8 Ćwiczenie 1 ODKSZTAŁCANIE NA ZIMNO I WYŻARZANIE MATERIAŁÓW Celem ćwiczenia jest: - poznanie zjawisk wywołujących umocnienie materiałów, - poznanie wpływu wyżarzania odkształconego na zimno materiału na jego właściwości i podatność do obróbki plastycznej, - ocena wpływy odkształcenia i temperatury na zmiany struktury materiału. 1. WPŁYW ODKSZTAŁCENIA NA WŁAŚCIWOŚCII STRUKTURĘ MATERIAŁU Odkształcenie materiału zachodzi pod wpływem przyłożonego do niego obciążenia. Rozróżnia się odkształcenie sprężyste, znikające po usunięciu obciążenia, oraz odkształcenie plastyczne, pozostające po odciążeniu materiału. Między odkształceniem sprężystym a plastyczny istnieje zasadnicza różnica fizyczna. Odkształcenie sprężyste wynika ze zmiany odległości między atomami sieci krystalicznej pod działaniem siły zewnętrznej. Gdy przyczyna wywołująca odkształcenie obciążenie przestaje działać, atomy wracają do poprzednio zajmowanych położeń równowagi i efekt odkształcenia sprężystego zanika. Odkształcenie plastyczne jest procesem odmiennym i o wiele bardziej złożonym. Zachodzi ono w wyniku wzajemnego przemieszczania się warstw atomów. Atomy zajmują nowe położenia, które są położeniami równowagi, przez to materiał zachowuje trwale nadany mu kształt. Wyróżnia się dwa główne mechanizmy odkształcenia plastycznego: poślizg dyslokacyjny i bliźniakowanie. Duże odkształcenia plastyczne, jakie są konieczne do realizowania procesów obróbki plastycznej, uzyskuje się przede wszystkim przez poślizg, bliźniakowanie bowiem pozwala otrzymać znacznie mniejsze odkształcenia.
9 Poślizg jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej wzdłuż tzw. płaszczyzn poślizgu, bez zmiany budowy krystalicznej obu części kryształu. Poślizgi zachodzące wzdłuż pojedynczych płaszczyzn skupiają się obok siebie, tworząc pasma poślizgu, których grubość wynosi średnio około 100 parametrów sieci (rys. 1). Przemieszczenie występuje lokalnie, prostopadle do krawędzi dyslokacji, która przemieszcza się w płaszczyźnie poślizgu jak fala na morzu. Po przejściu dyslokacji materiał jest przesunięty o jeden parametr sieci, dlatego nawet małe plastyczne odkształcenie wymaga przemieszczenia dużej liczby dyslokacji. Na rysunkach 2 a i b przedstawiono odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio dyslokacji krawędziowej i śrubowej. Rys. 1. Schemat rozmieszczenia linii i pasm poślizgu a Krawędź dyslokacji Płaszczyzna poślizgu b Płaszczyzna poślizgu Rys. 2. Odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio dyslokacji krawędziowej (a) i śrubowej (b)
10 Poślizg nie zachodzi jednocześnie we wszystkich możliwych płaszczyznach i kierunkach poślizgu. Do procesu odkształcania włączają się kolejno te płaszczyzny i kierunki poślizgu, które są najbardziej uprzywilejowane względem kierunku działania sił zewnętrznych. Podczas odkształcania zwiększa się liczba aktywnych płaszczyzn poślizgu oraz swobodnych dyslokacji, które są generowane w trakcie odkształcenia. Dochodzi wówczas do krzyżowania się pasm poślizgu co powoduje wzajemne blokowanie się dyslokacji. Dalsze odkształcanie plastyczne wymaga wówczas przyłożenia większego naprężenia, w celu uruchomienia nowych dyslokacji lub ich wyrwania z obszarów zablokowanych. Proces wzrostu naprężenia wraz z odkształceniem nazywa się umocnieniem odkształceniowym materiału. Okazuje się więc, że naprężnie uplastyczniające σ p zależy od gęstości dyslokacji. W przypadku małej gęstości, naprężenie uplastyczniające jest duże, ponieważ jest mało płaszczyzn, w których zachodzi poślizg. Następnie naprężenie zmniejsza się wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji, ale tylko do pewnej granicy. Osiągnąwszy minimalną wartość przy tzw. krytycznej gęstości dyslokacji ρ kr, jaką ma wyżarzony materiał, naprężenie uplastyczniające ponownie zaczyna wzrastać wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji (rys. 3). Dążenie do uzyskanie dużej wytrzymałości poprzez zmniejszenie gęstości dyslokacji jest technicznie bardzo trudne. Obecnie udało się uzyskać jedynie kryształy o bardzo małej średnicy, które nie zawierają dyslokacji wiskersy jednakże w momencie pojawienia się w nich dyslokacji następuje gwałtowne ich rozmnożenie i spadek naprężenia. σ p ρ kr ρ Rys.3. Wpływ gęstości dyslokacji na naprężenie uplastyczniające Wzrost naprężenia uplastyczniającego wraz ze zwiększeniem gęstości dyslokacji jest spowodowane przede wszystkim wzajemnym oddziaływaniem dyslokacji oraz ich blokowaniem na granicach ziaren, różnych wydzieleniach i wtrąceniach. Na rysunku 4 przedstawiono kolejne zmiany podstruktury dyslokacyjnej metalu w trakcie odkształcania. Podczas odkształcania następuje wzrost gęstości dyslokacji od wartości ρ = 10 10 m 2 - materiał wyżarzony ( rys. 4a) -do wartości ρ = 10 15 10 16 m 2 - materiał bardzo silnie odkształcony ( rys. 4d).
11 Sploty dyslokacji utworzone przez zablokowanie tworzących się dyslokacji Rys. 4. Kolejne stadia zmiany podstruktury dyslokacyjnej podczas odkształcania na zimno Podstruktura dyslokacyjna może być obserwowana na mikroskopie elektronowym (rys. 5) Sploty dyslokacji Rys. 5. Podstruktura dyslokacyjna podczas odkształcania (mikroskop elektronowy) Wzrost gęstości dyslokacji podczas odkształcania powoduje zwiększenie energii wewnętrznej związanej z deformacją sieci krystalograficznej. W materiale odkształcanym na zimno od 1 do 10 % całej pracy odkształcenia plastycznego jest zatrzymane w materiale. Reszta pracy odkształcenia plastycznego zamieniana jest na ciepło, dlatego podczas odkształcania obserwowany jest znaczny wzrost temperatury materiału. Podczas odkształcania, oprócz wzrostu gęstości dyslokacji, rozdrobnienia ziaren i powstania podziaren dochodzi, do powstania tekstury odkształcenia. Tekstura oznacza taką budowę materiału, dla której poszczególne ziarna mają zbliżoną orientację krystalograficzną. Np wydłużenie ziaren w jednym kierunku w wyniku procesu walcowania powoduje (rys. 6), że uzyskują one podobną orientację krystalograficzną. W miarę zwiększania się odkształcenia stopień steksturowania staje się coraz większy i przy bardzo dużych odkształceniach zbliża się do 100%, co oznacza że wszystkie ziarna mają w przybliżeniu jednakową orientację krystalograficzną.
12 Rys. 6. Zmiana kształtu ziaren w trakcie procesu walcowania Tekstura materiału powoduje anizotropowość jego własności, tj. uzależnienie ich od kierunku badania. Panuje na ogół przekonanie, że materiały anizotropowe są niepożądane. Należy jednak podkreślić, że trzeba raczej dążyć do umiejętnego wykorzystania anizotropowych właściwości materiałów, a nie do ich eliminacji. Na przykład procesy kształtowania powinny być tak projektowane, aby największe obciążenie wyrobów podczas eksploatacji pokrywało się z kierunkiem największej wytrzymałości materiału, bądź kierunek największej plastyczności materiału pokrywał się z kierunkiem największych odkształceń w danym procesie. O dużym znaczeniu właściwościanizotropowych materiału świadczy między innymi fakt, że blacha charakteryzująca się dużą anizotropią normalną, która wyraża się stosunkiem średnich odkształceń mierzonych w płaszczyźnie blachy do odkształceń określanych w kierunku grubości blachy, wykazuje lepszą podatność do najczęściej stosowanych operacji tłoczenia. Odkształcenie plastyczne wytwarza stan naprężenia w materiale, który może obejmować cały przedmiot lub tylko jego część, naprężenia te nazywane są naprężeniami własnymi. Biorąc pod uwagę obszar występowania naprężenia własne dzieli się na: - Pierwszego rodzaju naprężenia równoważące się między poszczególnymi warstwami materiału. Na przykład, w pręcie zginanym powyżej granicy plastyczności warstwy leżące koło warstwy obojętnej odkształcają się tylko sprężycie. Odkształcenie sprężyste tych warstw po odciążeniu pręta nie zanika, gdyż jest blokowane przez warstwy zewnętrzne i wewnętrzne, które uległy odkształceniu plastycznemu. Zatem pomiędzy tymi warstwami musi wystąpić naprężenie, pomimo braku zewnętrznego obciążenia. - Drugiego rodzaju naprężenia występujące pomiędzy poszczególnymi ziarnami. Na przykład, w stali perlitycznej odkształcanej nieco powyżej granicy plastyczności, odkształceniu trwałemu podlegać będą głownie płytki ferrytu, płytki cementytu, jako znacznie twardsze, pozostaną w stanie sprężystym. Po usunięciu obciążenia płytki cementytu mogłyby powrócić do początkowych wymiarów, ale odkształcone płytki ferrytu nie dopuszczają do tego. Płytki ferrytu i cementytu
13 pozostają w stanie naprężeń własnych drugiego rodzaju. - Trzeciego rodzaju naprężenia wewnątrz pojedynczego ziarna, wynikające z powstających defektów sieci w trakcie odkształcenia. Najistotniejsze są naprężenia własne pierwszego rodzaju, gdyż mogą powodować krzywienie a nawet samorzutne pękanie przedmiotu. Pękanie to może wystąpić po znacznym upływie czasu pękanie takie nosi nazwę pękania sezonowego. W przypadku szkodliwego działania naprężeń własnych należy je usunąć, stosując obróbkę cieplna zwaną wyżarzeniem odprężającym. Zachowanie się materiału w trakcie odkształcania plastycznego odzwierciedlają krzywe umocnienia (charakterystyki plastyczności) wyrażające zmianę naprężenia uplastyczniającego σ p w funkcji zastępczego odkształcenia plastycznego ε. Próba rozciągania jest najprostszą metodą wyznaczania charakterystyk plastyczności. Ujemną stroną próby rozciągania jest to, że poprawnie pozwala wyznaczyć krzywe umocnienia w zakresie niedużych odkształceń, gdyż w próbie tej szybko dochodzi do lokalizacji odkształcenia. W próbie rozciągania wyznaczana jest siła rozciągająca oraz wydłużenie próbki, wielkości te następnie przeliczane są na naprężenie oraz odkształcenie z następujących równań, przy założenie że w próbce rozciąganej występuje jednoosiowy stan naprężenia. odkształcenie P σ p = σ 1 = (1) A ε p = ln l (2) l 0 gdzie: P siła rozciągająca, A przekrój rzeczywisty próbki, l 0 początkowa długość pomiarowa próbki, l końcowa długość pomiarowa próbki. Znajomość krzywych umocnienia ma duże znaczenie praktyczne, pozwala na ustalenie parametrów obróbki plastycznej oraz właściwości kształtowanych elementów. Typową krzywą rozciągania z wyraźną granicą plastyczności przedstawiono na rys. 7. Na krzywej tej można wyróżnić charakterystyczne punkty: Granica proprcjonalnosci punkt A. W zakresie od punktu O do A zależność pomiędzy odkształceniem a naprężeniem jest liniowa i jest opisana przez moduł Younga. Wyraźna granica plastyczności - punkt B określa koniec czystego sprężystego odkształcania i początek odkształceń plastycznych. Wyraźna granica plastyczności występuje, gdy do zapoczątkowania plastycznego płynięcia metali niezbędne jest większe
14 naprężenie niż do dalszego odkształcania. Zgodnie z teorią Cottrella-Bilby ego wyraźna granica plastyczności materiału jest spowodowana przez domieszki międzywęzłowe, które poprzez zajmowanie miejsc wokół dyslokacji powodują ich blokowanie. Do oderwania dyslokacji od tych grup atomów międzywęzłowych potrzebne jest większe naprężenie, odpowiada temu górna granica plastyczności, niż do dalszego przemieszania dyslokacji dolna granica plastyczności punkt C. Dla czystych metali, nie zawierających atomów domieszek, nie występuje wyraźna granica plastyczności i wówczas moment przejścia w stan plastyczny określa się jako umowną granicę plastyczności, jest to punkt w którym materiał ulega trwałemu odkształceniu równemu 0,002. Dalsze odkształcanie odbywa się w obszarze plastycznym, lecz materiał zachowuje się jak sprężysto plastyczny, co oznacza że odkształcenie w punkcie D składa się z odkształcenia plastycznego i sprężystego. Podczas odciążania materiału odkształcenie sprężyste zanika zgodnie z linią DE. Po całkowitym odciążeniu materiał pozostaje tylko odkształcony plastycznie. Podczas ponownego odkształcenie materiał plastycznie odkształca się dopiero od punktu D, który jest nową granicą plastyczności. Jest to wynikiem wcześniej opisanego wzrostu gęstości dyslokacji i jest nazywane umocnieniem odkształceniowym materiału. Rys. 7. Zależność naprężenia od odkształcenia uzyskana w próbie rozciągania W procesach objętościowej przeróbki plastycznej (kucie, wyciskanie, walcowanie
15 itp) odkształcenia sprężyste, ze względu na małą wartość w porównaniu do odkształceń plastycznych, są najczęściej pomijane. Natomiast w przypadku kształtowania blach, gdy odkształcenia plastyczne są znacznie mniejsze, odkształcenia sprężyste nie powinny być pomijane. Na podstawie krzywej umocnienia można wnioskować o podatności materiału do obróbki plastycznej. Umocnienie odkształceniowe, związane ze wzrostem gęstości dyslokacji, powoduje zmianę właściwości mechanicznych materiału odkształcanego na zimno. Zmianę taką w zależności od wielkości odkształcenia plastycznego dla czystego żelaza przedstawiono na rys. 8. Właściwości wytrzymałościowe wraz ze wzrostem odkształcenia zwiększają się natomiast właściwości plastyczne maleją. Rys. 8. Zmiana właściwości żelaza wraz z odkształceniem [5]
16 2. WPŁYW PODWYŻSZONEJ TEMPERATURY NA WŁAŚCIWOŚCI I STRUKTURĘ ODKSZTAŁCONEGO MATERIAŁU Podczas wyżarzania materiału umocnionego zachodzą w nim kolejno następujące zjawiska: - zdrowienie statyczne, - rekrystalizacja statyczna - rozrost ziaren rekrystalizacja wtórna Przebieg tych zjawisk w zależności od temperatury przedstawiono schematycznie na rys. 9. Natomiast zakresy temperatur występowania poszczególnych zjawisk dla wybranych materiałów przedstawiono w tab. 1. Rys. 9. Wpływ temperatury wyżarzania na wielkość ziarna i właściwości materiału [6]
17 Zdrowienie statyczne Pierwszym zjawiskiem zachodzącym podczas nagrzewania odkształconego materiału jest zdrowienie statyczne, powoduje ono zmianę jego właściwości mechanicznych wywołaną zmniejszeniem gęstości dyslokacji oraz ich przegrupowaniem. Właściwości charakteryzujące opór plastyczny, takie jak: granica plastyczności, wytrzymałość, twardość - maleją, natomiast właściwości charakteryzujące plastyczność materiału, tzn. wydłużenie, przewężenie - wzrastają. Zjawisko to nosi nazwę zdrowienia. Proces zdrowienia ulega bardzo szybkiej intensyfikacji wraz ze wzrostem temperatury, ponieważ zachodzi również już przy niskich temperaturach, trudno określić temperaturę początku zdrowienia. Natomiast górna temperatura procesu zdrowienia jest początkową temperaturą rekrystalizacji. Zdrowienie statyczne zachodzi w wyniku poślizgu poprzecznego, wspinania, kombinacji i anihilacji dyslokacji. Przykład wspinania się dyslokacji przedstawiono na rysunku 10. Dyfundująca wakancja Rys. 10. Kolejne etapy wspinania się dyslokacji krawędziowej przez dyfuzję wakancji w kierunku dyslokacji Zdrowienie prowadzi do stopniowego zmniejszenia naprężenia uplastyczniającego. Charakteryzuje się ono tym że rozpoczyna się natychmiast, bez okresu inkubacyjnego. Ewolucję struktury komórkowej podczas zdrowienia statycznego przedstawiono na rys. 11. Proces zdrowienia przebiega jednorodnie w całej masie materiału z coraz to mniejszą prędkością, ponieważ zmniejsza się siła napędowa w wyniku dążenia dyslokacji do zajmowania stanów o niższej energii. Przekształcenie podstruktury zachodzi poprzez anihilację zbędnych dyslokacji w ścianach komórek i przegrupowaniu dyslokacji w tych ścianach w bardziej uporządkowane układy (rys. 11b). Gdy ściany komórek stają się wyraźniejsze i dyslokacje z ich wnętrza przemieszczają się do nich, następuje poligonizacja komórek w podziarna. Rozrost podziarn zachodzi poprzez rozpad słabszych ścian w wyniku ruchu dyslokacji do bardziej stabilnych granic podziarn (rys. 11c i d). Prędkość zdrowienia może być przyśpieszona w wyniku nałożenia niedużych naprężeń, które ułatwiają przegrupowania dyslokacji.
18 Granice podziaren są to granice wąskokątowe. Kąt dezorientacji sieci dla takiej granicy wynosi na ogół 0,1 2. Natomiast granice ziaren są szerokokątowe, kąt dezorientacji sieci jest wówczas znacznie większy Rys. 11. Ewolucja struktury podczas zdrowienia statycznego: struktura dyslokacyjna po odkształceniu (a), kolejne stadia ewolucji struktury (b), (c), (d), podgranice w stali austenitycznej po długotrwałym zdrowieniu (e) [1] Tabela 1 Temperatura wyżarzania odprężającego, rekrystalizacji, wyżarzania rekrystalizującego oraz obróbki plastycznej na gorąco niektórych materiałów Materiał Temperatura w K Wyżarzania odprężającego Rekrystalizacji Wyżarzania rekrystalizującego Obróbki plastycznej na gorąco Miedź 570 450-500 770-970 1170-1320 Aluminium 420 420 640-670 620-720 Ołów - 288-293 - 370-420 Cyna - 283-298 320-370 420-440 Cynk - 293-420 Tombak 90% Cu 550-620 610-620 920-1090 1170-1220 Mosiądz 62% Cu 570 620-640 870-970 1070-1120 Stal 0,1 % C 670-720 670-720 870-1470 1120-1470 Procesowi zdrowienia towarzyszy również zanik naprężeń własnych. Ze względów użytkowych najczęściej potrzebne jest usunięcie naprężeń własnych lub znaczne ich
19 zmniejszenie z jednoczesnym zachowaniem właściwości mechanicznych odpowiadających stanowi odkształconemu. Obróbka cieplna wywołująca takie skutki nosi nazwę wyżarzania odprężającego (sezonowanie). Zakres temperatur wyżarzania odprężającego jest często bardzo wąski (tab. 1). Rekrystalizacja statyczna (pierwotna) Jeżeli pomimo wystąpienia proces zdrowienia w materiale zostaje zachowana odpowiednia ilość energii, podczas dalszego zwiększania temperatury wyżarzania w materiale zajdzie przez proces rekrystalizacji. Proces rekrystalizacji jest to proces tworzenia się zarodków ziaren o prawidłowej budowie, które tworzą nowe równoosiowe ziarna, kosztem ziaren odkształconych. Zrekrystalizowane ziarna można łatwo zidentyfikować ponieważ mają gładsze granice od ziaren odkształconych. Zarodki rekrystalizacji statycznej powstają w tych miejscach, gdzie spełnione jest następujący warunek: jest zmagazynowana duża ilość energii (granice ziaren, obszary w wokół wtrąceń). Zarodki rekrystalizacji statycznej, po odkształceniu na zimno, są rozłożone dość równomiernie w zdeformowanej strukturze. Okres inkubacji rekrystalizacji statycznej jest dość długi. Jest ona wyraźnie ograniczona zachodzącym procesem zdrowienia statycznego, który zmniejsza siłę napędową procesu rekrystalizacji statycznej. Pierwsze zrekrystalizowane ziarna przy niedużych stopniach odkształcenia pojawiają się głównie przy granicach ziaren pierwotnych, a w przypadku odkształceń przekraczających około 0,3 nowe ziarna pojawiają się także w obszarach przyległych do dużych cząstek drugiej fazy, pasmach ścinania itp. (rys. 12) Ziarno pierwotne Ziarna zrekrystalizowane powstałe na granicy ziaren pierwotnych Rys. 12. Początkowe stadium rekrystalizacji w otoczeniu granic ziaren, brąz krzemowy W miarę wzrostu temperatury i czasu wyżarzania powstałe ziarna rozrastają się kosztem otaczającego je odkształconego materiału tak długo, jak długo nie zostanie wyczerpany cały jego zapas. Końcowa wielkość ziaren w materiale zrekrystalizowanym zależy więc od liczby zarodków i prędkości ich wzrostu. Temperaturę rekrystalizacji T r można określić w przybliżeniu, w zależności od temperatury topnienia T t ze wzoru: T r =(0,35 0,6) T T (3)
20 T t temperatura topnienia Mechanizmy tworzenia się zarodków rekrystalizacji statycznej są następujące: Zarodkowanie zachodzi w wyniku koalescencji podziarn (rys. 13). Rys. 13. Tworzenie zarodka poprzez koalescencję podziarn A, B, C: struktura przed koalescencją (a), koalescencja podziarn A, B, C (b), utworzone w wyniku koalescencji granice szerokokątowe migrują w niezrekrystalizowaną osnowę (c) [2] Zarodkowanie na skutek migracji pierwotnych granic ziaren (rys. 14). Rys. 14. Zarodkowanie na skutek migracji pierwotnych granic ziaren: struktura po odkształceniu (a), wybrzuszanie i prostowanie się granic ziaren (b), zarodek rekrystalizacji statycznej (c), zarodek rekrystalizacji statycznej w stali austenitycznej utworzony w wyniku migracji pierwotnych granic ziaren (d i e) [1]
21 Powstanie zarodka rekrystalizacji statycznej w wyniku migracji granic podziarn (rys. 15). Rys. 15. Powstanie zarodka rekrystalizacji statycznej w wyniku migracji poziarn: struktura po odkształceniu (a), struktura podziarnowa (b), zarodek rekrystalizacji (c), przykład zarodkowania poprzez koalescencję poziaren (A) migrację podziarna (B) (d). Stal austenityczna [1] Rozrost ziaren - rekrystalizacja wtórna Przy przedłużaniu czasu wyżarzania, bądź wyżarzaniu w wyższej temperaturze, następuje dalszy rozrost jednych ziaren kosztem innych już zrekrystalizowanych, przez co liczba ich maleje, natomiast wielkość szybko rośnie. Ten proces rekrystalizacji nosi nazwę rekrystalizacji wtórnej. Ziarna powstałe w wyniku rekrystalizacji wtórnej w krótkim czasie osiągają duże wymiary, a w szczególnych przypadkach możliwe jest powstanie pojedynczych ziaren o wielkości do kilkuset mm 2. Główną siłą napędową tego rozrostu ziaren jest napięcie powierzchniowe granic ziaren. Z technologicznego punktu widzenia rekrystalizacja wtórna jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż pogarsza właściwości mechaniczne i plastyczne materiału. W niektórych tylko materiałach magnetycznych, jak stal transformatorowa, stopy FeNi, metale półprzewodnikowe, rekrystalizacja wtórna oddziałuje korzystnie, bowiem umożliwia otrzymanie lepszych właściwości magnetycznych.
22 W przypadku gdy wymienione procesy odbudowy struktury zachodzą w trakcie odkształcania materiału nazywane są one procesami dynamicznymi. Główna idea tych procesów jest podobna do procesów statycznych, jednakże przebiegają one w trochę inny sposób, ze względu na równoczesne oddziaływanie na strukturę materiału odkształcenia i temperatury. Ze względu na rodzaj zjawisk występujących w odkształcanym materiale procesy obróbki plastycznej są dzielone na: obróbkę plastyczną na gorąco w materiale występuje rekrystalizacja i zdrowienie dynamiczne, nie ma umocnienia odkształceniowego, zakres temperatur 0.6T t < T< 0.7T t, obróbka plastyczna na ciepło procesy dynamiczne są mocno ograniczone, występuje częściowe umocnienie odkształceniowe materiału, zakres temperatur 0.3T t < T< 0.5T t obróbka plastyczna na zimno nie występują procesy odbudowy odkształconej struktury, silne umocnienie odkształceniowe, zakres temperatur poniżej 0,3 T t Wielkość ziaren otrzymanych w procesie rekrystalizacji Wielkość ziarna jest bardzo istotnym parametrem decydującym o właściwościach materiału, dlatego niezbędna jest wiedza o wpływie parametrów obróbki plastycznej temperatury i wielkości odkształcenia - na wielkość ziarna. Na rysunku 16 przedstawiono wpływ wielkości i temperatury odkształcenia na wielkość ziaren po rekrystalizacji dla aluminium. Rys.16. Zależność wielkości zrekrystalizowanego ziarna od temp. i odkształcenia dla Al (99,6%) [3]
23 Z rysunku tego wynika, że w dwóch zakresach warunków odkształcania otrzymano niekorzystną gruboziarnistą strukturę. Pierwszy zakres występuje przy małych odkształceniach, w przedziale 0,03-0,07, kiedy w materiale jest zgromadzona mała ilość energii, która wystarcza jedynie do utworzenia niewielkiej ilości nowych zarodków. Ten zakres odkształceń nazywa się odkształceniem krytycznym. Dla większych odkształceń większej ilości energii zgromadzonej w materiale powstaje większa liczba zarodków i uzyskuje się wówczas drobniejsze ziarno zrekrystalizowane. Struktura gruboziarnista może wystąpić również podczas dużych odkształceń dla bardzo wysokich temperatur, kiedy następuje gwałtownym rozrost ziaren związany z rekrystalizacją wtórną. Ze względu na gorsze właściwości plastyczne i wytrzymałościowe materiału gruboziarnistego należy unikać stosowania odkształceń krytycznych, jeżeli materiał ma być poddany następnie wyżarzaniu. Pomijając istnienie odkształceń krytycznych, można stwierdzić, że wielkość ziaren po wyżarzaniu rekrystalizującym jest tym większa, im wyższa jest temperatura wyżarzania i dłuższy czas wyżarzania oraz im mniej zanieczyszczeń ma materiał. 3. CZĘŚĆ DOŚWIADCZALNA Cel : Określenie wpływu stopnia odkształcenia i temperatury wyżarzania na wielkość ziarna po rekrystalizacji statycznej dla aluminium. Wykorzystane zostaną specjalnie to tego przygotowane próbki wykonane z blachy aluminiowej, których wymiary przedstawiono na rys. 17. 20 200 Rys. 17. Wymiary próbek stosowanych w badaniach Przebieg ćwiczenia: W celu zrealizowania części doświadczalnej ćwiczenia należy: 1. Nanieść na 2 próbkach rysikiem siatkę koordynacyjną w postaci linii prostopadłych do osi próbki co 5 mm. 2. Przeprowadzić rozciąganie próbek aż do momentu zniszczenia próbek.
24 3. Wygrzać odkształcone próbki w piecu przez 20 min w temperaturze 500 i 600 C. 4. Wytrawić próbki w odczynniku Tuckera, w celu ujawnienia granic ziaren. 5. Określić wielkość ziaren próbek aluminiowych metodą Jeffriesa-Sałtykowa w 5 obszarach na długości próbki co 10 mm. Metoda ta polega na zliczeniu liczby ziaren na wybranej powierzchni próbki. Średnią powierzchnię ziarna określa się ze wzoru 6 P 10 A = (4) 2 z v 0,66 gdzie: A - średnia powierzchnia ziarna, μm 2, v - powiększenie liniowe, P - obserwowana powierzchnia w kształcie prostokąta bądź kwadratu, w mm 2 z- całkowita liczba ziaren; 0,66 - współczynnik uwzględniający, że płaszczyzna szlifu nie przecina wszystkich ziaren w miejscach ich największych wymiarów. Całkowitą liczbę ziaren określa się ze wzoru z = x + 0,5w + 1 (5) gdzie: x - liczba ziaren leżąca całkowicie wewnątrz obserwowanej powierzchni, w - liczba ziaren przeciętych bokami prostokąta bądź kwadratu 6. Wyznaczyć stopień odkształcenia w obszarach, w których dokonano pomiaru wielkości ziarna wykorzystując naniesioną siatkę koordynacyjną i równanie (2) 7. Wartości wyznaczone w punkcie 5 i 6 dla określonej temperatury wprowadzić do tab. 2. Tabela 2. Wzór tabeli. Lp Temperatura Odkształcenie Wielkość ziarna 8. Zbudować wykres przedstawiający zależność między wielkością ziarna a odkształceniem i temperaturą, korzystając z wartości z tab. 2 Sprawozdanie: W sprawozdaniu należy zamieścić: Opis prowadzonych prób
25 Tabelę 2 Wykres przedstawiający zależność pomiędzy wielkością ziarna a odkształceniem i temperaturą Wnioski i spostrzeżenia. LITERATURA [1] BLICHARSKI M.: Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT, Warszawa 2001. [2] DOBRZAŃSKI L.: Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, Warszawa 2002. [3] GRONOSTAJSKI Z.: Badania stosowane w zaawansowanych procesach kształtowania plastycznego, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław, 2003. [4] PRZYBYŁOWICZ K.: Strukturalne aspekty odkształcania metali, WNT, Warszawa 2002 [5] WESOŁOWSKI K.,. Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1966. [6] Mechanik - poradnik techniczny. T-3. cz. 1-2. PWT, Warszawa 1957.