच प्रभाव और लचीलापन में कमी के परिणामस्वरूप उच्च उपज शक्ति होती है। कोल्ड वर्किंग के प्रभावों को उच्च तापमान पर सामग्री को एनीलिंग करके उलट दिया जा सकता है जहां पुनर्प्राप्ति और पुनः क्रिस्टलीकरण विस्थापन घनत्व को कम करता है। एक सामग्री की कठोरता की भविष्यवाणी तनाव-तनाव वक्र का विश्लेषण करके की जा सकती है, या एक प्रक्रिया से पहले और बाद में कठोरता परीक्षण करके संदर्भ में अध्ययन किया जा सकता है। लोचदार और प्लास्टिक विरूपण कार्य कठोरता प्लास्टिक विरूपण का एक परिणाम है, आकार में एक स्थायी परिवर्तन। यह लोचदार विरूपण से अलग है, जो प्रतिवर्ती है। अधिकांश सामग्रियाँ केवल एक या दूसरे का प्रदर्शन नहीं करती हैं, बल्कि दोनों का एक संयोजन प्रदर्शित करती हैं। निम्नलिखित चर्चा ज्यादातर धातुओं, विशेष रूप से स्टील्स पर लागू होती है, जिनका अच्छी तरह से अध्ययन किया जाता है। कार्य कठोरता विशेष रूप से धातुओं जैसे नमनीय पदार्थों के लिए होती है। डक्टिलिटी एक सामग्री की फ्रैक्चर से पहले प्लास्टिक विरूपण से गुजरने की क्षमता है (उदाहरण के लिए, एक स्टील की छड़ को तब तक झुकाना जब तक कि यह अंत में टूट न जाए)। विरूपण तंत्र का अध्ययन करने के लिए तन्यता परीक्षण का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि संपीड़न के तहत, प्लास्टिक विरूपण या फ्रैक्चर होने से पहले अधिकांश सामग्री तुच्छ (जाली बेमेल) और गैर-तुच्छ (बकलिंग) घटनाओं का अनुभव करेंगी। इसलिए प्लास्टिक विरूपण की घटना से पहले एक अक्षीय संपीड़न के तहत सामग्री के लिए होने वाली मध्यवर्ती प्रक्रियाएं संपीड़ित परीक्षण को कठिनाइयों से भरी बनाती हैं। एक सामग्री आम तौर पर छोटे बलों के प्रभाव में लोचदार रूप से विकृत हो जाती है; जब विकृत बल को हटा दिया जाता है तो सामग्री जल्दी से अपने मूल आकार में लौट आती है। इस घटना को लोचदार विरूपण कहा जाता है। सामग्री में इस व्यवहार का वर्णन हुक के नियम द्वारा किया गया है। पदार्थ तब तक लोचदार व्यवहार करते हैं जब तक कि विकृत बल लोचदार सीमा से अधिक नहीं हो जाता, जिसे उपज तनाव के रूप में भी जाना जाता है। उस समय, पदार्थ स्थायी रूप से विकृत हो जाता है और जब बल हटा दिया जाता है तो वह अपने मूल आकार में लौटने में विफल रहता है। इस घटना को प्लास्टिक विरूपण कहा जाता है। उदाहरण के लिए, यदि कोई एक कुंडल को एक निश्चित बिंदु तक फैलाता है, तो यह अपने मूल आकार में वापस आ जाएगा, लेकिन एक बार जब यह लोचदार सीमा से परे फैल जाता है, तो यह विकृत रहेगा और अपनी मूल स्थिति में वापस नहीं आएगा। लोचदार विरूपण परमाणुओं के बीच के बंधनों को उनके संतुलन त्रिज्या से दूर फैलाता है, अंतर-परमाणु बंधनों को तोड़ने के लिए पर्याप्त ऊर्जा लागू किए बिना। दूसरी ओर, प्लास्टिक विरूपण अंतर-परमाणु बंधनों को तोड़ता है, और इसलिए एक ठोस पदार्थ में परमाणुओं की पुनर्व्यवस्था शामिल है। विस्थापन और जाली तनाव क्षेत्र सामग्री विज्ञान की भाषा में, विस्थापन को सामग्री की क्रिस्टल संरचना में रेखा दोष के रूप में परिभाषित किया जाता है। विस्थापन के आसपास के बंधन पहले से ही नियमित क्रिस्टल जाली के घटकों के बीच के बंधनों की तुलना में दोष से लोचदार रूप से तनावग्रस्त हैं। इसलिए, ये बंधन अपेक्षाकृत कम दबाव पर टूट जाते हैं, जिससे प्लास्टिक विरूपण होता है। एक विस्थापन के आसपास तनावग्रस्त बंधनों को जाली तनाव क्षेत्रों द्वारा चिह्नित किया जाता है। उदाहरण के लिए, एक किनारे के विस्थापन के ठीक बगल में संपीड़ित रूप से तनावग्रस्त बंधन होते हैं और एक किनारे के विस्थापन के अंत से परे तनावपूर्ण रूप से तनावग्रस्त बंधन होते हैं। ये क्रमशः संपीड़ित तनाव क्षेत्र और तन्य तनाव क्षेत्र बनाते हैं। तनाव क्षेत्र कुछ मायनों में विद्युत क्षेत्रों के समान होते हैं। विशेष रूप से, विस्थापन के तनाव क्षेत्र आकर्षण और प्रतिकर्षण के समान नियमों का पालन करते हैं; समग्र तनाव को कम करने के लिए, संपीड़ित तनाव तन्यता उपभेदों की ओर आकर्षित होते हैं, और इसके विपरीत। प्लास्टिक विरूपण के दृश्यमान (मैक्रोस्कोपिक) परिणाम माइक्रोस्कोपिक विस्थापन गति का परिणाम हैं। उदाहरण के लिए, एक तन्य परीक्षक में एक स्टील की छड़ के खिंचाव को परमाणु पैमाने पर विस्थापन गति के माध्यम से समायोजित किया जाता है। विस्थापन में वृद्धि और कार्य कठोरता विस्थापन की संख्या में वृद्धि कार्य कठोरता की एक मात्रा है। प्लास्टिक विरूपण एक सामग्री पर किए जा रहे काम के परिणामस्वरूप होता है; सामग्री में ऊर्जा जोड़ी जाती है। इसके अलावा, ऊर्जा को लगभग हमेशा पर्याप्त तेजी से और बड़े पैमाने पर लागू किया जाता है ताकि न केवल मौजूदा अव्यवस्थाओं को स्थानांतरित किया जा सके, बल्कि सामग्री को पर्याप्त रूप से झुनझुना या काम करके बड़ी संख्या में नए अव्यवस्थाओं का उत्पादन भी किया जा सके। फ्रैंक-रीड स्रोत के निकटता में नए विस्थापन उत्पन्न होते हैं। ठंडे काम वाली सामग्री में उपज की ताकत बढ़ जाती है। जाली तनाव क्षेत्रों का उपयोग करके, यह दिखाया जा सकता है कि विस्थापन से भरा वातावरण किसी भी विस्थापन की गति में बाधा डालेगा। क्योंकि विस्थापन गति बाधित होती है, सामान्य तनावों पर प्लास्टिक विरूपण नहीं हो सकता है। गैर-ठंडे काम वाली सामग्री की उपज शक्ति से परे तनाव के अनुप्रयोग पर, एक ठंडे काम वाली सामग्री एकमात्र उपलब्ध तंत्र का उपयोग करके विकृत होती रहेगीः लोचदार विरूपण, विद्युत बंधनों को खींचने या संपीड़ित करने की नियमित योजना (विस्थापन गति के बिना) होती रहती है, और लोच का मापांक अपरिवर्तित रहता है। अंततः तनाव तनाव-क्षेत्र अंतःक्रियाओं को दूर करने के लिए पर्याप्त है और प्लास्टिक विरूपण फिर से शुरू होता है। हालांकि, काम-कठोर सामग्री की लचीलापन कम हो जाती है। डक्टिलिटी वह सीमा है जिस तक एक सामग्री प्लास्टिक विरूपण से गुजर सकती है, यानी यह है कि फ्रैक्चर से पहले एक सामग्री को कितनी दूर तक प्लास्टिक रूप से विकृत किया जा सकता है। एक ठंडे काम वाली सामग्री, वास्तव में, एक सामान्य (भंगुर) सामग्री है जिसे पहले से ही इसके अनुमत प्लास्टिक विरूपण के हिस्से के माध्यम से बढ़ाया जा चुका है। यदि विस्थापन गति और प्लास्टिक विरूपण विस्थापन संचय से पर्याप्त रूप से बाधित हुए हैं, और इलेक्ट्रॉनिक बंधनों का खिंचाव और लोचदार विरूपण अपनी सीमा तक पहुंच गए हैं, तो विरूपण का एक तीसरा तरीका होता हैः फ्रैक्चर। कार्य कठोरता की मात्रा विस्थापन की शक्ति, कतरनी मापांक, जी, बर्गर वेक्टर के परिमाण, बी, और विस्थापन घनत्व पर निर्भर करती हैः जहां कम विस्थापन घनत्व के साथ सामग्री की आंतरिक शक्ति है और सामग्री के लिए विशिष्ट एक सुधार कारक है। जैसा कि चित्र 1 और उपरोक्त समीकरण में दिखाया गया है, कार्य कठोरता की विस्थापन की संख्या पर आधा मूल निर्भरता है। सामग्री उच्च शक्ति प्रदर्शित करती है यदि या तो विस्थापन के उच्च स्तर (प्रति वर्ग मीटर में 1014 से अधिक विस्थापन) हैं या कोई विस्थापन नहीं है। विस्थापन की एक मध्यम संख्या (प्रति वर्ग मीटर 107 और 109 विस्थापन के बीच) आमतौर पर कम शक्ति का कारण बनती है। उदाहरण के लिए एक चरम उदाहरण के लिए, एक तन्यता परीक्षण में स्टील की एक पट्टी को उस लंबाई से ठीक पहले दबा दिया जाता है जिस पर यह आमतौर पर टूट जाता है। भार को सुचारू रूप से छोड़ा जाता है और सामग्री लंबाई में कमी करके अपने कुछ तनाव को दूर करती है। लंबाई में कमी को लोचदार पुनर्प्राप्ति कहा जाता है, और परिणाम एक काम-कठोर स्टील बार है। पुनर्प्राप्त लंबाई का अंश (पुनर्प्राप्त लंबाई/मूल लंबाई) उपज-तनाव को लोच के मापांक से विभाजित करने के बराबर होता है। (यहाँ हम इस तन्यता परीक्षण में व्यास में भारी कमी के लिए वास्तविक तनाव पर चर्चा करते हैं।) किसी सामग्री के टूटने से ठीक पहले उसे हटाने के बाद बरामद की गई लंबाई प्लास्टिक विरूपण में प्रवेश करने से ठीक पहले उसे हटाने के बाद बरामद की गई लंबाई के बराबर होती है। कार्य-कठोर स्टील बार में बड़ी संख्या में विस्थापन होते हैं जो तनाव क्षेत्र की अंतःक्रिया सभी प्लास्टिक विरूपण को रोकती है। बाद के विरूपण के लिए एक तनाव की आवश्यकता होती है जो देखे गए तनाव के साथ रैखिक रूप से भिन्न होता है, तनाव बनाम तनाव के ग्राफ की ढलान हमेशा की तरह लोच का मापांक है। कार्य-कठोर स्टील बार फ्रैक्चर तब होता है जब लागू तनाव सामान्य फ्रैक्चर तनाव से अधिक हो जाता है और तनाव सामान्य फ्रैक्चर तनाव से अधिक हो जाता है। इसे लोचदार सीमा माना जा सकता है और उपज तनाव अब फ्रैक्चर कठोरता के बराबर है, जो एक गैर-कार्य-कठोर इस्पात उपज तनाव की तुलना में बहुत अधिक है। प्लास्टिक विरूपण की मात्रा संभव शून्य है, जो एक गैर-कार्य-कठोर सामग्री के लिए संभव प्लास्टिक विरूपण की मात्रा से कम है। इस प्रकार, ठंडे काम वाले बार की लचीलापन कम हो जाती है। पर्याप्त और लंबे समय तक कैविटेशन भी तनाव कठोरता पैदा कर सकता है। अनुभवजन्य संबंध कार्य कठोरता घटना के दो सामान्य गणितीय विवरण हैं। होलोमन का समीकरण तनाव और प्लास्टिक तनाव की मात्रा के बीच एक शक्ति नियम संबंध हैः जहाँ σ तनाव है, K शक्ति सूचकांक या शक्ति गुणांक है, εp प्लास्टिक तनाव है और n तनाव सख्त करने वाला प्रतिपादक है। लुडविक का समीकरण समान है लेकिन उपज तनाव शामिल हैः यदि किसी सामग्री को पूर्व विरूपण (कम तापमान पर) के अधीन किया गया है तो पूर्व प्लास्टिक तनाव ε0 की मात्रा के आधार पर उपज तनाव एक कारक द्वारा बढ़ाया जाएगाः स्थिरांक K संरचना पर निर्भर है और प्रसंस्करण से प्रभावित होता है जबकि n एक भौतिक गुण है जो सामान्य रूप से 0.2-0.5 सीमा में पड़ता है। तनाव कठोरता सूचकांक का वर्णन इस प्रकार किया जा सकता हैः इस समीकरण का मूल्यांकन लॉग (σ)-लॉग (ε) प्लॉट के ढलान से किया जा सकता है। पुनर्व्यवस्था किसी दिए गए तनाव और तनाव पर तनाव कठोरता की दर को निर्धारित करने की अनुमति देती हैः विशिष्ट सामग्रियों में कठोरता का काम करना तांबा औजारों और पात्रों के लिए आम उपयोग में आने वाली पहली धातु थी क्योंकि यह गैर-ऑक्सीकृत रूप में उपलब्ध कुछ धातुओं में से एक है, जिसमें अयस्क को पिघलाने की आवश्यकता नहीं होती है। तांबे को गर्म करके और फिर ठंडा करके आसानी से नरम किया जाता है (यह शांत करके कठोर नहीं होता है, उदाहरण के लिए, ठंडे पानी में शांत करना)। इस एनीलेड अवस्था में इसे फिर हथौड़ा मारा जा सकता है, खींचा जा सकता है और अन्यथा बनाया जा सकता है, वांछित अंतिम आकार की ओर बढ़ रहा है लेकिन जैसे-जैसे काम आगे बढ़ता है यह कठिन और कम नमनीय होता जा रहा है। यदि काम एक निश्चित कठोरता से परे जारी रहता है तो काम करने पर धातु टूट जाती है और इसलिए इसे समय-समय पर फिर से बनाया जा सकता है क्योंकि आकार जारी रहता है। जब वर्कपीस अपने अंतिम वांछित आकार के करीब होता है तो एनीलिंग को रोक दिया जाता है, और इसलिए अंतिम उत्पाद में वांछित कठोरता और कठोरता होगी। रिपौस की तकनीक तांबे के इन गुणों का दोहन करती है, जिससे टिकाऊ गहने की वस्तुओं और मूर्तियों (जैसे स्टैच्यू ऑफ लिबर्टी) का निर्माण किया जा सकता है। सोना और अन्य कीमती धातुएँ बहुत से सोने के गहने ढालने से बनाए जाते हैं, जिसमें बहुत कम या कोई ठंडा काम नहीं होता है; जो मिश्र धातु श्रेणी के आधार पर धातु को अपेक्षाकृत नरम और झुकने योग्य बना सकता है। हालांकि, एक जौहरी जानबूझकर पहनने योग्य वस्तुओं को मजबूत करने के लिए वर्क हार्डनिंग का उपयोग कर सकता है जो तनाव के संपर्क में आती हैं, जैसे कि अंगूठियां। एल्यूमीनियम और उसके मिश्र धातुओं से बने एल्यूमीनियम उपकरण, जैसे कि विमान, को सावधानीपूर्वक लचीलापन को कम करने या समान रूप से वितरित करने के लिए डिज़ाइन किया जाना चाहिए, जिससे काम कठोर हो सकता है और बदले में, तनाव दरार हो सकती है, जो संभवतः विनाशकारी विफलता का कारण बन सकती है। इस कारण से आधुनिक एल्यूमीनियम विमानों का एक लागू कार्य जीवनकाल होगा (सामना किए गए भार के प्रकार पर निर्भर करता है), जिसके बाद विमान को सेवानिवृत्त किया जाना चाहिए। संदर्भ ग्रंथ सूची। औद्योगिक प्रक्रियाएँ धातुकर्म प्रक्रियाएँ धातुकर्म सामग्री के तंत्र को मजबूत करना