cold work assignment

15
A report on the Effects of Cold Working on Annealed Brass piece. Executive Summary. Abstract: Deformation of metals occurs as dislocation; movement within their atomic lattice of defects takes place. Cold working is an ideal procedure for observing deformation in metals and it is harder and has more strength than materials deformed at other temperatures. Introduction: Cold working of metals also referred to as 'Work Hardening' is the strengthening of a metal by plastic deformation. The mechanical properties of the metal such as yield's strength (stress), harness, ductility, tensile strength and percentage elongation are affected. There are different effects of this process on different alloys and metals. This experiment examines the effects of cold working on annealed nonferrous alloy of copper and zinc (brass) sample and computes the details of the changes in its mechanical properties. The rolling press exerts compressive force on the material thereby increasing the tensile strength and yield stress but deformation of the material occurs at a temperature below its recrystallization temperature. On the other hand, when deformation takes place at a temperature higher that the recrystallization temperature it is called 'Hot Work'. The other part of the experiment looks into the reversal of the cold work process with respect to the mechanical properties of the piece. The reversal process used here is referred to as ‘Annealing.’ Objectives: To verify the effects of dislocations of the mechanical properties of the metal as it is passed through the rolling mill in several turns. Conduct tensile test after cold rolling and assess the annealed sample to determine its capacity to undergo deformation at room temperature by cold rolling process. To provide an opportunity for the student to know about material processing and expedite a detailed approach in making choices related to the subject matter. To understand the operation of a rolling mill and the Rockwell (B scale with 1/16" ball penetrator) hardness tester.

Upload: ljmu

Post on 15-Jan-2023

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

A report on the Effects of Cold Working on Annealed Brass piece. 

 

 

Executive Summary. 

Abstract: Deformation of metals occurs as dislocation; movement within their atomic lattice of 

defects takes place. Cold working is an ideal procedure for observing deformation in metals and 

it is harder and has more strength than materials deformed at other temperatures. 

Introduction: Cold working of metals also referred to as 'Work Hardening' is the strengthening 

of a metal by plastic deformation. The mechanical properties of the metal such as yield's 

strength (stress), harness, ductility, tensile strength and percentage elongation are affected. 

There are different effects of this process on different alloys and metals. 

This experiment examines the effects of cold working on annealed non‐ferrous alloy of copper 

and zinc (brass) sample and computes the details of the changes in its mechanical properties. 

The rolling press exerts compressive force on the material thereby increasing the tensile 

strength and yield stress but deformation of the material occurs at a temperature below its 

recrystallization temperature. On the other hand, when deformation takes place at a 

temperature higher that the recrystallization temperature it is called 'Hot Work'. The other part 

of the experiment looks into the reversal of the cold work process with respect to the 

mechanical properties of the piece. The reversal process used here is referred to as ‘Annealing.’ 

 

 

Objectives: 

To verify the effects of dislocations of the mechanical properties of the metal as it is 

passed through the rolling mill in several turns. 

Conduct tensile test after cold rolling and assess the annealed sample to determine its 

capacity to undergo deformation at room temperature by cold rolling process. 

To provide an opportunity for the student to know about material processing and 

expedite a detailed approach in making choices related to the subject matter. 

To understand the operation of a rolling mill and the Rockwell (B scale with 1/16" ball 

penetrator) hardness tester. 

 

Nomenclature. 

The equations to be familiar with as used in this experiment: 

Differential Temperature Equation: 

  ΔT = T2 ‐ T1 

    Where: T2 is the final temperature of the bar. 

    T1 is the initial temperature of the bar 

 

 

%Deformation (% Cold work) Equation:   

    % Deformation = [(t1 ‐ tr)/t1] × 100 

  Where: t1 = initial thickness of the bar (prior to any rolling). 

    tr = thickness after each pass through the rolling mill (Lab notes) 

 

Hardness testing (Rockwell hardness Test Formulae): 

    HR = E ‐ e 

  The 'HR' is determined by the following:   F0 = Preliminary minor load in Kgf   F1 = Additional major load in Kgf   F = Total load in Kgf   e = permanent increase in depth if penetration due to major load F1 measured in units of 0.002mm   E = a constant depending on form of indenter 100 units of diamond indenter; 130 units for steel ball indenter.   D = diameter of steel ball (www.gordonengland.co.uk) It should be noted that for this experiment, the average figures of the hardness  A test figure is used.          

Introduction 

Background. 

When a metal or alloy piece is cold rolled, changes occur to its physical and mechanical 

properties. Primarily, there is a significant increase in the hardness and electrical resistivity with 

the amount of cold working. The material structure and behavior can be described Micro‐

structurally and Macro‐structurally (Ashby, MF; Jones DHR, 2005). 

The effects of rolling micro‐structurally includes the increase in the internal energy expended as small percentage of the energy expended in causing plastic deformation of the metal is stored in it (Approx. 5%) with the remainder dissipated as heat. This energy increases internally as the dislocation density and point defects density increases (www.csun.edu). 

During plastic deformation, the number of dislocations increases dramatically the grain exhibits signs of elongation in the direction of working and heavy distortion macro‐structurally. Electrical conductivity and corrosion resistance may be modified as a result of plastic deformation. (William D. Callister, Jr. 2007). 

The properties and structures may be restored to the pre‐cold work condition by heat treatment which involves two main processes: Recovery and Recrystallization; grain growth may follow these processes. 

Recovery: involves re‐heating the work piece which bring about increased diffusion 

and enhanced dislocated motion. (William D. Callister, Jr 2007). The dislocation 

density is decreased by annihilation and low energy dislocation configurations are 

formed. During this phase, some of the internal strain energy is relieved. 

(web.pdx.edu). 

Recrystallization: this is the formation of a new set of strain‐free and grains of 

approximate equal dimensions in all directions. The grains have low dislocation 

densities and are characteristic of the pre‐cold work condition. (William D. Callister, 

Jr. 2007). The driving force of this process is the difference in internal energy 

between strained and unstrained material (web.pdx.edu). Recrystallization involves 

short range diffusion and the depth of the process is dependent on time and 

temperature. Furthermore, as part of the phase the mechanical properties that 

were changed as a result of cold working are restored to their initial values; metals 

become softer, weaker yet more ductile (Askeland, DR; Fulay, PP. 2009). It is 

therefore important to note that the recrystallization temperature as this is the 

temperature at which recrystallization is completed in 1hour. This process occurs 

faster in pure metals than in alloys. 

Grain Growth: this occurs as a recrystallized material is further annealed at a 

constant or a higher temperature. Grain growth is affected by the condition of the 

boundary energy of the material because the grain boundary area reduces for a 

particular material volume. 

Exp

App

Fig.1

 

Fig.2

of m

 

periment 

paratus: 

A. 0

B. C

C. H

D. I

E. 6

1 Microme

2  Cold Roll

metals experim

0 ‐ 25mm Mi

Cold rolling m

Hardness tes

Infra‐red tem

6.27mm thic

 

etre Screw ga

ling Machine

ment. 

crometer scr

machine. 

sting machine

mperature sca

k rectangula

auge: this is u

e: This is the 

rew gauge.

e in Rockwel

anner. 

r brass meta

  used for mea

  main equipm

l B scale with

al piece  

asuring the t

ment used in 

h 1/16" ball p

hickness of t

carrying out

penetrator. 

he bar. 

t the cold woorking 

Fig.3

bras

  Fig.4

hard

        

 

3  Panel on

s work piece

4  Rockwel

dness of the b

                    

n the Cold rol

e is passed in

l B scale with

bar. 

lling machine

 between the

h 1/16" ball p

e showing th

e rollers.

penetrator: in

e power (KW

nstrument is

W) and the lo

s used for me

ad (KN) as th

easuring the 

he 

Fig.5

bras

Proc

 

5  Infrared 

s work piece

cedures: 

Part A: 

a. A

p

b. T

c. T

b

d. R

r

temperature

e after being 

At commenc

piece were m

The room tem

The work pie

between eac

Roll for 13(th

rolling mill, t

The P

from

mon

The t

using

The m

Rock

e reading equ

cold rolled.

ing the expe

measured and

mperature o

ece is passed 

ch roller is re

hirteen) pass

he following

Power (kW) a

m the panel o

itor this part

temperature

g the infra‐re

micrometer 

kwell hardnes

uipment: use

riment, the i

d taken dow

f the working

through the

duced by 0.3

es and after 

 parameters 

and compres

n the rolling 

t of this part 

e of the bar ju

ed temperatu

is used to me

ss test mach

  ed for measu

initial thickne

n. 

g laboratory 

e rolling mill. 

3mm. 

each pass of

are noted:

ssion load (K

machine. A s

of the exper

ust after bein

ure reading e

easure the th

ine was used

uring the tem

ess and hard

was also not

Prior to each

f the metal b

N) of the rol

student was 

riment proce

ng rolled out

equipment.

hickness of th

d to test for h

mperature of 

ness of the m

ted. 

h pass the ga

bar through t

ling mill was 

designated t

dure. 

 of the rollin

he bar and th

hardness. 

the 

metal 

ap 

he 

seen 

to 

g mill 

he 

Part B: 

a. The brass work piece is been annealed for 30minutes through an heating 

process and at a temperature (Trec + 100ᵒ)C 

b. The hardness was also measured using the Rockwell B scale. 

 

 

Precaution: 

‐ The piece is to go through the rollers in one direction. 

‐ Feed area should be clean before brass piece is feed through. 

‐ The Rockwell hardness machine should not be used except after proper set 

of instructions. 

‐ Brass work piece should be properly placed under the indenter before 

applying the major load. 

‐ Take the details of the hardness when the brass specimen concave up. 

‐ The rolling mill is to be turned off every time the hardness and thickness 

values are to be taken. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Results: 

   The result of the experiment is shown in detail in the data table below:  

Data table for cold rolling of 70%/30%brass 

Temp (° C) 

      Thickness (mm) 

Deformation (%) 

Hardness (HRB)  Power (KW) 

Load (KN) 

T1  T  2    ΔT      1  2  Av     

21    ‐  6.25  ‐  68  68  68  0.00   

21.2  21.1  ‐  6.27  ‐0.32  67.5  68  67.75  0.00  5.00 

21.2  21.4  0.2  6.10  2.40  72.5  72.5  72.5  0.00  30.00 

21.1  21.8  0.7  6.03  3.52  77.5  77  77.75  0.50  45.00 

21.3  21.7  0.4  5.60  10.40 81 80.5 80.75  0.50  55.00

21.7  22.4  0.7  5.50  12.00 86 88 87 0.50  70.00

22.8  22.8  ‐  5.06  19.04 90.5 90.5 90.5 0.50  75.00

22.3  22.4  0.1  4.85  22.40 92 94 93 0.50  85.00

21.9  24.7  2.8  4.58  26.72  93  94  93.5  0.60  95.00 

22.0  24.2  2.2  4.20  32.80  97  96  96.5  0.50  105.00 

22.6  23.9  1.3  4.04  35.36  96  94  95  0.50  105.00 

22.4  23.3  0.9  3.65  41.60  97  102  99.5  0.50  106.00 

23.3  23.3  ‐  3.50  44.00  99.5  96  97.5  0.70  106.00 

22.4  24.0  1.6  3.00  52.00  100  100.5  100.3  0.80  120.00 

 

 

The plotted graphs are shown below: 

 

 

0

20

40

60

80

100

120

‐10 0 10 20 30 40 50 60

Graph 1 hardness vs deformation

It is evident from the ‘Hardeness vs Deformation’ graph on the previous page that hardness 

increases as deformation and as it is; yield stress which increases with the degree of cold work is 

proportional to the hardness. Hardness is improved on as the mechanical properties of the 

material is deformed. 

 

 

 

 

As the temperature varies so does deformation. The mechanical properties of the work piece 

reacts differently because there is some level of reduction in the yield stress of the material. At 

some certain points, there are limitations to the material’s ductility. 

 

‐0.5

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

‐10 0 10 20 30 40 50 60

Graph 2 temperature vs deformation

 

There is a steady use of power over few pass of the work piece but the rapid increase of power 

causes a steady increase in deformation of the work piece till it reaches the yield point and 

power reaches its peak at 08KW. 

 

 

There is a gradual increase in the compressive force exerted by the rollers on the work 

piece as it is been passed through the rolling mill. This is due to the reduction 0.3mm 

between the two rollers. At just about the 14th (Fourteenth) pass, the material fractures. 

For some other examples of metals or alloys can have deformation even after the 

maximum force is reached. 

‐0.1

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

‐10 0 10 20 30 40 50 60

Graph 3: power vs deformation

0

20

40

60

80

100

120

140

‐10 0 10 20 30 40 50 60

Graph 4 load vs deformation

Discussion: 

A material that undergoes plastic deformation at a temperature below its 

melting point, the process is simply referred to as cold working or strengthening by 

strain hardening. The resultant effect of this process is to increase the dislocation 

density and therefore block the motion of other dislocations. 

The brass sample shows an increasing hardness under cold work and the 

thickness varies inversely with the amount of cold work while hardness relates directly 

to the amount of cold work. During cold work process, the dislocations created can 

move through the metal structure thereby causing change in shape of the metal. At 

later stages of the process, the movements become restricted and the material 

becomes stiffer. After a deformation of about 80% has occurred to the material, 

fracture or metal cracks takes place and any other pass of the material through the 

rolling mill will cause the material to fail as seen in the diagram overleaf. 

 Fig.6   Showing the ‘failed’ brass workpiece after its 14th pass through the rolling 

machine. 

In the ‘Part B’ of the experiment, the annealing procedure; there is need for 

recrystallization and grain growth to occur which requires energy for the process to take 

place. The energy is produced during the cold working process and also at the time of 

applying thermal energy to the work piece. At the recrystallization temperature, the 

surface energy for new grain boundaries is created and the mechanical property of the 

cold worked material is rearranged. It should be noted that mechanical property of the 

material can only be restored when plastic failure has not occurred. 

 

 

 

Advantages of Cold Working Processes of Metals: 

1) This process involves working at room temperature but deformation can cause 

the temperature to rise to 100 – 200 degrees C. 

2) Cold Working requires no heating of the material piece so there is no cooling 

required. Therefore no oxidation, there is reduction of contamination, tolerances 

can be more precise, better surface finish and thin wall thicknesses are all 

achievable. 

3) Close control of the properties (retention of materials strength or restoration of 

ductility by annealing) of finished products. The cold working process also reduces 

waste as compared to machining. 

4) It is a cost effective process in comparison to hot working. 

 

Disadvantages of Cold Working Processes of Metals: 

1) Since the room temperature is 0.5Tm, there is an increased need for deformation 

forces, pressure of the tool and power requirements as a result of high flow of 

stresses. 

2) Production of complex shapes is limited and it might not be usable in some 

applications because of the limited ductility involved with the process.  

3) There might occurrences of strain hardening. 

 

Advantages of Hot Working of Metals: 

1) In contrast to the cold working process, the power and forces required to 

achieve hot work is much lesser and this results in reduction of stress flow. In so 

doing, reasonable sized equipment can be used when working on large work 

pieces. 

2) Large deformations and production of complex parts is achievable as a result of 

improved ductility of material. 

 

 

Disadvantages of Hot Working of Metals: 

1) Energy requirement is high and too much heat generated in the work space 

which can reduce the strength of the material produced. 

Lesser dimensional control. 

2) Issues with contamination and oxidation are hardly reduced which can lead to 

poor surface finish. 

 

Applications of Cold Working of Metals: 

There are various industry applications of cold rolling and usage of work hardened 

process of metals and alloys in the metal working and steel manufacturing industry. This 

includes but not limited to: 

Productions of flat plate, sheet, I‐beams etc. 

Used in production and rework applications with aluminum and mild 

steel, it is commonly specified for aircraft service bulletins. 

Some jewellery makers make use of cold working processes. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Conclusion 

From the laboratory process, the brass work piece exhibited signs of plastic deformation 

as it was elongated in the direction of rolling. Most metallic materials can be subjected to plastic 

deformation within their component manufacturing cycle. Cold working of a metal improves its 

strength in proportion to the input of cold work into it. (www.prezi.com). Plastic deformation is 

permanent, and strength and hardness are measures of a material’s resistance to this 

deformation. Strain hardening is often utilized commercially to ring about enhancing the 

mechanical properties of metals during fabrication procedures. (Callister and Rethwisch, 2011).  

With the increase in cold working, there is a decrease in grain size, corresponding to an increase in hardness with a subsequent decrease in ductility of the sample. Materials exhibiting unexpected early failure could have the advantages of cold working restored if the material were to be annealed, allowing grain structures to reform, restoring a degree of their ductility, before further cold working can occur. 

  

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

References: 

Ashby, M.F; Jones, DHR: Engineering Materials 1 – An introduction to properties, 

Application and Design (3rd Ed.), 2005, Elsevier Butterworth Heinemann. 

Callister, WD and Retchwisch, DG: Materials Science and Engineering (7th Ed.), 2007, 

Quebecor Versailles USA. 

Askeland, DR; Fulay, PP: Essential of Materials Science and Engineering (2nd Ed.), 

Cengage Learning, 978‐0‐495‐43850‐2.Gourd, L.M: An Introduction to Engineering 

materials. 1982, Edward Arnold, London. 

Rockwell Hardness Testing, Gordon England, Rockwell hardness. [Online] 24 Sept. 2010,  

http://www.gordonengland.co.uk/hardness/rockwell.htm 

[Accessed; 12th December, 2013.] 

Cold Working and Annealing Lab by Arielle Souza [Online] 19 November 2013. 

http://prezi.com/qett‐83na74q/cold‐working‐and‐annealing‐lab/ 

[Accessed; 15th December 2013] 

Tata; Steel for many purposes – Cold Working [Online] 

http://resources.schoolscience.co.uk/Corus/16plus/steelch2pg2.html 

[Accessed; 15th December 2013] 

Cold Roll Lab Report by Sean Bise [Online] 25th October 2010  

http://www.scribd.com/doc/43787890/cold‐roll‐lab‐report  

[Accessed; 20th December 2013] 

 Cold Working of 70‐30 Brass [Online]  

http://che.uri.edu/course/che333/Cold%20Working%20of%207030Brass.pdf  

[Accessed; 27th December 2013] 

Experiment 5 ‐ Cold Work, Recovery, Recrystallization and Grain Growth [Online] 

http://www.csun.edu/~bavarian/Courses/MSE%20227/Labs/5‐Cold_Working_Brass.pdf  

[Accessed; 27th December 2013] 

Experiment #6 ‐‐ Mechanical Working, Recrystallization and Grain Growth 

http://www.smccd.net/accounts/enriquez/Engr270Files/EXP6_Cold%20Work.pdf 

[Accessed; 29th December 2013]