Politechnika Rzeszowska - Materiały inżynierskie - I DUT / dr inż. Maciej Motyka

Transkrypt

1 NADPLASTYCZNOŚĆ METALI I STOPÓW 1

2 NADPLASTYCZNOŚĆ - efinicja Naplastyczność zolność materiałów o barzo użego okształcenia plastycznego, objawiająca się w wysokiej temperaturze homologicznej po wpływem małego naprężenia, którego wartość silnie zależy oprękości okształcania. Rozróżnia się wa główne rozaje naplastyczności: strukturalną (izotermiczną) (fine-structure superplasticity) bęącą właściwością materiału związaną z jego mikrostrukturą, warunkową (po wpływem specjalnych warunków zewnętrznych) (internal-stress superplasticity) wywołaną przez specyficzne warunki zewnętrzne, powoujące generowanie przemian strukturalnych, a w ich wyniku użych naprężeń własnych, niezależnych o obciążenia zewnętrznego. 2

3 Równanie stanu = ( T p ) (,, T, p, ) t i ń k t ł i - stopień okształcenia - prękość okształcenia T - temperatura p - ciśnienie p - napięcie powierzchniowe p p T T p T 3

4 Równanie stanu p T X X X p p T T X X X METALE ODKSZTAŁCANE NA ZIMNO Małe wartości oraz wysoka T METALE ODKSZTAŁCANE PROCES IZOTERMICZNY NA GORĄCO PROCES IZOTERMICZNY 4

5 Czułość naprężenia płynięcia na prękość okształcania const n m const n m const m = 0 naprężenie płynięcia nie zależy o prękości okształcania n = 0 brak umocnienia okształceniowego W większości metali i stopów m < 0,2 W materiałach naplastycznych m > 0,33 m log log 5

6 Wyznaczanie parametru m Aspekt mechaniczny Aspekt mikrostrukturalny mm log log T, ms log log PARAMETRY T,{ S} STEREOLOGICZNE MIKROSTRUKTURY zzależności zależności = f () zzależności zależności = f () la = const la {S} = const skokowa zmiana 6

7 Naplastyczność warunkowa INTERNAL-STRESS SUPERPLASTICITY Obserwowana, gy w materiałach występują uże naprężenia wewnętrzne, ę umożliwiające przebieg procesu okształcania w warunkach małego obciążenia zewnętrznego. GŁÓWNE CECHY: uże wartości m (m 1); nie jest wymagana robnoziarnistość. Naprężenia ę wewnętrzne, ę związaneą z naplastycznością ą warunkową, mogą być w większości przypaków generowane poprzez cykliczne zmiany temperatury lub naprężenia: w zakresie przemiany fazowej wmateriałach ł wykazujących polimorfizm, w czystych metalach lub stopach jenofazowych, wykazujących anizotropię rozszerzalności cieplnej, w materiałach kompozytowych, których skłaniki mają różną rozszerzalność cieplną. 7

8 Naplastyczność przy użej prękości okształcania HIGH STRAIN-RATE RATE SUPERPLASTICITY Jest szczególnym przypakiem naplastyczności strukturalnej. GŁÓWNE CECHY: prękość okształcania ł w zakresie s -1 porównywalna z wykorzystywanymi w niektórych konwencjonalnych metoach przeróbki plastycznej (np. kucie); jest wymagana robnoziarnistość; występowanie fazy ciekłej na granicach faz. 8

9 Inne procesy umożliwiające otrzymanie użego stopnia okształcenia plastycznego pseuonaplastyczne zachowanie się materiałów gruboziarnistych - efekt ziałania mechanizmu pełzania kontrolowanego poślizgiem yslokacji (w stopach klasy I); okształcenie ł plastyczne przy małejł prękości ś okształcania ł w materiałach o umiarkowanie gruboziarnistej mikrostrukturze i wartości parametru m = 1 efekt ziałania mechanizmów pełzania kontrolowanych yfuzją wzłuż granic ziarn (pełzanie Coble a), yfuzją sieciową (pełzanie Nabarro-Herring a) orazpoślizgiem yslokacji (pełzanie Harper-Dorn a), okształcenie przy b. użej prękości okształcania ( s -1 ) (ultrahigh-strain-rate superplasticity) w aluminium lub miezi - kształtowanie wybuchowe z ynamiczną konensacją. 9

10 Naplastyczność strukturalna FINE-STRUCTURE SUPERPLASTICITY GŁÓWNE CECHY: wewnętrzna, strukturalna właściwość materiału możliwość otrzymywania barzo użych wartości okształcenia plastycznego (> 2000%) zakres występowania: temperatura T > 0,4T top i prękość okształcania. = s -1 charakteryzuje materiały robnoziarniste ( < 10 m) o równoosiowej mikrostrukturze - uża czułość naprężenia płynięcia na prękość okształcenia (parametr m > 0,3) brak umocnienia okształceniowego zachowywanie prawie równoosiowego kształtu ziarn 10

11 Naplastyczność strukturalna FINE-STRUCTURE SUPERPLASTICITY GŁÓWNE CECHY (c.): mechanizm naplastyczności strukturalnej jest zbliżony o mechanizmu pełzania (charakteryzuje się użą czułością wartości naprężenia płynięcia na prękość okształcania i pozwala otrzymywać barzo uże okształcenie plastyczne), jenak w przeciwieństwie o naprężenia pełzania, wartość naprężenia płynięcia naplastycznego jest niezwykle wrażliwa na kształt i rozmiar ziarn, co czyni naplastyczność strukturalną zjawiskiem najsilniej zależnym o mikrostruktury materiałów metalicznych 11

12 Krzywa naplastyczności Schemat zależności naprężenia ę płynięcia ę plastycznego oraz parametru m o prękości okształcania la materiału metalicznego wykazującego [ ] i nie wykazującego [---] efektu naplastyczności strukturalnej 12

13 Porównanie cech okształcania plastycznego i naplastycznego Naplastyczność Plastyczność Duża czułość naprężenia płynięcia na prękość okształcania (m > 0,33) Pomijalnie mały wpływ prękości okształcania na naprężenie płynięcia Drugorzęny wpływ umocnienia okształceniowego Dominująca rola umocnienia okształceniowego Wzglęne przemieszczanie się ziarn wywołane poślizgiem wzłuż ich granic Brak wzglęnego przemieszczania się ziarn Zmniejszenie początkowej tekstury wraz ze zwiększeniem wartości ś okształcenia ł naplastycznego (zmniejszenie i anizotropii) Tworzenie się tekstury okształcenia (zwiększenie anizotropii) Okształcanie przez poślizg wzłuż granic ziarn wraz z yfuzyjnymi i yslokacyjnymi mechanizmami akomoującymi Okształcanie w wyniku poślizgu yslokacji Zniszczenie powoowane inicjacją i rozrostem mikropustek Zniszczenie powoowane wyczerpaniem zapasu plastyczności i lokalizacją okształcenia 13

14 Rola parametrów mikrostruktury ROZMIAR ZIARNA Zależność parametru m o prękości okształcania stopie Zn-Al la różnych rozmiarów ziarn w eutektoialnym 14

15 Rola parametrów mikrostruktury SKŁAD FAZOWY (skła chemiczny) Próbka eutektycznego stopu Bi-Sn okształconego naplastycznie nie (1950%) przez Pearson a w 1934 r. 15

16 Rola parametrów mikrostruktury GRANICE ZIARN I MIĘDZYFAZOWE Zależność prękości poślizgu wzłuż granic mięzyfazowych o naprężenia stycznego w brązie aluminiowym, stali i mosiązu 16

17 Rola parametrów mikrostruktury TEKSTURA I KSZTAŁT ZIARN Mikrostruktura stopu tytanu Ti-6Al-4V okształconego naplastycznie 17

18 Mechanizmy okształcania naplastycznego MECHANIZMY PEŁZANIA Krzywe pełzania: a) stopy metali, b) czyste metale A' D S Gb kt b p G Równanie Dorna (Mukherjee-Bir-Dorna) n 18

19 Pełzanie yfuzyjne (n =1) T 09T 0,9 T t PEŁZANIE NABARRO-HERRING A PEŁZANIE COBLE A 19

20 Pełzanie yslokacyjne (n =3 6) Schemat pełzania yslokacyjnego 20

21 Poślizg wzłuż granic ziarn (PWGZ) (n =2) Schemat poślizgu wzłuż granic ziarn. S - wektor poślizgu 21

22 Współczynnik umocnienia n la różnych materiałów polikrystalicznych Współczynnik umocnienia n Ceramika robnoziarnista Materiał Materiały wykazujące zjawisko naplastyczności warunkowej (U, Zn, Fe, Ti, kompozyty na osnowie Al lub Zn) Materiały robnoziarniste, w których PWGZ jest akomoowany poślizgiem yslokacji (niektóre stopy o buowie roztworu stałego - klasy I) Konwencjonalne materiały robnoziarniste wykazujące naplastyczność strukturalną (stopy metali, stopy na osnowie faz mięzymetalicznych, materiały ceramiczne) Stopy o buowie roztworu stałego ł - klasy I Niektóre kompozyty przy większych prękościach okształcania Niektóre stopy gruboziarniste na osnowie faz mięzymetalicznych Stopy o buowie roztworu stałego - klasy II Czyste metale Stopy zawierające yspersyjne cząsteczki twarej fazy 22

23 Mechanizmy okształcania naplastycznego Pełzanie yfuzyjne (pełzanie Coble a) PWGZ akomoowany pełzaniem yfuzyjnym PWGZ akomoowany poślizgiem yslokacyjnym Trójwymiarowa mapa mechanizmów okształcania stopu Zn-Al 23

24 Moele mechanizmów okształcania naplastycznego Schemat teorii płaszcza i rzenia ziarna w Schemat mechanizmu okształcania materiałach naplastycznych (Gifkinsa) naplastycznego wg moelu Fukuyo 24

25 Skoorynowany poślizg wzłuż granic ziarn COOPERATIVE GRAIN-BOUNDARY SLIDING 25

26 Prękość okształcania naplastycznego Zależność naprężenia o prękości okształcania la poślizgu wzłuż granic ziarn i poślizgu yslokacji materiału okształcanego 26

27 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation PRASOWANIE ZE SKRĘCANIEM (HPT high pressure torsion) 27

28 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation PRZECISKANIE PRZEZ KANAŁ KĄTOWY (ECAP (lub ECAE) equal-channel angular pressing) 28

29 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation ŚCISKANIE WIELOKIERUNKOWE (MaxStrain multi-axis restrain eformation) Mikrostruktura stopu aluminium 5083 okształconego metoą MaxStrain 29

30 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation ŚCISKANIE WIELOKIERUNKOWE (MaxStrain multi-axis restrain eformation) 30

31 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation KUCIE WIELOKIERUNKOWE (Multiple forging) 31

32 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation CYKLICZNE WALCOWANIE MATERIAŁU WIELOWARSTWOWEGO (ARB accumulative roll boning) 32

33 Specjalistyczne metoy otrzymywania mikrostruktury robnoziarnistej SPD Severe Plastic Deformation CYKLICZNE WYCISKANIE-ŚCISKAJĄCE (CWS) 33

34 Materiały naplastyczne STOPY ALUMINIUM STOPY MAGNEZU STOPY ŻELAZA STOPY NIKLU STOPY TYTANU 34

35 Naplastyczne stopy tytanu Stop Skła fazowy Wyłużenie A Śrenia śrenica ziarna Temperatura T Prękość okształcania % m m ºC s Stopy wufazowe + s -1 Ti-4Al-4Mo-2Sn-0,5Si Ti-4,5Al-3V-2Mo-2Fe Ti-5Al-2Sn-4Zr-4Mo-2Cr-1Fe 4Mo 2Cr Ti-6Al-4V Ti-6Al-2Sn-4Zr-2Mo Ti-6Al-2Sn-4Zr-6Mo Ti-6Al-7Nb Ti-6,5Al-3,7Mo-1,5Zr Ti-6Al-2Sn-2Zr-2Mo-2Cr-0,15Si Ti-24Al-11Nb Ti-46Al-1Cr-0,2Si Ti-48Al-2Nb-2Cr 2 (Ti 3 Al) + (TiAl) + 2 (Ti 3 Al) (TiAl) + 2 (Ti 3 Al) Stopy na osnowie faz mięzymetalicznych , , Ti-50Al (TiAl) + 2 (Ti 3 Al) 250 < , Ti-10Co-4Al + Ti 2 Co , Kompozyty na osnowie stopów tytanu Ti-6Al-4V + 10%TiC + TiC , Ti-6Al-4V + 10%TiN + TiN ,

36 Naplastyczne stopy tytanu Rozmiar ziarna Skła fazowy 36

37 Schemat procesu kształtowania naplastycznego Sztywną matrycą Sztywnym stemplem 37

38 Proces kształtowania naplastycznego 38

39 Proces kształtowania naplastycznego 39

40 Przykłay kształtowania naplastycznego Drzwi awaryjne samolotu BAe 125 wykonane ze stopu tytanu metoą kształtowania napla-stycznego i zgrzewania yfuzyj-nego (superplastic forming / iffusion boning SPF/DB) 80 ok części elementów łączących 4 SPF/DB 90 40

41 Przykłay kształtowania naplastycznego Elementy konstrukcji nośnej kałuba samolotu F-15E wykonane ze stopu Ti-6Al-4V metoą SPF/DB Reukcja: części elementów łączących SPF/DB 41