Politechnika Łódzka Wydział Mechaniczny Instytut Inżynierii Materiałowej LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH Ćwiczenie nr 4 Temat: Kształtowanie właściwości metodami technologicznymi. Łódź 2010
Cel ćwiczenia Celem poniższego ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z wpływem nagrzewania na zmianę własności mechanicznych oraz na strukturę metalu uprzednio poddanego odkształceniu plastycznemu na zimno. Wstęp teoretyczny Rekrystalizacja jest to proces polegający na przywróceniu zgniecionemu metalowi poprawnej struktury krystalicznej, a także własności fizycznych oraz mechanicznych jakimi się charakteryzował przed przeróbką plastyczną. Wiele defektów struktury sieciowej oraz duża gęstość dyslokacji sprawia, iż zgnieciony metal posiada większą energię wewnętrzną aniżeli metal wyżarzony lub odlany. Metal taki usiłuje wyzwolić nadmiar energii, czyli przejść ze stanu metastabilnego do stanu równowagi termodynamicznej. Dla większości metali w temperaturze pokojowej proces ten odbywa się bardzo powoli. Podwyższenie temperatury spowoduje przyspieszenie procesu. Natomiast niektóre plastycznie odkształcone metale, takie jak ołów, kadm, cyna, cynk są wyjątkiem, gdyż już w normalnych temperaturach ich budowa odkształconych ziarn może zmienić się z upływem czasu. Powrót metalu do stanu równowagi można podzielić na następujące etapy: 1. Zdrowienie oraz poligonizacja; 2. Rekrystalizacja pierwotna; 3. Rozrost ziarn; 4. Rekrystalizacja wtórna. Rys. 1. Wpływ temperatury wyżarzania na zmiany własności metalu po zgniocie: źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo". 2 S t r o n a
Podczas nagrzewania metalu do niezbyt wysokich temperatur, takich jak 300-400 C dla żelaza występują zjawiska związane z obniżeniem gęstości dyslokacji, a także gęstości defektów punktowych przy przekształceniu w ich przestrzennym położeniu. Takie zjawiska nazywamy ogólnie zdrowieniem. W następstwie procesu zdrowienia właściwości mechaniczne metalu takie jak twardość, plastyczność, czy wytrzymałość na rozciąganie zmieniają się w niewielkim stosunku. Natomiast większym zmianom ulegają własności fizyczne oraz chemiczne. Kolejnym etapem procesu rekrystalizacji jest poligonizacja. Proces ten występuje w wyższych temperaturach, aniżeli zdrowienie. Poligonizacja prowadzi do tworzenia się granic małego kąta (bloków). Bloki wolne od dyslokacji ulegają spiętrzeniu. W skutek tego zjawiska spada energia wewnętrzna metalu. Procesy zdrowienia oraz poligonizacji mogą utworzyć strukturę trwałą nawet w wysokich temperaturach, ale tylko wtedy gdy uprzedni zgniot był niewielki. Rys. 2. Szkic procesu poligonizacji a) Dowolne rozmieszczenie dyslokacji; b) Uszeregowanie dyslokacji krawędziowej na ścianach poligonalnych. źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo". Aby zgnieciony metal odzyskał właściwości oraz strukturę krystaliczną jakie posiadał przed przeróbką plastyczną należy go nagrzać powyżej odpowiedniej temperatury, którą nazywamy temperaturą rekrystalizacji. T r = (0,35-0,59) T t [K] T r - zależna od temperatury topnienia T t 3 S t r o n a
Materiał Temperatura [ C ] T top. T odprężania T rekryst. T wyżarz. rekryst. T kucia na gorąco W 3410 800 1200 1200 1300 1200 1800 Ni 1453 400 620 750 850 1100 1200 Cu 1083 150 180 230 400 500 800 1000 Al 660 120 150 350 400 350 450 Sn 230 < 0 150 170 Pb 327 < 0 100 150 Stal C10 400 450 460 550 650 850 1200 Mosiądz M90 280 350 375 650 700 900 950 Mosiądz M67 270 300 375 500 700 750 850 Brąz B7 360 460 500 650 750 750 900 Tab. 1. Temperatury charakterystyczne wybranych materiałów. Można założyć ze temperaturą rekrystalizacji jest temperatura, w której uprzednio poddany przeróbce plastycznej metal ulega całkowicie rekrystalizacji po wyżarzaniu trwającym 1 h. Dla niektórych stopów niskotopliwych oraz metali, temperatura rekrystalizacji jest bliska temperaturze pokojowej. Temperatura rekrystalizacji jest tym wyższa, im niższy jest stopień zgniotu. W temperaturze rekrystalizacji w miejscach, gdzie występują ziarna krystaliczne z zaburzoną siecią przestrzenną, powstają zupełnie nowe ziarna charakteryzującą się prawidłową strukturą sieciową. Taki proces jest nazywany procesem rekrystalizacji. 4 S t r o n a
Rys. 3. Wpływ temperatury następnego wyżarzania i stopnia gniotu Z na zamianę twardości metalu odkształconego plastycznie. źródło: Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie." Rozrost zrekrystalizowanych ziarn przebiega samorzutnie wskutek parcia układu do zmniejszenia energii wewnętrznej. Duże ziarna rozrastają sie kosztem mniejszych ziarn, co jest skutkiem zaniku drobnych ziarn (czyli stop o strukturze jednofazowej będzie się wtedy składał w większości z dużych ziarn). Wzrost temperatury wpływa na szybkość migracji granic ziarn, natomiast zanieczyszczenia oraz domieszki obcych atomów w roztworze stopu wpływają hamująco. Rys. 4. Wpływ zgniotu na rozmiary ziarn po rekrystalizacji metalu. źródło: Głowacka M. "Metaloznawstwo". Jeśli podczas nagrzewania, w temperaturze przewyższającej znacznie temperaturę rekrystalizacji może dojść do zjawiska nazywanego rekrystalizacją wtórną. Charakteryzuję się szybkim rozrostem poszczególnych ziarn kosztem drobnych ziarn. Ziarna takie zwane wtórnymi w bardzo krótkim przedziale czasowym osiągają duże rozmiary, może to być nawet kilkaset mm 2. 5 S t r o n a
Głównym czynnikiem jaki musi być spełniony, aby wystąpił proces rekrystalizacji wtórnej jest przynajmniej częściowe zahamowanie rozrostu ziarn pierwotnych w określonych temperaturach wyżarzania. Takie zahamowanie może spowodować: zanieczyszczenia; obecność faz międzykrystalicznych na granicach ziarn; dostatecznie duża tekstura rekrystalizacji. Metale zrekrystalizowane w większości przypadków charakteryzują się uprzywilejowaną budową krystalograficzną. Dominacja ziarn o jednakowej orientacji wywołana procesem rekrystalizacji nazywana jest teksturą rekrystalizacji. Powstawanie tekstury rekrystalizacji tłumaczy się znaczną ruchliwością granic ziarn o kącie dezorientacji 30-50 w metalach typu A1 oraz A2 w skutek obrotu wokół osi <100> lub <111>. Rozmiary ziarn po procesie rekrystalizacji głownie zależą od stopnia zgniotu, temperatury oraz czasu wyżarzania, a także od rozkładu i rozmiarów ziarn zanim nastąpiła rekrystalizacja. Wraz ze zwiększaniem stopnia zgniotu do momentu osiągnięcia wartości zwanej krytyczną, gabaryty ziaren zwiększają się. Przekroczenie wartości krytycznej silnie zmniejsza gabaryty ziarn, tym bardziej im większy był stopień zgniotu metalu przed rekrystalizacją. Wartość takiego stopnia krytycznego zgniotu, ze względu na rodzaj metalu może wynosić 2-15%. Taki stopień zgniotu jest niekorzystny i należy go unikać podczas przeróbki plastycznej na zimno, ze względu na to, że po wyżarzaniu rekrystalizacyjnym otrzymuje się gruboziarnisty metal, o bardzo niekorzystnych właściwościach mechanicznych. Rys. 5. Wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na wielkość ziarn żelaza. źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo". 6 S t r o n a
Proces, w którym metal umacnia się nazywamy zgniotem i mierzy stopniem zgniotu. Wielkość zgniotu Z mierzy się najczęściej zmianą przekroju poprzecznego: gdzie: F 0 - przekrój początkowy próbki przed odkształceniem, F przekrój próbki po odkształceniu. Z F0 F F 0 100% Zgniot można również mierzyć zmianą głównego wymiaru przedmiotu, np. wydłużeniem przy rozciąganiu lub zmianą wysokości przy ściskaniu i walcowaniu : gdzie: l 0 - długość początkowa próbki rozciąganej, l - długość końcowa próbki rozciąganej, Z l l l 0 0 100% h 0 - wysokość (grubość) początkowa próbki ściskanej (walcowanej), h - wysokość ( grubość ) końcowa próbki ściskanej (walcowanej). Z h0 h 0 h 100% Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje podwyższone własności wytrzymałościowe takie jak : granica plastyczności ( R e ), wytrzymałość i twardość ( R m, HB ), zaś własności plastyczne, jak: wydłużenie ( A ), przewężenie i udarność ( z, KCU ), maleją ze wzrostem umocnienia. Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne. a. b. c. Rys. 6. Zmiany struktury pod wpływem zgniotu w metalu polikrystalicznym. a) Przed odkształceniem; b), c) Po odkształceniu. 7 S t r o n a
W przemyśle znajduje zastosowanie obróbka cieplna zwana wyżarzaniem rekrystalizującym, celem tej obróbki jest przywrócenie plastyczności metalowi poddane wcześniej obróbce plastycznej na zimno. Popularna także jest obróbka plastyczna na gorąco, np. kucie, prasowanie, walcowanie. W tym wypadku rekrystalizacja dynamiczna lub zdrowienie dynamiczne następuje od razu po odkształceniu. Jeżeli rekrystalizacja usuwa skutki zgniotu spowodowane odkształcenie, nie obserwuje się umocnienia, jeśli natomiast szybkość odkształcenia jest dość duża, a temperatura niezbyt wysoka, proces rekrystalizacji nie nadąża zachodzić i metal umacnia się. Taki przypadek może mieć też miejsce, jeżeli zostało zastosowane szybkie chłodzenie po obróbce plastycznej. Przy walcowaniu często dąży się do otrzymania takich warunków, w celu otrzymania dostatecznie wysokich własności wytrzymałościowych wyrobów, taki proces nazywa się kierowanym walcowaniem. Występujący po procesie rekrystalizacji rozrost ziarn przyczynia się do obniżenia własności plastycznych. W tym celu za wszelką cenę unika się wytrzymywania materiału w wysokiej temperaturze nie dłużej niż jest to wymagane do zakończenia procesu rekrystalizacji. Przyczyną nadmiernego rozrostu ziarn może być kończenie obróbki plastycznej w zbyt wysokiej temperaturze lub zastosowanie zgniotu krytycznego w ostatniej operacji. 8 S t r o n a
Zadania do wykonania 1. Obserwacja próbek mikroskopowych. Materiał próbek żelazo Armco. Zgniot 0, 25, 50,75 %; Zgniot 0, 25, 50,75 % po rekrystalizacji w temperaturze 700 C - 1h; Zgniot 50 % - temperatury 600, 700, 800 oraz 900 C. 2. Określić wielkość ziarna. 3. Sporządzić rysunki struktur oraz wykresy dla drugiego przypadku ( zależność φ = f(z)) i dla trzeciego ( zależność φ = f(t)). Stanowisko pomiarowe 1. Okular pomiarowy; 2. Zestaw próbek; 3. Mikroskop metalograficzny MET 3. 1. Cel ćwiczenia; 2. Wstęp teoretyczny; 3. Schematy struktur wraz z opisem: - Materiał; - Stan materiału; - Struktura; - Powiększenie; - Trawienie. 4. Wyniki badań przedstawić w formie tabelki; Sprawozdanie 9 S t r o n a
5. Sporządzić wykres przedstawiający zależność wielkości ziarna od stopnia odkształcenia wraz z oznaczeniem zgniotu krytycznego oraz wielkości ziarna od temperatury; 6. Wnioski oraz przemyślenia. Literatura 1. Wykład Nauka o Materiałach"; 2. Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie" Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 2002. 3. Dobrzański L.A. "Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali" Wydawnictwo Politechniki Śląskiej 1953. 4. Przybyłowicz K. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 2003. 5. Rudnik S. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowe PWN 1998. 6. Głowacka M. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 1996. 7. Gulajew A.P. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Śląsk 1967. UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP 10 S t r o n a