Zjawisko to umożliwia kształtowanie metali na drodze przeróbki plastycznej.

Transkrypt

1 ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE, ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA Zakres tematyczny 1 Odkształcenie materiałów metalicznych Materiały metaliczne są ciałami plastycznymi pod wpływem obciążenia, którego wartość przekracza granicę sprężystości, zmieniają swoje wymiary i kształt bez utraty spójności (bez zniszczenia) [1]. Zjawisko to umożliwia kształtowanie metali na drodze przeróbki plastycznej. 2 1

2 Odkształcenie materiałów metalicznych Makroskopowe odkształcenie plastyczne obserwowane jest po przekroczeniu granicy plastyczności jednej z podstawowych charakterystyk materiału, określającą geometrię i wytrzymałość elementów maszyn i konstrukcji [2]. R e wyraźna granica plastyczności R 0,2 umownagranica plastyczności 3 Mechanizmy odkształcenia plastycznego Mechanizmy odkształcenia plastycznego [3]: poślizg dyslokacyjny, bliźniakowanie, pełzanie dyslokacyjne, pełzanie dyfuzyjne, poślizg wzdłuż granic ziarn. Ze względu na temperaturę procesu wyróżnia się: odkształcenie plastyczne na zimno, 4 2

3 Mapy mechanizmów odkształcenia plastycznego Odkształcenie plastyczne na zimno Poślizg wzajemne przemieszczanie się jednej części kryształu względem drugiej (sieć krystaliczna przemieszczonych części kryształu nie ulega zmianie). System poślizgu kombinacja płaszczyzny i kierunku poślizgu (charakterystyczna dla każdego typu sieci). Systemy poślizgu w metalach o sieci A1, A2 i A3 5 Odkształcenie plastyczne na zimno Linie poślizgu powstają w wyniku przemieszczenia warstw atomów oddalonych od siebie o średnic atomowych. Pasma poślizgu oddalone o ok. 100 średnic atomowych linie poślizgu. 6 3

4 Odkształcenie plastyczne na zimno Współczynnik Schmida F A n n cos cos Równanie SCHMIDA-BOASA F n siła rozciągająca F n składowa styczna naprężenia A n przekrój poprzeczny 7 Odkształcenie plastyczne na zimno Krzywe umocnienia monokryształu osiecia1, A2 i A3 Bliźniakowanie jednorodne ścinanie (o wektor bliźniakowania) kolejnych warstw atomów. Ze względu na sposób powstawania rozróżnia się: bliźniaki mechaniczne powstałe w wyniku dyslokacyjnego mechanizmu odkształcenia plastycznego (podobnie jak poślizg) granice bliźniacze koherentne; bliźniaki wyżarzania utworzone w podwyższonej temperaturze (powyżej temperatury rekrystalizacji) granice półkoherentne (bliźniaki w kształcie soczewek). 8 4

5 Odkształcenie plastyczne na zimno POLIKRYSZTAŁÓW Granica plastyczności naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makrosko-powego odkształcenia pla-stycznego we wszystkich ziarnach polikryształu Wpływ rozmiaru ziarn na granicę plastyczności (umacniająca rola granic ziarn) R ed = 0 + k d -1/2 Równanie HALLA-PETCH A R ed dolna granica plastyczności; 0 naprężenie tarcia sieci; k stała, d - średnia średnica ziarn. 9 Odkształcenie plastyczne na gorąco Pełzanie dyslokacyjne zachodzi w temperaturze homologicznej T H >0,3izwiązane jest głównie ze wspinaniem dyslokacji 10 5

6 Odkształcenie plastyczne na gorąco Pełzanie dyfuzyjne zachodzi w T H > 0,6 w warunkach niehydrostatycznego stanu naprężeń Pełzanie Nabarro-Herringa Pełzanie Coble a 11 Odkształcenie plastyczne na gorąco Poślizg wzdłuż granic ziarn zachodzi w T H >0,4 12 6

7 ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA 13 Wielkość odkształcenia plastycznego Gniot procentowy stosunek zmniejszenia pola przekroju poprzecznego A do pola przekroju początkowego A 0 : Z A A % A 0 A 0 A 100 % 14 7

8 Zgniot Zgniot całokształt zmian: mikrostruktury, stanu naprężeń, właściwości zachodzących w materiale pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno. 15 Zgniot ZMIANY MIKROSTRUKTURY PRZED ODKSZTAŁCENIEM ODKSZTAŁCENIE WEWNĄTRZ- KRYSTALICZNE ODKSZTAŁCENIE MIĘDZY- KRYSTALICZNE STRUKTURA WŁÓKNISTA TEKSTURA ODKSZTAŁCENIA 16 8

9 Zgniot ZMIANY MIKROSTRUKTURY OBROTY SIECI WZGLĘDEM DZIAŁANIA SIŁY ZEWNĘTRZNEJ K p kierunek poślizgu n normalna do płaszczyzny poślizgu 17 Zgniot ZMIANY STANU NAPRĘŻEŃ Podział naprężeń własnych w stanie zgniotu: podmikroskopowe (I-ego rodzaju) w obrębie poszczególnych ziarn - efekt odkształcenia wewnątrzkrystalicznego (tj. odkształcenia sieci w pobliżu granic ziarn); mikroskopowe (II-ego rodzaju) między sąsiednimi ziarnami - efekt odkształcenia międzykrystalicznego (tj. niejednorodnym odkształceniem, wydłużeniem, fragmentacją i obrotami); makroskopowe k (III-ego rodzaju) ) pomiędzy warstwami materiału ł odkształconego - efekt nierównomiernego odkształcenia na przekroju. 18 9

10 Zgniot ZMIANY WŁAŚCIWOŚCI Zmiany właściwości w stanie zgniotu związane są ze zjawiskiem umocnienia przejawiającego się: zwiększeniem: granicy plastyczności, wytrzymałości, twardości, zmniejszeniem: wydłużenia, przewężenia, udarności. 19 Zgniot UMOCNIENIE Wzrost gęstości dyslokacji cm cm

11 Zgniot ZMIANY WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH I CHEMICZNYCH Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych w stanie zgniotu: zwiększenie: histerezy magnetycznej zmniejszenie: przewodności elektrycznej, siły elektromotorycznej, przenikalności i podatności magnetycznej, odporności na korozję. 21 Zgniot ENERGIA ZMAGAZYNOWANA ODKSZTAŁECENIE PLASTYCZNE NA ZIMNO E z = W - Q W praca mechaniczna odkształcenia Q ciepło odkształcenia STAN METASTABILNY 22 11

12 Aktywowane cieplnie procesy usuwania skutków umocnienia STATYCZE PO ODKSZTAŁECENIU PLASTYCZNYM NA ZIMNO DYNAMICZNE W TRAKCIE ODKSZTAŁECENIA PLASTYCZNEGO NA GORĄCO ZDROWIENIE zmniejszenie zdefektowania struktury krystalicznej bez migracji szerokątowych granic ziarn REKRYSTALIZACJA tworzenie i rozrost wolnych od defektów ziarn PRZYWRÓCENIE WŁAŚCIWOŚCI JAKIE MATERIAŁ POSIADAŁ PRZED ODKSZTAŁCENIEM PLASTYCZNYM 23 Zdrowienie statyczne Zdrowienie procesy wydzielania się z odkształconego metalu energii zmagazynowanej w wyniku zmniejszenia gęstości defektów punktowych oraz wzajemnego oddziaływania, przegrupowania i anihilacji dyslokacji bez udziału migracji szerokokątowych granic ziarn. Poligonizacja 24 12

13 Rekrystalizacja statyczna Rekrystalizacja zachodzi powyżej tzw. temperatury rekrystalizacji (wyższej niż temperatura, w której obserwuje się zdrowienie), związana jest z migracją szerokokątowych granic ziarn i prowadzi do wzrostu ziarn i zmiany ich orientacji. Rodzaje rekrystalizacji statycznej: pierwotna, równomierna (rozrost ziarn), wtórna (anormalny rozrost ziarn). 25 Rekrystalizacja pierwotna Rekrystalizacja pierwotna prowadzi do wydzielenia się całej energii zmagazynowanej, tym samym do przywrócenia właściwości materiału jakiemiał przed odkształceniem plastycznym. Mechanizmy zarodkowania podczas rekrystalizacji 26 13

14 Rekrystalizacja pierwotna WYDZIELANIE ENERGII ZMAGAZYNOWANEJ SIŁA NAPĘDOWA Różnica energii zmagazynowanej zarodka rekrystalizacji - podziarna utworzonego podczas zdrowienia oraz odkształconej osnowy MIGRACJA GRANICY ANIHILACJA DEFEKTÓW NA FRONCIE REKRYSTALIZACJI WZROS ST ZARODK KÓW TWORZEN NIE ZREKRYSTALIZO OWANYCH ZIARN O MAŁEJ GĘSTOŚCI DYSLOKA ACJI 27 Rekrystalizacja równomierna (rozrost ziarn) Rekrystalizacja równomierna zachodzi po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej i polega na wzroście średniej wielkości ziarn. ZMNIEJSZENIE POWIERZCHNI GRANIC ZIARN SIŁA NAPĘDOWA Napięcie ę powierzchniowe granic ziarn PROSTOWANIE ZAKRZYWIONYCH GRANIC Rozrost ziarn większych kosztem mniejszych 28 14

15 Rekrystalizacja wtórna (anormalny rozrost ziarn) Rekrystalizacja wtórna zachodzi w znacznie wyższej temperaturze niż rekrystalizacja pierwotna i równomierna. Szczególny przypadek selektywnego, silnego rozrostu niektórych ziarn o uprzywilejowanej orientacji. 29 Temperatura rekrystalizacji Temperatura rekrystalizacji ma charakter umowny nie ma określonej wartości ponieważ zależy od wielu czynników: temperatury topnienia T t (empiryczna zależność Boczwara) T R = (0,35 0,60) T t Temperatura w skali bezwzględnej!!! 30 15

16 Temperatura rekrystalizacji stopnia odkształcenia (gniotu) większy gniot => większa wartość energii zmagazynowanej => obniżenie T R czystości metalu zanieczyszczenia ograniczają ruchliwość granic ziarn => podwyższenie T R drobnoziarnistości mały rozmiar ziarn => obniżenie T R temperatury odkształcenia plastycznego mała wartość => obniżenie T R 31 Temperatura rekrystalizacji Umownie przyjmuje się, że temperatura rekrystalizacji jest temperaturą, w której dany metal (stop) odkształcony określonym gniotem zrekrystalizuje całkowicie w ciągu 1 h Doświadczalnie można wyznaczyć ją z wykresu zależności: właściwość mechaniczna (wytrzymałość, twardość) w funkcji temperatury wyżarzania 32 16

17 Gniot krytyczny GRUBOZIARNISTOŚĆ Zależność rozmiaru ziarna po wyżarzaniu od gniotu 33 Techniczne aspekty procesów odkształcania plastycznego i usuwania jego skutków Wyżarzanie odprężające wykorzystanie efektów zdrowienia => usuwanie naprężeń własnych Wyżarzanie rekrystalizujące wykorzystanie efektów rekrystalizacji => usuwanie skutków umocnienia odkształceniowego (wyżarzanie międzyoperacyjne w procesach przeróbki plastycznej na zimno) PRZERÓBKA PLASTYCZNA Temperatura rekrystalizacji T R NA GORĄCO NA ZIMNO 34 17

18 Literatura źródłowa: 1. Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa J. W. Wyrzykowski, E. Pleszakow, J. Sieniawski: Odkształcanie i pękanie metali. WNT, Warszawa Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa Przybyłowicz K.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. WNT, Warszawa Demaid A.: A history of superplastic metals. de Wit J. H. W. et al. (eds): Case Studies in Manufacturing with Advanced Materials Vol. 1. North-Holland, Amsterdam Prowans S.: Struktura stopów. PWN, Warszawa 2000 Literatura uzupełniająca: Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1999 Ashby M. F., Jones R. H.: Materiały inżynierskie cz. I i II. WNT, Warszawa 1995 Grabski M. W.: Nadplastyczność strukturalna metali. Wyd.Śląsk, Katowice