Kaltverfestigung
Englisch: work hardening
Wiederholte plastische Verformung eines Werkstoffs, die zu einer bleibenden Verzerrung seiner Kristallstruktur und einer Steigerung seiner Festigkeit und Härte führt; die daraus resultierende Härtesteigerung selbst. Je nach Zielsetzung und Umständen einer Metallbearbeitungsaufgabe kann sie erwünscht oder unerwünscht sein.
Kaltverfestigung: Metall wird härter, wenn man es verbiegt
Wenn du ein Metall durch Walzen, Ziehen, Biegen oder Hämmern wiederholt verformst, ordnet sich seine Kristallstruktur dauerhaft um. Versetzungen vermehren sich und verhaken sich im Gitter, wodurch die Bewegung von Atomen erschwert wird. Das Ergebnis ist eine messbare Steigerung der Zugfestigkeit und Härte, begleitet von einer Abnahme der Duktilität. Dieses Phänomen, auch Verfestigung durch Verformung oder Kaltumformung genannt, tritt unvermeidlich auf, wenn Metall unterhalb seiner Rekristallisationstemperatur plastisch verformt wird.
Die praktischen Auswirkungen hängen ganz von deinem Ziel ab. Ein Drahtzieherei nutzt die Kaltverfestigung gezielt: aufeinanderfolgende Züge durch progressiv kleinere Zieheisen verfestigen den Draht und bauen Festigkeit auf, ohne Material hinzuzufügen. Ein Federhersteller verlässt sich darauf, um die erforderlichen elastischen Eigenschaften zu erreichen. Umgekehrt kann ein Metallarbeiter feststellen, dass das Material beim Formen einer komplexen Form zu spröde wird, um weiter bearbeitet zu werden; dann ist ein Glühprozess erforderlich, um die Duktilität durch Rekristallisation der Struktur wiederherzustellen.
Die Mechanik und Messung
Der Grad der Verfestigung hängt von der Menge der plastischen Verformung ab. Eine kleine Biegung erzeugt bescheidene Verfestigung; mehrere Züge durch Zieheisen oder wiederholte Schläge erzeugen starke Verfestigung. Quantitativ kann die Zugfestigkeit in stark verfestigtem Material um 50 Prozent oder mehr gegenüber dem geglühten Zustand ansteigen. Die Bruchdehnung sinkt jedoch entsprechend, manchmal auf nur 2 oder 3 Prozent. Die Härte nimmt typischerweise um 20 bis 30 Brinell-Punkte zu, abhängig vom Metall und der Verformungsgeschwindigkeit.
Verschiedene Metalle reagieren unterschiedlich. Kupfer und Aluminium verfestigen sich schnell und deutlich; Eisen und Stahl zeigen weniger dramatische Anstiege. Die Verformungsgeschwindigkeit spielt eine Rolle: langsame, gleichmäßige Kaltumformung erzeugt gleichmäßigere Verfestigung als schnelle Schläge. Temperatur ist auch wichtig: jede Wärmezufuhr während der Umformung, sei es durch Reibung oder Umgebungsbedingungen, beschleunigt die Erholung und verringert die Nettoverfestigung.
Der Name spiegelt den Mechanismus wider: Arbeit im physikalischen Sinne ist die auf das Material übertragene Energie; diese Energie wird in der verformten Kristallstruktur als erhöhte Härte gespeichert. Die Wirkung ist dauerhaft, es sei denn, das Material wird über seine Rekristallisationstemperatur erhitzt, die typischerweise zwischen 40 und 60 Prozent der absoluten Schmelztemperatur liegt. Bei Kupfer liegt dieser Schwellenwert um 200°C; bei Stahl deutlich höher. Zu verstehen, wann Verfestigung eher ein Problem als ein Vorteil wird, ist entscheidend für die Planung jeder Metallbearbeitungssequenz.