OBRÓBKA PLASTYCZNA METALI

Transkrypt

1 OBRÓBKA PLASTYCZNA METALI

2 ODKSZTAŁCENIE I REKRYSTALIZACJA METALI 1. ODKSZTAŁCENIE METALI 2. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA 3. TECHNICZNE ASPEKTY ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO

3 ODKSZTAŁCENIE METALI Ciało stałe poddane wzrastającemu obciążeniu na zimno przechodzi przez następujące stadia: odkształcenie sprężyste (odwracalne) odkształcenie plastyczne (nieodwracalne) zerwanie (dekohezja) Ważna cecha metali i stopów plastyczność zdolność do trwałego odkształcenia się bez naruszenia spójności

4 Odkształcenie sprężyste - odkształcenie materiału spowodowane przez działanie naprężeń wywołanych przez siłę zewnętrzną lub naprężeń własnych, które zanika po zdjęciu naprężeń. Odkształcenie sprężyste metali zachodzi poprzez przemieszczanie się atomów na odległości nie większe niż odległości sieciowe, dzięki czemu nie następują zasadnicze zmiany w ułożeniu atomów w sieci, zachodzi tylko zwiększenie energii ciała odkształcanego, np. ściskanego lub rozciąganego pręta lub sprężyny.

5 τ τ Schemat położenia atomów w odkształconym sprężyście monokrysztale

6 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

7 Odkształcenie plastyczne jest to takie odkształcenie materiału, spowodowane przez działanie naprężeń, które pozostaje po zdjęciu naprężeń. Do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą: Poślizg dyslokacyjny Bliźniakowanie Pełzanie dyslokacyjne Pełzanie dyfuzyjne Poślizg po granicach ziarn

8

9 Odkształcenie plastyczne na zimno w monokryształach może się realizować przez poślizg dyslokacyjny lub bliźniakowanie. Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego na zimno jest poślizg, który polega na równoległym przesunięciu jednej części kryształu względem drugiej. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje nie zmieniona Schemat odkształcenia plastycznego monokryształu przez poślizg

10 Dla idealnej sieci, bez defektów przesunięcie jednej części kryształu względem drugiej, wymaga pokonania siły wiązań wszystkich atomów rozłożonych po obu stronach płaszczyzny poślizgu. NAPRĘŻENIE ŚCINAJĄCE, KTÓRE MUSI POKONAĆ TEN OPÓR = WYTRZYMAŁOŚĆ TEORETYCZNA: τ 3 4 max MPa Doświadczalnie stwierdzono, że dla pojedynczych kryształów czystych metali τ max jest 100 do 1000 razy mniejsze!. Powód: nie może zachodzić jednoczesne ślizganie się całej płaszczyzny atomowej po przyległej płaszczyźnie.

11

12 Odkształcenie plastyczne na zimno realizuje poprzez poślizg dyslokacji. Poślizg nie zachodzi jednocześnie na całym obszarze płaszczyzny poślizgowej, bo wymagało by to zbyt dużej siły potrzebnej do jednoczesnego przezwyciężenia wiązań atomów w całej płaszczyźnie. Zamiast tego poślizg realizuje się krok po kroku przez przesuwanie się w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji. Przesuwanie się dyslokacji nazywamy poślizgiem dyslokacji.

13 Schemat ruchu dyslokacji krawędziowej w płaszczyźnie poślizgu Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo WNT, Gliwice - Warszawa 2002 W każdym kroku następuje zerwanie sił atomowych i przemieszczenie atomów tylko lokalnie w strefie dyslokacji i tylko o odległości rzędu odległości atomowych. W każdym kroku dyslokacja przesuwa się o jedną odległość atomową o parametr sieci.

14 W każdej sieci krystalicznej istnieją wyróżnione płaszczyzny, a na nich kierunki, wzdłuż których może zachodzić łatwiejszy poślizg niż w innych płaszczyznach. Są to tzw. płaszczyzny łatwego poślizgu, najgęściej obsadzone atomami. W takich płaszczyznach poślizg dyslokacji jest najłatwiejszy, gdyż droga przeskoku dyslokacji jest najkrótsza. Po przesunięciu się o określony wektor poślizg dyslokacji jest blokowany przez zwiększającą się gęstość dyslokacji, a dalsze poślizgi w krysztale mogą zachodzić w płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów. Płaszczyzna poślizgu oraz kierunek poślizgu tworzą razem system poślizgu.

15 Systemy poślizgu; linie i pasma poślizgu

16 T y p s ie c i P rzy k ła d y m e ta li P ła sz c z y z n y i k ie ru n k i p ośliz g u w k o m ó rc e s tru k tu ra ln e j S y s te m y p oś liz g u O z n a c z e n ie O z n a c z e n ie g ru p y g ru p y p ła s z c z y z n k ie ru n k ó w ró w n o w aż n y c h ró w n o w aż n y c h Ilość s y s te m ó w p oś liz g u A 1 R S C - re g u la rn a ś c ie n n ie c e n tro w a n a F e γ, A g A l A u, C u N i P b { } < > 4 3 = 1 2 F e α M o W { } < > 6 2 = 1 2 A 2 R P C re g u la rn a p rzestrze n n ie c e n tro w a n a F e α M o W t { } < > = 1 2 F e α C r N b { } < > = 2 4 A 3 H Z h e k s a g o n a ln a z w a rta C d M g T i Z n { } < > 1 3 = 3

17 Uruchomienie dyslokacji (poślizgu) następuje w tym systemie poślizgu, w którym naprężenieścinające τ osiągnie minimalną wartość krytyczne naprężenie styczne τ kr. Rozkład sił w rozciąganym monokrysztale walcowym τ = = F/S 0 cos α cos ϕ

18 Naprężenie styczne osiąga maksymalną wartość, gdy płaszczyzna poślizgu i kierunek tworzą kąt 45º z osią próbki i w tym systemie zajdzie w pierwszej kolejności poślizg. Gdy dyslokacje zostaną zablokowane, dalsze odkształcenie jest możliwe przez wzrost siły F, co powoduje przekroczenie naprężenia krytycznego dla innych systemów poślizgu lub poprzez obrót sieci krystalicznej zmieniającej wielkość naprężenia stycznego w innych płaszczyznach poślizgu.

19 W sieci RPC nie ma płaszczyzn o zwartym ułożeniu atomów jak płaszczyzny {111} w RSC lub {0001} w HZ. Mniejsza gęstość ułożenia atomów w płaszczyznach sprawia, że naprężnie krytyczne τ kr jest duże. Naprężenie τ kr w monokrysztale Fe (sieć RPC) w temperaturze pokojowej wynosi około 15 MPa. W monokryształach o sieci RSC naprężnie to jest niższe i dla Al i Cu wynosi 0,55 1 MPa, dla Ni 3,3 7,5 MPa. W monokryształach o sieci HZ naprężenie to np. dla Cd, Zn i Mg wynosi odpowiednio 0,13; 0,3 i 0,5 MPa. Naprężenie teoretyczne τ potrzebne do zrealizowania poślizgu przy nieobecności dyslokacji, czyli przy założeniu przezwyciężenia siły wiązań atomowych na całej płaszczyźnie poślizgu, jest razy większe od powyższych naprężeń krytycznych.

20 Po wyczerpaniu możliwości poślizgu (zablokowanie dyslokacji) odkształcenie monokryształu realizuje się poprzez bliźniakowanie. Bliźniakowanie wymaga znacznie większych naprężeń niż poślizg, dlatego zachodzi w drugiej kolejności. Bliźniakowanie występuje przede wszystkim w kryształach o sieci HZ (Mg, Ti, Zn), które mają mniejszą liczbę systemów poślizgu od sieci RSC i w kryształach o sieci RPC (Fe ά, Mo, W), w których naprężenia krytyczne poślizgu są większe ze względu na brak płaszczyzn zwarcie wypełnionych atomami, jak w RSC (Cu, Al, Ni).

21 Bliźniak jest segmentem kryształu składającym się z przesuniętych po sobie warstw. Dwie skrajne płaszczyzny ograniczające bliźniak nazywane są płaszczyznami bliźniakowania. Bliźniak ma strukturę sieci (ułożenie atomów) będącą lustrzanym odbiciem względem płaszczyzny bliźniakowania struktury nieodkształconej części kryształu. Schemat odkształcenia plastycznego monokryształu przez bliźniakowanie

22 Odkształcenie plastyczne w materiale polikrystalicznym realizuje się przez poślizg w wielu różnych ziarnach jednocześnie. Ziarna są pojedynczymi kryształami różnie zorientowanymi w przestrzeni, nawzajem ograniczają się i odkształceniu jednego ziarna musi towarzyszyć jednoczesne odkształcenie ziaren sąsiednich. Z tego powodu poślizgom w jednym ziarnie w określonym systemie poślizgu towarzyszą poślizgi w ziarnach sąsiednich, w tym samym lub innym systemie. Proces tworzenie się poślizgów jest hamowany granicami ziarn.

23

24 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

25 Odkształcenie metali F m F e Siła F R m = F m A 0 F=0 F s F=0 u R e = F e A 0 Odkształcenie u A l l = l z = 0 A A A % 100% l 0 A 0

26 σ = P/S P - siła S - przekrój pręta σ B σspr ε trwałe = L 1 /L 0 ε = L/L 0 A C ε spr ε Zależność między odkształceniem względnym ε, a naprężeniem σ w czasie rozciągania pręta polikrystalicznego.

27 Odcinek prostoliniowy - od współrzędnych (0,0) do (ε spr, σ spr ) reprezentuje sprężyste odkształcenie pręta, zgodne z zależnością - prawem Hooke a: gdzie: σ - naprężenia, σ = P/S = siła rozciągająca / przekrój pręta; ε = L / L 0, ε = σ E E moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga)

28 Początkowy odcinek na wykresie rozciągania jest dokładnie prostoliniowy tylko dla monokryształów. W materiałach polikrystalicznych odcinek ten ma pewną krzywiznę wynikającą z obecności wielu ziaren o różnej orientacji oraz obecności dyslokacji. σ Materiał sprężysto-plastyczny ze wzmocnieniem nieliniowym, z wyraźną granicą plastyczności R eh R el ε

29 σ wzmocnieniem nieliniowym, z wyraźną granicą plastyczności R eh R el Granica plastyczności naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach ε Górna granica plastyczności (R eh ) - wywołana odrywaniem dyslokacji od atmosfer atomów obcych Dolna granica plastyczności σ d (R el ) zależna od wielkości ziarna, zgodnie z równaniem Halla-Petcha R ed = σ 0 + kd (-1/2) d wielkość ziarna, k stała, σ 0 - naprężenie tarcia sieci

30 Odkształcenie plastyczne metalu na zimno powoduje zmiany: kształtu i wymiarów elementu, mikrostruktury, stanu naprężeń, właściwości. Zgniot - całokształt zmian w materiale, wywołany odkształceniem plastycznym. Gniot (stopień gniotu) = (S 0 S)/S 0 x 100%, S 0 początkowe pole przekroju poprzecznego materiału, S pole po odkształceniu

31 Struktura włóknista - wydłużone ziarna w materiale polikrystalicznym odkształconym plastycznie, ułożone w jednym kierunku. Tekstura zgniotu uprzywilejowana orientacja ziaren w materiale polikrystalicznym, wywołana odkształceniem plastycznym. Przy dużym gniocie, np. 40% w metalach o sieci A1, płaszczyzna i kierunki poślizgu mają tendencję do układania się w kierunku przyłożonego naprężenia. Tekstura decyduje o anizotropii właściwości mechanicznych i fizycznych metali (różnicy właściwości w zależności od kierunku).

32 a) b) 50 µm (a) Równoosiowe ziarna w stopie jednofazowym przed odkształceniem plastycznym; (b) wydłużone ziarna i pasma poślizgu w ziarnach jednofazowego stopu po odkształceniu plastycznym na zimno, struktura włóknista

33 Gniot na zimno powoduje powstanie naprężeń tzw. własnych: I rodzaju - submikroskopowych, występujących wewnątrz ziaren, spowodowanych odkształceniami w obrębie ziaren, II rodzaju - mikroskopowych, występujących między ziarnami, w wyniku wzajemnych komplementarnych odkształceń ziaren, III rodzaju - makroskopowych, spowodowanych nierównomiernym odkształceniem na przekroju wyrobu. Naprężenia własne są niekorzystne; mogą powodować niepożądane odkształcenia wyrobu i pęknięcia.

34 Gniot (stopień gniotu) = = ( S S ) 0 S S 0 początkowe pole przekroju poprzecznego materiału, S pole przekroju po odkształceniu 0 100% Przykład zmian właściwości mechanicznych (umocnienia) materiału metalowego w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno

35 Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych metali wywołanych odkształceniem plastycznym: spadek przewodności elektrycznej, przenikalności i podatności magnetycznej wzrost histerezy magnetycznej spadek odporności na korozję

36 Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wzrost energii wewnętrznej materiału wskutek zwiększenia ilości defektów sieci krystalicznej W zależności od rodzaju materiału i gniotu, 2 10 % pracy mechanicznej włożonej w odkształcenie pozostaje w materiale, reszta zamienia się w ciepło i jest rozproszona na zewnątrz.

37 Materiał odkształcony na zimno jest w stanie metastabilnym dąży do wydzielenia nadmiaru energii. Proces ten jest aktywowany cieplnie, tzn. zachodzi tym szybciej, im wyższa jest temperatura materiału, a dla większości materiałów w temperaturze pokojowej przebiega na tyle wolno, że nie daje żadnych skutków praktycznie zmieniających właściwości materiału przez dowolnie długi czas. Proces powrotu materiału odkształconego na zimno do stanu stabilnego dzieli się na dwa podstawowe stadia zdrowienie statyczne i rekrystalizację statyczną.

38 1. Aktywowana cieplnie migracja atomów międzywęzłowych i równoczesna migracja wakansów skutkująca zmniejszeniem stężenia wakansów 2. Przegrupowania dyslokacji (poligonizacja) i anihilacja dyslokacji (np. rekombinacja atomów miedzywęzłowych z lukami oraz dyslokacji o przeciwnych wektorach Burgersa) 3. Rozrastanie się podziaren w uprzywilejowanych kierunkach Zdrowienie statyczne Podczas zdrowienia, struktura materiału nie ulega zasadniczej przebudowie!

39 Poligonizacja prowadzi do zgrupowania dyslokacji w pewnych płaszczyznach, przez co powstają podziarna, różniące się między sobą orientacją sieci krystalicznej (różnice te są rzędu tylko stopnia). Przegrupowania dyslokacji: a) tworzenie ścianek poligonalnych, b) łączenie się ścianek, c) zanik ścianek przez wspinanie dyslokacji (1-3 kolejne stadia)

40 W trakcie dalszego zdrowienia możliwe jest także zrastanie podziaren o małych różnicach orientacji sieci krystalograficznej Możliwy zrost ziaren o małym kącie dezorientacji podczas zdrowienia.

41 Skutki zdrowienia: Wyzwolenie całości lub części energii zmagazynowanej, zanik całkowity lub częściowy naprężeń i zmiany właściwości materiału przeciwne wywołanym odkształceniem całkowite przy braku rekrystalizacji lub małe przy dalszej rekrystalizacji. Układ dyslokacji utworzony przez poślizgi w jednym systemie, przy małym stopniu zgniotu, nie skutkuje powstaniem zarodków rekrystalizacji w ostatnim etapie zdrowienia, a następnie rekrystalizacją metalu Układ dyslokacji utworzony przez poślizgi w wielu systemach prowadzi do powstania subziaren o dużym stopniu dezorientacji, stanowiących zarodki rekrystalizacji.

42 Rekrystalizacja statyczna proces przebiegający w materiale odkształconym plastycznie na zimno, w temperaturze wyższej niż zdrowienie, polegający na rozroście zarodków ziaren utworzonych w czasie zdrowienia, aż do całkowitego przekrystalizowania zgniecionego materiału. Niezbędny jest pewien gniot krytyczny Granice rosnących ziarn migrują w stronę zgniecionej osnowy pochłaniając dyslokacje i defekty punktowe.

43 W trakcie rekrystalizacji dochodzi do całkowitej przebudowy struktury ziaren polikryształu i ich granic. Gęstość dyslokacji zostaje zredukowana o cztery do sześciu rzędów wielkości i w konsekwencji wiele własności fizycznych materiału zostaje poważnie zmodyfikowanych (twardość, ciągliwość, opór elektryczny, struktura domen magnetycznych i inne). Podobnie jak zdrowienie, rekrystalizacja jest procesem aktywowanym termicznie.

44 Wielkość ziarna po odkształceniu plastycznym i rekrystalizacji

45 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 Zmiany twardości metalu odkształconego plastycznie na zimno w zależności od temperatury następnego wyżarzania i stopnia gniotu Z

46 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

47 Rekrystalizacja wtórna selektywny rozrost ziaren o uprzywilejowanej orientacji, co prowadzi do silnego zróżnicowania rozmiarów ziaren i znacznego udziału w objętości ziaren dużych. Charakterystyczna cecha materiału o strukturze gruboziarnistej: wysoka kruchość. Rozrost ziarna podczas rekrystalizacji wtórnej. Ziarna o wypukłych granicach kurczą się, zaś ziarna z granicami wklęsłymi rozrastają się Przykładowa zmiana konfiguracji granic ziaren (w 2 wymiarach) podczas rekrystalizacji wtórnej

48

49 Zmiany właściwości metalu w funkcji temperatury wyżarzania po odkształceniu plastycznym na zimno: 1 naprężenia, 2 wielkość ziarna, 3 wytrzymałość na rozciąganie, 4 wydłużenie

50

51 Wpływ stopnia odkształcenia na temperaturę rekrystalizacji i wielkość ziarna po rekrystalizacji Al 99,99% (wygrzewanie 1 godzina). 1 temperatura rekrystalizacji, 2 wielkość ziarna większy gniot => większa wartość energii zmagazynowanej => obniżenie T R

52

53 Na temperaturę rekrystalizacji wpływają: Czystość metalu: zanieczyszczenia ograniczają ruchliwość granic ziarn => podwyższenie T R Drobnoziarnistość mały rozmiar ziarn => obniżenie T R Temperatura odkształcenia plastycznego mała wartość => obniżenie T R

54 Gniot krytyczny przeważnie w przedziale 2-12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie gruboziarnistą strukturę. Zależność rozmiaru ziarna po wyżarzaniu od gniotu

55 Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną wyrobów, które będą podlegać rekrystalizacji, należy unikać odkształcenia krytycznego. Przyczyną silnego rozrostu ziarna jest mała ilość zarodków rekrystalizacji. Po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, ponieważ odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji, tj. podziaren o szerokokątowych granicach.

56

57 3. TECHNICZNE ASPEKTY ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO Temperatura rekrystalizacji stanowi kryterium podziału zabiegów: Obróbki plastycznej na zimno obróbka poniżej temperatury rekrystalizacji. Ma miejsce zgniot. Obróbki plastycznej na gorąco obróbka powyżej temperatury rekrystalizacji. Równolegle ze zgniotem zachodzi rekrystalizacja.

58 Zapamiętać: Materiały metaliczne są ciałami plastycznymi pod wpływem obciążenia, którego wartość przekracza granicę sprężystości, zmieniają swoje wymiary i kształt bez utraty spójności (bez zniszczenia). Odkształcenie plastyczne na zimno odbywa się przez: Poślizg wzajemne przemieszczanie się jednej części kryształu względem drugiej (sieć krystaliczna przemieszczonych części kryształu nie ulega zmianie) wzdłuż linii i pasm poślizgu. Bliźniakowanie- jednorodne ścinanie kolejnych warstw atomów. Umocnienie odkształceniowe zachodzi w materiale podczas jego deformacji. Zmiany zachodzące w jego strukturze i własnościach to zgniot,. Jego miara jest stopień gniotu (ubytek przekroju w procentach

59 Zapamiętać c.d. Materiał, który został poddany zdrowieniu zawiera mniej energii zmagazynowanej niż bezpośrednio po odkształcaniu i przez to jest bardziej stabilny termodynamicznie. Proces rekrystalizacji prowadzi do powstania w materiale nowych ziaren, które zawierają mniej dyslokacji niż ziarna odkształcone Rekrystalizacja pierwotna prowadzi do stopniowego powstawania nowych ziaren. W materiale tworzy się nowa, prawie niezaburzona struktura, a procesowi temu towarzyszy wydzielanie się z materiału energii zmagazynowanej. Proces ten trwa do momentu aż w całym uprzednio odkształconym materiale powstaną nowe ziarna. Jeżeli materiał był poddany odkształceniu równemu lub mniejszemu zgniotowi krytycznemu (2 10%) to po rekrystalizacji będzie on miał strukturę gruboziarnistą. W tym przypadku ilość energii zmagazynowanej jest zbyt mała by mogły powstać zarodki nowych ziaren.