Faktori koji utiču na tvrdoću čistog bakra

Veličina zrna je jedan od najosnovnijih faktora koji utiču na tvrdoću čistog bakra. Prema Hall-Petch odnosu, kako se veličina zrna smanjuje, tvrdoća i čvrstoća metalnih materijala se shodno tome povećavaju. U čistom bakru, fina zrna znače više granica zrna. Granice zrna mogu ometati kretanje dislokacija tokom deformacije; što je veći otpor, to je veća tvrdoća.

Kada je čisti bakar u livenom stanju, njegova zrna su obično gruba, što rezultira niskom tvrdoćom. Kroz procese kao što su kovanje, ekstruzija ili odgovarajuća termička obrada, zrna se mogu rafinirati. Rafinirana struktura zrna ne samo da poboljšava tvrdoću, već i pomaže u održavanju dobre žilavosti. Nasuprot tome, ako se čisti bakar drži na visokoj temperaturi duže vrijeme, doći će do rasta zrna, smanjit će se broj granica zrna, oslabiti će opstrukcija dislokacijama, a tvrdoća će se značajno smanjiti. Stoga je kontrola veličine zrna važno sredstvo za podešavanje tvrdoće čistog bakra u industrijskoj proizvodnji.

Plastična deformacija je najdirektnija i najčešće korištena metoda za poboljšanje tvrdoće čistog bakra. Čisti bakar ima izuzetno visoku plastičnost, a značajno radno očvršćavanje će se pojaviti nakon hladnog rada kao što je hladno valjanje, hladno izvlačenje, štancanje i savijanje.

Tokom procesa plastične deformacije, unutar bakrene matrice nastaje veliki broj dislokacija. Ove dislokacije se zapliću, ukrštaju i pričvršćuju jedna za drugu, što otežava kretanje dislokacija, čime se značajno poboljšava tvrdoća i čvrstoća. Što je veća količina deformacije, to je očigledniji efekat očvršćavanja i veća je tvrdoća. Na primjer, potpuno mekani čisti bakar ima vrlo nisku tvrdoću i lako se savija, dok se nakon velikih deformacija hladnog izvlačenja njegova tvrdoća može udvostručiti ili više. Međutim, prekomjerna hladna deformacija će dovesti do oštrog pada plastičnosti i žilavosti, čineći materijal sklonim pucanju. Stoga se u stvarnoj proizvodnji stepen hladne obrade strogo kontroliše u skladu sa zahtjevima za tvrdoću i formabilnost.

Temperatura ima važan uticaj na tvrdoću čistog bakra, što se odražava i na visoko{0}}uslužne procese i procese termičke obrade. Pri visokim temperaturama se pojačava toplinsko kretanje atoma, povećava se sposobnost dislokacija da savladaju prepreke, a tvrdoća se shodno tome smanjuje. Zbog toga se čisti bakar lakše deformiše na visokim temperaturama.

Što se tiče termičke obrade, obrada žarenjem može eliminirati radno očvršćavanje i smanjiti tvrdoću. Nakon hladnog rada, čisti bakar se zagrijava do temperature rekristalizacije i drži određeno vrijeme, a zatim se hladi. Unutar materijala dolazi do rekristalizacije, izobličena zrna se zamjenjuju novim uniformnim i finim zrnima, dislokacije se uvelike smanjuju, eliminiše se efekat očvršćavanja, a tvrdoća se vraća na nizak nivo. Temperatura žarenja i vrijeme držanja direktno utiču na stepen rekristalizacije i veličinu zrna, čime se kontroliše konačna tvrdoća. Ako je temperatura preniska ili je vrijeme prekratko, stvrdnjavanje se ne može potpuno eliminirati; ako je temperatura previsoka ili je vrijeme predugo, doći će do grubosti zrna, a tvrdoća će se dodatno smanjiti, ali će performanse postati nestabilne.

Strogo govoreći, industrijski čisti bakar sadrži malu količinu neizbežnih nečistoća, kao što su gvožđe, olovo, cink, fosfor, kiseonik, itd. Ove nečistoće u tragovima će takođe uticati na tvrdoću čistog bakra.

Većina nečistoća čvrstih otopina će uzrokovati izobličenje rešetke, ometati kretanje dislokacija i malo povećati tvrdoću čistog bakra. Međutim, preveliki sadržaj nečistoća će formirati lomljive druge faze ili inkluzije, koje ne samo da utiču na provodljivost, već i dovode do neujednačene tvrdoće i smanjene plastičnosti. Posebno za bakar visoke{2}}čistoće koji se koristi u električnom polju, sadržaj nečistoća je strogo ograničen. U poređenju sa drugim faktorima, uticaj općih nečistoća u tragovima na tvrdoću je relativno slab, ali u pripremi visoko{4}}preciznih i-proizvoda od čistog bakra visokih performansi, kontrola vrsta i sadržaja nečistoća je još uvijek nezamjenjiva karika.

Ukratko, tvrdoća čistog bakra je sveobuhvatan rezultat unutrašnje mikrostrukture i spoljašnjih uslova obrade. Rafiniranje veličine zrna i hladna plastična deformacija mogu efikasno poboljšati tvrdoću; porast temperature i tretman žarenjem će smanjiti tvrdoću; a nečistoće u tragovima imaju blagi efekat prilagođavanja. U industrijskim aplikacijama, razumnom kontrolom procesa livenja, hladne obrade, termičke obrade i čistoće sirovog materijala, tvrdoća čistog bakra može se precizno podesiti kako bi zadovoljila zahtjeve performansi različitih radnih uvjeta. Ova mogućnost kontrole čini čisti bakar nezamjenjivim osnovnim materijalom u mnogim industrijskim poljima.