ODKSZTAŁCENIE I REKRYSTALIZACJA METALI. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

ODKSZTAŁCENIE I REKRYSTALIZACJA METALI Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

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

1. ODKSZTAŁCENIE METALI Ciało stałe poddane wzrastającemu obciążeniu na zimno przechodzi przez następujące stadia: odkształcenie sprężyste (odwracalne) odkształcenie plastyczne (nieodwracalne) zerwanie (dekohezja) 3

a) g q 1 t t t q t 2 t b) t t Odkształcenie może realizować się poprzez ścięcie (a) lub wydłużenie (b) 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

t t Schemat położenia atomów w odkształconym sprężyście monokrysztale 6

W metalach odkształcenie sprężyste względne poprzez wydłużenie = DL/L 0 zwykle nie przekracza 1,5%, dalszy wzrost naprężeń wprowadza składową plastyczną odkształcenia. L 0 = DL / L 0 = (L 1 - L 0 ) / L 0 P P P 1 P 1 L 1 DL trwałe = L 1 - L 0 A B A) Schemat odkształcenia sprężystego (wydłużenia) pod wpływem siły P pręta swobodnego, po odjęciu siły pręt wraca do wyjściowych wymiarów B) schemat odkształcenia sprężysto-plastycznego pręta pod wpływem siły P1 odkształcenie pręta ma dwie składowe sprężystą i plastyczną, po odjęciu siły odkształcenie sprężyste zanika, pręt zachowuje odkształcenie plastyczne (trwałe) wydłużenie DL trwałe. 7

Odkształcenie plastyczne jest to takie odkształcenie materiału spowodowane przez działanie naprężeń, które pozostaje po zdjęciu naprężeń. Odkształcenie plastyczne na zimno w monokryształach może się realizować przez poślizg lub bliźniakowanie. Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego na zimno jest poślizg, który polega na równoległym przesunięciu jednej części kryształu względem drugiej. Schemat odkształcenia plastycznego monokryształu przez poślizg 8

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. Dzięki temu 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. 9

Schemat ruchu dyslokacji krawędziowej w płaszczyźnie poślizgu Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo WNT, Gliwice Warszawa 2002 10

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. 11

Typ sieci Przykłady metali Płaszczyzny i kierunki poślizgu w komórce strukturalnej Systemy poślizgu Oznaczenie Oznaczenie grupy grupy płaszczyzn kierunków równoważnych równoważnych Ilość systemów poślizgu A1 RSC - regularna ściennie centrowana Feg Ag Al Au, Cu Ni Pb {111} <110> 4 3 = 12 Fe Mo W {110} <110> 6 2 = 12 A2 RPC regularna przestrzennie centrowana Fe Mo W {211} <110> 12 1 = 12 Fe Cr Nb {321} <110> 24 1 = 24 A3 HZ heksagonalna zwarta Cd Mg Ti Zn {0001} <1120> 1 3 = 3 12

Uruchomienie dyslokacji (poślizgu) następuje w tym systemie poślizgu, w którym naprężenie ścinające t osiągnie minimalną wartość krytyczne naprężenie styczne t kr. 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 t kr jest duże. Naprężenie t kr w monokrysztale Fe a (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 t potrzebne do zrealizowania poślizgu przy nieobecności dyslokacji, czyli przy założeniu przezwyciężenia siły wiązań atomowych na całej płaszczyźnie poślizgu, jest 10 2 10 4 razy większe od powyższych naprężeń krytycznych. 13

Rozkład sił w rozciąganym monokrysztale walcowym t = = F/S 0 cos cos 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. 14

Schemat pokazujący powstawanie pasm poślizgu. Pokazano trzy warstwy (każda ma grubość około 1000 odległości atomowych) tworzące linię poślizgu. 15

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 a, Mo, W), w których naprężenia krytyczne poślizgu są większe ze względu na brak płaszczyzn zwarcie wypełnionych atomami, jak w RSC (Cu, Al, Ni). 16

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 17

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. 18

trwałe = L 1 /L 0 = DL/L 0 = P/S P - siła S - przekrój pręta B spr A C Zależność między odkształceniem względnym, a naprężeniem w czasie rozciągania pręta polikrystalicznego. Odcinek prostoliniowy od współrzędnych (0,0) do ( spr, spr ) reprezentuje sprężyste odkształcenie pręta, zgodne z zależnością prawem Hooke a: = / E gdzie: - naprężenia, = P/S = siła rozciągająca / przekrój pręta, = DL / L 0, E moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga) spr 19

Materiał sprężysto-plastyczny ze wzmocnieniem nieliniowym, z wyraźną granicą plastyczności R eh R el 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. Górna granica plastyczności (R eh ) wywołana odrywaniem dyslokacji od atmosfer atomów obcych Dolna granica plastyczności d (R el ) zależna od wielkości ziarna, zgodnie z równaniem Halla-Petcha R ed = 0 + kd (-1/2) d wielkość ziarna, k stała, 0 naprężenie tarcia sieci 20

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) = (A 0 A)/A 0 x 100%, A 0 początkowe pole przekroju poprzecznego materiału, A pole po odkształceniu. 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). 21

a) b) 50 m Równoosiowe ziarna w stopie jednofazowym przed odkształceniem plastycznym (a), wydłużone ziarna i pasma poślizgu w ziarnach jednofazowego stopu po odkształceniu plastycznym na zimno, struktura włóknista (b) 22

Gniot na zimno powoduje powstanie naprężeń: 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. 23

Gniot (stopień gniotu) = (A 0 A)/A 0 x 100% A 0 początkowe pole przekroju poprzecznego materiału A pole przekroju po odkształceniu Przykład zmian właściwości mechanicznych (umocnienia) materiału metalowego w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno 24

Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych metali wywołanych odkształceniem plastycznym: spadek przewodności elektrycznej, przenikalności i podatności magnetycznej wzrost histerezy magnetycznej spadek odporności na korozję 25

Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wzrost energii wewnętrznej materiału wskutek zwiększenia ilości defektów sieci krystalicznej defektów punktowych, dyslokacji oraz wskutek fragmentacji ziaren. 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. 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, ze 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 i rekrystalizację. 26

2. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA Zdrowienie proces wydzielania się z odkształconego plastycznie na zimno metalu energii zmagazynowanej dzięki wzajemnemu oddziaływaniu, przegrupowaniu przez wspinanie i anihilacji dyslokacji bez udziału migracji szerokokątowych granic ziaren. Przebieg zdrowienia: 1. Aktywowana cieplnie migracja atomów międzywęzłowych i równoczesna migracja wakansów skutkująca zmniejszeniem stężenia wakansów. 2. Przegrupowania dyslokacji i anihilacja dyslokacji. 3. Rozrastanie się podziaren w uprzywilejowanych kierunkach. 27

Przegrupowania dyslokacji: a) tworzenie ścianek poligonalnych b) łączenie się ścianek c) zanik ścianek przez wspinanie dyslokacji (1-3 kolejne stadia) 28

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. 29

Rekrystalizacja 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. Granice rosnących ziaren migrują w stronę zgniecionej osnowy, pochłaniając dyslokacje i defekty punktowe. Przed migrującym frontem rekrystalizacji znajduje się materiał zgnieciony z nadmiarem defektów sieci krystalicznej, za frontem materiał o strukturze pozbawionej nadmiaru defektów o niższej energii wewnętrznej. Wyróżnia się: rekrystalizację pierwotną rekrystalizację równomierną (rozrost ziaren) rekrystalizację wtórną 30

Zmiany właściwości metalu w funkcji temperatury wyżarzania po odkształceniu plastycznym na zimno: 1) naprężenia 2) wielkość ziarna 3) wytrzymałość na rozciąganie 4) wydłużenie 31

Rekrystalizacja pierwotna Aktywowany cieplnie proces całkowitego przekrystalizowania odkształconego plastycznie metalu. Udział ziaren zrekrystalizowanych i niezrekrystalizowanych zmienia się z upływem czasu. Zanikają całkowicie linie i pasma poślizgu, pozostają utwory bliźniacze. 32

Rekrystalizacja równomierna (rozrost ziaren) Proces wzrostu ziaren po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej. Rosną ziarna większe kosztem mniejszych. Siłą napędowa procesu jest zmniejszanie napięcia powierzchniowego granic ziaren. Następuje także prostowanie granic ziaren poprzez migrację w kierunku środka krzywizny. 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. 33

Temperatura rekrystalizacji Właściwość materiału mająca charakter umowny, która zależy od takich czynników jak: stopień gniotu, szybkość nagrzewania, czystość materiału, wielkość ziarna. Umownie przyjmuje się, że jest to temperatura, w której dany metal poddany określonemu odkształceniu zrekrystalizuje się całkowicie w ciągu 1 godziny. Temperaturę rekrystalizacji T R można wyznaczyć orientacyjnie ze wzoru Boczwara: T R = (0,35 0,60)T TOPNIENIA [K] 34

Wpływ stopnia odkształcenia na temperaturę rekrystalizacji i wielkość ziarna po rekrystalizacji Al 99,99% (wygrzewanie 1 godzina). 1) temperatura rekrystalizacji 2) wielkość ziarna 35

Gniot krytyczny Przeważnie w przedziale 2 12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie gruboziarnistą strukturę. Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną wyrobów, które będą podlegać rekrystalizacji, należy unikać odkształcenia krytycznego. Przyczyną silnego rozrostu ziarna jest mała liczba zarodków rekrystalizacji. Po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie zachodzi, ponieważ odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia zarodków rekrystalizacji, tj. podziaren o szerokokątowych granicach. 36

3. TECHNICZNE ASPEKTY ODKSZTAŁCENIA PLASTYCZNEGO Temperatura rekrystalizacji stanowi kryterium 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. Po odkształceniu plastycznym na zimno można stosować: Wyżarzanie odprężające w przedziale temperatur, w których zachodzi proces zdrowienia. Cel: usunięcie naprężeń. Wyżarzanie rekrystalizujące temperatury wyższe o około 200 300 o C od temperatury rekrystalizacji, a niższe od temperatury rekrystalizacji wtórnej. Cel: usunięcie umocnienia materiału przed dalszą obróbką plastyczną lub jako efekt końcowy. 37

Obróbka plastyczna na gorąco Temperatura procesu jest wyższa od temperatury rekrystalizacji, zwykle o 100ºC Brak umocnienia Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie Wyroby: blachy, pręty, kształtowniki (np. szyny kolejowe) Kąt chwytu walców Schemat walcowania 38

Kształtowanie zaworu silnika samochodowego: A) surowy pręt B) trzonek (wyciąganie na gorąco) C) głowa (spęczanie na gorąco) D) obróbka końcowa (skrawanie) 39

Obróbka plastyczna na zimno Temperatura procesu jest niższa od temperatury rekrystalizacji Umocnienie materiału. Przykład blachy stalowej walcowanej na zimno: Stan R m Półtwardy (Z = 25 %) 500 N/mm 2 Twardy (Z = 50 %) 650 N/mm 2 Wyżarzony 300 N/mm 2 Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie, gięcie Wyroby: taśmy, blachy i pręty o dokładnym wykończeniu powierzchni i podwyższonej wytrzymałości 40

Zapory wypychacza stempel Kształtowanie śruby spęczanie na zimno końca pręta 41