Kształtowanie cieplno-plastyczne. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

Transkrypt

1 Kształtowanie cieplno-plastyczne Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

2

3 OBRÓBKA CIEPLNA METALI

4

5 Grzanie: nagrzewanie i wygrzewanie

6 Rodzaje ośrodków grzejnych Powietrze Ośrodki gazowe Złoża fluidalne Kąpiele solne: sole chlorkowe hartownicze (chlorki baru, sodu, wapnia oraz krzemionka lub tlenek aluminium) lub saletrzankowe (azotany sodu, potasu, azotyn sodum chromiany) Kąpiele metalowe: bizmut, antymon, cyna i ołów stopione

7 Wyżarzanie: nagrzanie stali do określonej temperatury, wygrzanie i studzenie w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi Ujednorodniające: dla wlewków stalowych w celu ograniczenia niejednorodności spowodowanej mikrosegregacją i likwacją Rekrystalizujące: usuwa umocnienie zgniotowe umożliwiając obróbkę plastyczną na zimno Odprężające: usuwa naprężenia odlewnicze, spawalnicze, cieplne (stabilizujące do 150 C zapewnienie niezmienności wymiarowej; sezonowanie w temperaturze pokojowej) Normalizujące: uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej, do stali niestopowych i staliw Zupełne: do stali stopowych Izotermiczne: odmiana wyżarzania zupełnego do stali stopowych (patentowanie do drutów) Sferoidyzujące (zmiękczające): zapewnia dobrą skrawalność i udarność, prowadzi do otrzymania sferoidytu

8 Hartowanie objętościowe Martenzytyczne ciągłe Martenzytyczne stopniowe Bainityczne ciągłe Bainityczne izotermiczne Nagrzewanie powolne Temperatura austenityzowania C pow. Ac1,3 dla stali węglowych nadeutektoidalnych, pow. Ac3 dla stali podeutektoidalnych

9

10 Zmiany wielkości ziarna

11

12

13 Krzywe CTP

14 Przemiany w stali podczas chłodzenia Perlityczna Bainityczna Martenzytyczna

15 Rodzaje ośrodków chłodzących Woda, roztwory wodne soli, zasad, polimerów Oleje hartownicze Kąpiele solne i metalowe Złoża fluidalne Powietrze i inne gazy

16 Przehartowalność: podatność stali na hartowanie jako zależność przyrostu twardości od szybkości chłodzenia

17 Średnica krytyczna: średnica pręta, w którym po zahartowaniu w ośrodku o określonej intensywności chłodzenia w osi przekroju poprzecznego uzyskuje się strukturę złożoną z n % martenzytu

18 Współczynnik intensywności chłodzenia

19 Metoda Jominy`ego określania hartowności

20 Hartowanie powierzchniowe Indukcyjne Płomieniowe Laserowe kąpielowe Kontaktowe Elektrolityczne Impulsowe

21

22 Obróbka podzerowa Wymrażanie: chłodzenie stali bezpośrednio po hartowaniu do temperatury poniżej 0 C, wychłodzenie i ogrzanie do temperatury pokojowej Umożliwia zmniejszenie ilości lub usunięcie austenitu szczątkowego Tylko dla narzędzi pomiarowych i sprawdzianów

23 Odpuszczanie Niskie: C do narzędzi, sprężyn, sprawdzianów w celu usunięcia naprężeń hartowniczych z zachowaniem dużej twardości, wytrzymałości i odporności na ścieranie Średnie: C do sprężyn, resorów, matryc, prowadzi do niewielkiego spadku twardości przy zachowaniu dużej wytrzymałości i sprężystości Wysokie: C, ma na celu osiągnięcie wysokiego stosunku Re do Rm

24

25 Utwardzanie wydzieleniowe: przesycanie i starzenie

26 Definicje przesycania i starzenia Przesycanie: nagrzanie stopu do temp C powyżej krzywej granicznej rozpuszczalności i szybkie schłodzenie do temperatury pokojowej; stop uzyskuje metastabilną strukturę jednofazową Starzenie: nagrzanie stopu przesyconego do temperatury niższej od granicznej rozpuszczalności, wygrzanie i studzenie; wzrost własności wytrzymałościowych; wydzielanie się faz, przy przestarzeniu koagulacja wydzieleń; starzenie naturalne i sztuczne; najczęściej stopy Al-Zn-Mg-Cu, Al-Li

27 OBRÓBKA PLASTYCZNA METALI

28 Plastyczność: zdolność metali i stopów do trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności Obróbka plastyczna: walcowanie, kucie, prasowanie, ciągnienie Produkty i półprodukty hutnicze po obróbce plastycznej: pręty, kształtowniki, rury, druty, blachy, odkuwki Obróbka: na zimno lub na gorąco Stopień gniotu: Z = S 0 S 1 / S 0

29 Mechanizmy odkształcenia plastycznego Poślizg dyslokacyjny Bliźniakowanie Pełzanie dyslokacyjne Pełzanie dyfuzyjne Poślizg po granicach ziaren

30

31 Poślizg

32 F Odkształcenie plastyczne metali Sieć pierwotna F Płaszczyzna poślizgu Płaszczyzna poślizgu

33 Systemy poślizgu; linie i pasma poślizgu

34 Układy i sieci krystalograficzne metali A1 (RSC) regularna ściennie centrowana A2 (RPC) regularna przestrzennie centrowana A3 (HZ) heksagonalna zwarta metale nie krystalizują w układach jednoskośnym i trójskośnym

35

36

37 Odkształcenie przez bliźniakowanie F F

38 Bliźniakowanie

39 Odkształcenie plastyczne na zimno polikryształów Granica sprężystości i plastyczności Górna R e wywołana odrywaniem atomów domieszek od dyslokacji Dolna R e równanie Halla- Petcha R ed = σ 0 + kd (-1/2) Zgniot i tekstura zgniotu

40 Odkształcenie metali F m F=0 Siła F F s u R e = A 0 F e A 0 Odkształcenie u F=0 R m = F e l1 l0 A = 100% l F m z = 5 0 A A A % l 0 A 0

41

42

43

44 Wyraźna granica R e Brak wyraźnej granicy R e

45

46

47

48 Przemiany cieplne podczas wyżarzania metali uprzednio odkształconych plastycznie na zimno Zdrowienie statyczne Rekrystalizacja statyczna

49

50 Zdrowienie statyczne Proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych plastycznie na zimno Proces związany ze zmniejszeniem liczby defektów punktowych, gęstości dyslokacji oraz zmianami struktury przestrzennej dyslokacji Dyfuzja i anihilacja defektów punktowych, poślizg i wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych Poligonizacja prosta i złożona

51 Poligonizacja Prosta: działa tylko jeden system poślizgu; tworzenie się niskokątowych granic daszkowych w wyniku przegrupowania się nadmiaru dyslokacji jednoimiennych Złożona: działa kilka systemów poślizgu, powstają komórki dyslokacji o małej gęstości otoczone ściankami o dużej gęstości, podziarna i ścianki stanowiące granice złożone daszkowe i skrętne

52 Rekrystalizacja statyczna Przebiega powyżej temperatury rekrystalizacji Polega na powstawaniu i migracji szerokokątowych granic ziaren Niezbędny jest pewien gniot krytyczny Zachodzi przez zarodkowanie i wzrost ziaren

53 Zarodkowanie Następuje w obszarach o największej krzywiźnie sieci: w obszarach o dużym gradiencie odkształcenia, w pobliżu granic ziaren, dużych wydzieleń, powierzchni swobodnych, w pasmach poślizgu. Polega na: wzroście podziaren i (lub) migracji odcinków szerokokątowych granic ziaren pierwotnych

54 Zarodkowanie przez wzrost podziaren przebiega wskutek: Migracji granic podziaren powstałych podczas poligonizacji, jeżeli tworzą one z osnową granicę szerokokątową i wykazują promień większy od krytycznego (a) Wzrostu podziaren utworzonych w wyniku koalescencji, jeżeli osiągają one wielkość krytyczną i granicę szerokokątową z osnową

55 Koalescencja polega na wspinaniu się dyslokacji lub obrocie jednego z sąsiadujących podziaren

56 Łączy kryształy o wspólnym kierunku krystalograficznym do granicy Łączy kryształy o wspólnym kierunku sieciowym do granicy

57 Granica szerokokątowa Schemat granicy koincydentnej przy kącie dezorientacji Θ = 22 wywołanym obrotem wokół osi [111] Na granicach ziarn powstaje strefa miejsc koincydentnych (jednoczesnych) tworzących supersieć przestrzenną sąsiadujących ze sobą ziarn. Parametr supersieci miejsc koincydentnych jest wielokrotnośćią parametru sieci ziarn.

58 Zarodkowanie przez migrację odcinków szerokokątowych: w silnie zdefektowaną osnowę przemieszcza się granica szerokokątowa w wyniku uchodzenia do niej wakansów i dyslokacji

59 Wielkość ziarna po odkształceniu plastycznym

60 Temperatura rekrystalizacji Zależna od stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia, czasu wyżarzania, wielkości ziarna Wzór Boczwara: T R = (0,35 0,6) T t

61 Rekrystalizacja pierwotna i wtórna Pierwotna: migracja szerokątowych granic zarodków rekrystalizacji do czasu, gdy zrekrystalizowane ziarno zajmie całą objętość uprzednio odkształconego metalu Wtórna: następuje selektywny wzrost niektórych ziaren, bez okresu inkubacji, kilkaset stopni C powyżej temperatury rekrystalizacji. Przyczyna: obecność faz na granicach ziaren, zbyt krótki okres wyżarzania, tekstura Tekstura rekrystalizacji: statystyczna przewaga ziaren o jednakowej orientacji

62

63 OBRÓBKA CIEPLNO-PLASTYCZNA

64 Obróbka cieplno-plastyczna, zwana potocznie równie obróbka cieplno mechaniczną nazywamy połączenie odkształcenia plastycznego z obróbka cieplna w taki sposób, aby przemiana fazowa zachodziła w warunkach wzrostu gęstości defektów sieci wywołanych odkształceniem. Jak wykazały badania, ta droga mona uzyskać wzrost wytrzymałości bez jednoczesnego spadku plastyczności.

65 Najprostszymi rodzajami obróbki cieplno-plastycznej w stalach są: hartowanie elementów bezpośrednio po kuciu lub walcowaniu. Inna technologia jest przyspieszone chłodzenie wyrobów po obróbce plastycznej przez natrysk woda, nadmuch sprężonym powietrzem, zanurzenie w zimnej wodzie. Stosuje się także tzw. wstępną obróbkę cieplno plastyczną polegającą na odkształceniu plastycznym na zimno, szybkim nagrzewaniu do temperatury austenityzowania i szybkim schłodzeniu. Technologie obróbki cieplno plastycznej umożliwiają zwiększenie wytrzymałości wyrobów o 20 30% i mogą być stosowane do wszystkich stali.

66 Istota obróbki cieplno plastycznej jest powstanie podstruktury zależnej od: -temperatury, -stopnia gniotu, -szybkości odkształcenia plastycznego metali i stopów.

67 Obróbka cieplno-plastyczna 1 wysokotemperaturowa (WTOCP), 2 niskotemperaturowa (NTOCP), 3 kombinowana (KOCP) 4 wielostopniowa (OCP)

68

69

70

71

72

73

74

75