8. ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE I REKRYSTALIZACJA.pdf

(705 KB) Pobierz
WYDZIAŁ IN YNIERII MATERIAŁOWEJ POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA
Materiały pomocnicze do wiczenia nr 3 pt.:
" ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE I REKRYSTALIZACJA”
Opracował dr in . Andrzej W. Kalinowski
Luty
1994
1. WIADOMOSCI WST PNE
Jedn z cech metalu jest podatno na odkształcenia trwałe pod wpływem działania sił zewn trznych. Cech t nazyw-a
si plastyczno ci a jej wska nikami mechanicznymi s : wydłu enie (A), przew enie (Z). Wykorzystywana jest ona od chwili
kiedy człowiek, w swoim rozwoju cywilizacyjnym nauczył si uzyskiwa i stosowa metale do wytwarzania przedmiotów
u ytkowych.. Jedn bowiem z najstarszych technik wytwarzania jest formowanie plastyczne współcze nie nazywane obróbka
plastyczn . Posiada ona szereg zalet do których przede wszystkim nale : du y stopie wykorzystania materiału,
nieskomplikowany proces technologiczny i mo liwo umacniania metali.
Dzi ki tym zaletom obróbka plastyczna w zakresie technicznym ma dwa aspekty. Pierwszy jako sposób uzyskiwania
wy szych wła ciwo ci wytrzymało ciowych i spr ystych, po odkształceniu. W okre lonych temperaturach, nazwany
umocnieniem odkształceniowym. Sposób ten ma zastosowanie do metali czystych (pierwiastków metalicznych) np. miedzi (rys.
1 a), z której wykonuje si niektóre elementy spr yste, druty itp; aluminium w celu uzyskania wi kszej twardo ci i
wytrzymało ci Rm (rys. 1 b) oraz stopów jednofazowych (rys. 2), w których nie mo na wykorzysta innych mechanizmów
umocnienia np. przez obróbk ciepln . Stan umocnienia odkształceniowego wywołuje si nie tylko w całej obj to ci metalu, ale
równie w jego cz ci np. przypowierzchniowych warstwach przedmiotu, stosuj c odpowiedni technik odkształcenia jak
uderzaj c w powierzchni z du energi kulkami wykonanymi z twardych materiałów.
Drugim aspektem obróbki plastycznej jest formowanie materiałów w u ytkowe kształty stanowi ce gotowe wyroby lub
półprodukty jak pr ty, blachy, odkuwki przeznaczone do dalszego przetwarzania.
Nie do pomini cia jest równie czynnik ekonomiczny z uwagi na wzrastaj ce ceny materiałów metalowych,
spowodowane wyczerpywaniem si ich łatwo dost pnych ródeł.
Rys. 2. Zmiana wła ciwo ci mechanicznych mosi dzu jednofazowego wywołana odkształceniem plastycznym. (3)
2. ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE
W metalach wyst puj dwa rodzaje odkształce : spr yste i plastyczne.Odkształcenie spr yste ma charakter nietrwały i
nast puje pod wpływem działania siły zewn trznej a po jej usuni ciu materiał powraca do stanu wyj ciowego. Istot
odkształcenia spr ystego jest to, e obci enie zewn trzne powoduje spr yste przesuni cia atomów z poło e równowagi
(obci enie jest niewystarczaj ce dla przeprowadzenia atomu w nowe poło enie równowagowe). Istnieje dla ka dego
metalu
najwi ksza warto siły po przekroczeniu której przedmiot nie powróci do pierwotnego kształtu. Graniczna warto
tej siły
odniesiona do pierwotnego pola przekroju, na którym działa jest napr eniem nazwanym granic spr ysto ci.
Odkształcenie trwałe-plastyczne nast puje wtedy gdy warto napr enia wywołanego sił przekroczy warto granicy
spr ysto ci. Wielko tego napr enia zale y od wielu czynników, z których najwa niejszymi s : siły oddziaływania mi dzy
atomami w sieci., typu sieci, szybko ci i temperatury w jakiej nast puje odkształcanie.
Techniczn miar odkształcenia jest stosunek zmniejszenia pola przekroju poprzecznego (prostopadłego do kierunku
odkształcenia), do pola tego przekroju przed odkształceniem, wyra ony w procentach.
Z
=
gdzie:
A
0
−
A
⋅
100%
A
0
Ao- pole przekroju przed odkształceniem,
A- pole przekroju po odkształceniu,
Mechanizmami odkształcenia plastycznego j es t po lizg i bli niakowanie.
Po lizg
Po lizg polega na przemieszczeniu si jednej cz ci kryształu wzgl dem drugiej po okre lonych płaszczyznach
krystalograficznych zwanych płaszczyznami po lizgu, dzi ki ruchowi dyslokacji poruszaj cych si w tych płaszczyznach
sieciowych wzdłu okre lonych kierunków. Po przemieszczeniu si tych cz ci kryształu wzgl dem siebie ich budow
krystaliczna nie ulega zmianie.
Płaszczyzny po lizgu s zwykle płaszczyznami najg ciej upakowanymi atomami. Kombinacja kierunku po lizgu i
płaszczyzny po lizgu zawieraj ca ten kierunek jest systemem po lizgu. W zale no ci od typu sieci krystalograficznej systemów
tych w jednym układzie mo e by wiele (rys. 3).
W przemieszczeniu si obu cz ci kryształu wzgl dem siebie nie bior jednocze nie udziału wszystkie atomy le ce w
płaszczy nie po lizgu, lecz tylko ich cz . Dlatego siły potrzebne do wywołania odkształcenia w metalach s wzgl dnie małe.
Zawdzi cza si to ruchowi dyslokacji, jak wy ej napisano, które istniej w rzeczywistych kryształach i generuj si pod
wpływem sił zewn trznych ( ródło Frank'a-Read'a). Mechanizm po lizgu w sposób uproszczony przedstawia rysunek 4.
W pierwszej fazie pod wpływem siły F nast puje odkształcenie spr yste sieci (rys. 4a). Przy dalszym wzro cie siły
przemieszczenie rz dów atomów (płaszczyzn krystalograficznych-pionowych) powy ej płaszczyzn po lizgu A-A jest tak du e
(zakładaj c ci liwo sieci), e naprzeciwko kilku rz dów atomów dolnej cz ci kryształu, znajdzie si o jeden rz d atomów
wi cej w górnej cz ci kryształu. Utworzy si w ten sposób dodatkowa półpłaszczyzna ( rys.4b ), powoduj ca liniowy defekt
struktury krystalicznej. Innymi słowy powstanie dyslokacja liniowa dodatnia. Powoduje ona stan zakłócenia w uło eniu
s siednich atomów. Niewielka ju siła spowoduje, e dyslokacja zacznie przemieszcza si w płaszczy nie A-A (rys. 4c). W
ko cowej fazie tego ruchu dyslokacja zaniknie wychodz c z kryształu a górna cz
kryształu przemieszczona zostanie
wzgl dem dolnej o parametr sieciowy (rys. 4d). Po wielokrotnych takich przemieszczeniach na powierzchni kryształu utworz
si , widoczne gołym okiem, linie zwane pasmami po lizgu.
Metale powszechnie stosowane maj budow polikrystaliczn , w których ziarna pod wzgl dem k ta krystalograficznego s
ró nie zorientowane w przestrzeni. Obroty ich sieci krystalicznej, wywołane po lizgiem mog spowodowa to, e wi kszo
ziarn uzyska wspóln orientacj . Taki układ ziarn nazywa si tekstur odkształcenia, której konsekwencj jest anizotropia
wła ciwo ci mechanicznych i innych fizycznych.
Du e odkształcenia powoduj wydłu anie ziarn co prowadzi do utworzenia si budowy włóknistej typowej dla pr tów,
blach i drutów.
Drugim mechanizmem odkształcenia plastycznego jest bli niakowanie mechaniczne. Bli niakowanie to, w znacznym
uproszczeniu, polega na obrocie sieci krystalograficznej jednej cz ci kryształu o pewien k t wzgl dem drugiej w taki sposób, e
obie cz ci uzyskaj poło enie symetryczne (lustrzane odbicie, rys. 6a, b). Płaszczyzna oddzielaj ca te cz ci –zbli niaczon i
macierzyst nazywa si płaszczyzn zbli niaczenia i jest jednocze nie koherentn granic . Taki mechanizm odkształcenia
uruchamiany jest siłami zewn trznymi. W stopach o znaczeniu technicznym cz sto obserwuje si bli niaki np. w mosi dzu
jednofazowym. Niekiedy bli niakowaniu w czasie odkształcenia towarzyszy charakterystyczny d wi k (chrz st) wydawany
przez metal (np. cynk czy cyn ).
Bli niakowanie
Rys. 3. Systemy po lizgów w podstawowych typach sieci.
Rys.4. Schemat powstawania i przemieszczania si dyslokacji powoduj cych odkształcenie trwałe materiału
W mikrostrukturze materiałów polikrystalicznych obserwuje si je w odkształconych ziarnach, gdzie przebiegaj zgodnie z
kierunkiem płaszczyzn po lizgu (rys. 5).
Rys. 5. Pasma po lizgu: a – w stopie Fe+10%Al., b – w mosi dzu M70
Rys. 6. Schemat tworzenia si kryształu bli niaczego: a - kryształ nieodkształcony, b - kryształ bli niaczy po odkształceniu
2.2. UMOCNIENIE METALU
Wspomnian wcze niej cech odkształconego metalu jest umocnienie. Praktycznie ujawnia si to wzrostem oporu metalu
przy dalszym odkształceniu. Znaczy to, e pragn c dalej je realizowa nale y zwi kszy napr enia powoduj ce to
odkształcenie. Stosunek przyrostu napr e odkształcaj cych do przyrostu odkształcenia nazwano współczynnikiem
umocnienia:
P
=
gdzie:
σ
- napr enie,
ε
- odkształcenie.
Stan umocnienia metalu osi ga si w temperaturach ni szych od temperatury okre lonej zale no ci podan przez
Boczwara:
d
σ
d
ε
T
rek
=
aT
top
gdzie:
T
rek
– oznacza temperatur nazwan temperatur rekrystalizacji (w K),
T
top
– temperatura topnienia okre lonego metalu,
a – współczynnik, którego warto ci wynosz :
0,1 – 0,2 dla materiałów czystych,
0,4 – 0,5 dla materiałów o czysto ci technicznej
0,7 – 0,8 dla stopów jednofazowych
Odkształcenie przeprowadzone powy ej T
rek
nie powoduje umocnienia metalu i w technicznym znaczeniu nosi nazw
obróbki plastycznej na gor co.
W przeciwie stwie do niej odkształcenie poni ej T
rek
nazywa si obróbk plastyczn na zimno. Umocnienie wywołane
jest zmianami mikrostruktury i stanem napr e pod wpływem odkształcenia. Całokształt tych zmian nazywa si zgniotem. W
procesie odkształcenia wzrasta w materiale g sto defektów struktury krystalicznej a głównie dyslokacji. Pod wpływem
napr e nast puje ich generacja. G sto ich zwi ksza si z przeci tnej ilo ci 106-108 linii/cm
2
do 1011-1012 linii/cm
2
w
metalu silnie odkształconym. Dyslokacje, którym istnieniu zawdzi cza si realizacj mechanizmu po lizgu, przy wzrastaj cej
g sto ci zaczynaj sobie nawzajem przeszkadza , a szczególnie ma to miejsce, gdy w procesie odkształcania uruchomionych jest
jednocze nie kilka systemów po lizgu, nie le cych w jednej płaszczy nie. To wywołuje nierównomierny rozkład dyslokacji.
Przy du ych odkształceniach prowadzi to do tworzenia si struktury komórkowej, w której wolne od dyslokacji niewielkie
obj to ci metalu oddzielone s ciankami spl tanych dyslokacji. W strukturze takiej swobodne drogi ruchu dyslokacji s ju
niewielkie i materiał osi ga do szybko wzrost umocnienia.
W metalach-stopach rzeczywistych, polikrystalicznych przeszkodami dla ruchu dyslokacji s nie tylko same dyslokacje
(przy du ej ich g sto ci), ale tak e granice ziarn, na których zachodzi spi trzanie si i kotwiczenie dyslokacji.
St d im drobniejsze jest ziarno w metalu, tym wi ksza jest skuteczno zaporowego działania granicy przeciwko ruchowi
dyslokacji i wy sze uzyskuje si wska niki wytrzymało ciowe (Rm, Re, H). Przeszkodami s tak e atomy składników
stopowych zajmuj ce miejsca w złowe i mi dzyw złowe w sieci, twarde o du ej dyspersji fazy (np. w gliki) i przypadkowe
cz stki znajduj ce si w mikrostrukturze. Dla przykładu blokowanie ruchu dyslokacji atomami mi dzyw złowymi w stopach
elaza (C, N) wyja ni mo e mechanizm Cottrell'a. Istota jego polega na tym, e atomy np. w gla (ew. N) gromadz si wokół
linii dyslokacji dla zmniejszenia wyst puj cych w tych miejscach napr e rozci gaj cych, tworz c tzw. atmosfery Cottrell'a.
Wywołanie ruchu dyslokacji z takiego obszaru, gdzie utworzyły si te atmosfery wymaga wi kszego napr enia stycznego.
Zmianom mikrostruktury spowodowanym odkształceniem towarzyszy pojawienie si napr e własnych, które z uwagi
na zasi g i przyczyn powstania podzieli mo na na trzy rodzaje:
l. Submikroskopowe, pierwszego rodzaju, tworz ce si wewn trz ziarna w wyniku odkształcenia sieci, w pobli u
granicy, obcych atomów i cz stek,
2. Mikroskopowe, drugiego rodzaju, powstała mi dzy s siaduj cymi ziarnami, wywołane odkształceniami sieci,
wydłu eniem i obrotem ziarn,
3. Makroskopowe, trzeciego rodzaju – mi dzy warstwami metalu spowodowane nierównomiernym odkształceniem
sieci, wydłu eniem i obrotem ziarn,
Umocniony materiał posiada wy szy zasób energii swobodnej. Jest w stanie metastabilnym, ale do trwałym w pewnych
zakresach temperatur zwi zanych z rodzajem materiału. Energia zu yta na odkształcenie rozdysponowana została na ciepło,
którego wydzielanie towarzyszy odkształceniu i wytworzeniu oraz przemieszczeniu defektów struktury krystalicznej. Ró nica
energii wydatkowanej W i wydzielonego ciepła Q pozostaje w materiale w jego defektach i nosi nazw energii
zmagazynowanej:
Warto jej zale y od stopnia odkształcenia, wielko ci ziarna i czysto ci metalu. Przy du ych odkształceniach warto ci
energii zmagazynowanej wynosi ok. 10% energii wydatkowanej w czasie odkształcenia.
Ez=W-Q
Przywrócenie materiałowi wła ciwo ci plastycznych, całkowite lub cz ciowe, takich jakie posiadał przed
odkształceniem, a tym samym obni enie wła ciwo ci wytrzymało ciowych i napr e własnych, które uzyskał dzi ki
umocnieniu, przebiega w wyniku procesów aktywowanych cieplnie. Metal odkształcony w temperaturze ni szej od T
rek
uzyskał stan metastabilny. Powrót jego do równowagi nast puje dzi ki dostarczeniu ciepła (praktycznie przetrzymywania
w podwy szonych temperaturach) i wydzielaniu energii zmagazynowanej. W tym czasie w metalu zachodz procesy
zmieniaj ce jego mikrostruktur , które nazywa si zdrowieniem i rekrystalizacj
Ze wzgl du na technik wytwarzania przy zastosowaniu obróbki plastycznej, odzyskanie wła ciwo ci plastycznych przez
metal ma podstawowe znaczenie np. przy produkcji drutów, ta m, folii czy blach. Nie mo na bowiem stosowa bardzo du ych
jednorazowych odkształce w temperaturach ni szych od T
rek
nawet do metali wy arzonych charakteryzuj cych si du
plastyczno ci , gdy wskutek bardzo du ego umocnienia i utraty plastyczno ci mo e wyst pi p kanie materiału. Chc c jednak
odzyska wła ciwo ci plastyczne w celu dalszego odkształcenia, nale y podda materiał wygrzewaniu w temperaturze wy szej
od T
rek
. Obróbka taka nosi nazw wy arzania mi dzyoperacyjnego.
3. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA
3.1. Zdrowienie
Zdrowienie jest pierwszym stadium powrotu materiału do stanu równowagi. Obejmuje ono procesy zachodz ce w
odkształconym na zimno metalu, poddanym nast pnie wygrzewaniu w niezbyt wysokich temperaturach. Istot
procesu
zdrowienia jest obni anie ilo ci defektów punktowych, zmniejszeniu g sto ci dyslokacji i przegrupowanie dyslokacji w
konfiguracj o ni szej energii bez ruchu szeroko k towych granic ziarn. Proces ten powoduje wydzielenie si cz ci energii
zmagazynowanej i obni enie wła ciwo ci wytrzymało ciowych i fizycznych metalu oraz napr e własnych (rys. 7).
Rozpoczyna si on od aktywowanej cieplnie migracji defektów punktowych (atomów mi dzyw złowych i wakansów), których
st enie znacznie si obni a. Ułatwia to przemieszczanie si dyslokacji i prowadzi do ich anihilacji, tojest zaniku dyslokacji o
przeciwnych znakach oraz do ich przegrupowania. Przegrupowanie rozpoczyna si w miejscach o najwi kszej koncentracji

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin