Przedmiot: Badanie własności mechanicznych materiałów Wykładowca: dr inż. Łukasz Cieniek Autor opracowania: dr inż. Łukasz Cieniek Ćwiczenie nr 4 Anizotropia i tekstura krystalograficzna. Czas przewidywany na wykonanie ćwiczenia: 2 15 godz. zegarowe Cel ćwiczenia Zapoznanie się z metodami określania współczynnika anizotropii normalnej () i płaskiej ( ) dla wyrobów płaskich walcowanych na zimno Praktyczne przeprowadzenie statycznej próby rozciągania celem określenia współczynnika Lankforda dla wybranej próbki Omówienie przyczyn anizotropii normalnej i płaskiej Omówienie procesu starzenia po odkształceniu na podstawie określenia przyrostu granicy plastyczności wywołanego obróbką cieplną próbki wykonanej ze stali głębokotłocznej - indeks Bake-Hardening (BH 2 ) Wiadomości wymagane do zaliczenia: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia należy: znać definicje anizotropii i przyczyny jej występowania, wiedzieć w jaki sposób ocenia się anizotropię na podstawie statycznej próby rozciągania, umieć omówić proces starzenia po odkształceniu i metodę określenia przyrostu granicy plastyczności wywołanego obróbką cieplną - indeks Bake-Hardening (BH 2 ), posiadać podstawową wiedzę na temat stali głębokotłocznych Wykonanie ćwiczenia 1. Zaplanowanie i przeprowadzenie eksperymentu starzenia po odkształceniu: dobór wielkości odkształcenia wstępnego, temperatury i czasu starzenia próbki z blachy głębokotłocznej, otrzymanej od prowadzącego zajęcia. 2. Określenie przyrostu granicy plastyczności wywołanego obróbką cieplną próbki wykonanej ze stali głębokotłocznej - indeks Bake-Hardening (BH 2 ). 3. Przeprowadzenie próby rozciągania próbki z blachy głębokotłocznej celem wyznaczenia współczynnika anizotropii (współczynnika Lankforda - ). 4. Dyskusja i opracowanie wyników. Literatura: [1] M. Blicharski: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT Warszawa 2003 [2] M. Blicharski: Odkształcanie i pękanie. UWN-D Kraków 2002 [3] M. Blicharski: Inżynieria materiałowa. Stal. WNT 2004 [4] PN-EN ISO 6892-1:2010 Metale. Próba rozciągania. Część 1: Metoda badania w temperaturze otoczenia. [5] PN-EN 10130:2009 Wyroby płaskie walcowane na zimno ze stali niskowęglowych do obróbki plastycznej na zimno. Techniczne warunki dostawy. [6] PN-EN 10325:2008 Stal - Określanie przyrostu granicy plastyczności wywołanego obróbką cieplną (indeks Bake-Hardening).
Stale na elementy konstrukcji powinny charakteryzować się głównie dużą wytrzymałością, odpornością na pękanie i dobrą spawalnością. Jeżeli jednak wyrób uzyskuje się z blachy, to często głównym wymaganiem stawianym stali jest jej podatność na kształtowanie przez obróbkę plastyczną na zimno. Cykl wytwarzania taśmy stalowej walcowanej na zimno (rysunek 1) składa się z procesu stalowniczego, walcowania na gorąco, walcowania na zimno i wyżarzania rekrystalizującego, a obecnie coraz częściej również powlekania. Rys. 1. Zmiany temperatury stali z upływem czasu podczas wytwarzania taśmy walcowanej na zimno i wyżarzonej rekrystalizująco Każdy z tych procesów ma istotny wpływ na własności gotowej taśmy. Dlatego aby uzyskać dobrą podatność na kształtowanie przez obróbkę plastyczną na zimno, należy zoptymalizować skład chemiczny, warunki walcowania oraz wyżarzania i powlekania. W celu zwiększenia kształtowalności ogranicza się zawartość węgla w stali na taśmę walcowaną na zimno, co powoduje zwiększenie ciągliwości, jednak nie zawsze zwiększenie głębokotłoczności. Mała zawartość C w roztworze może uniemożliwić uzyskanie korzystnej tekstury krystalograficznej (uprzywilejowanej orientacji ziarn), a ponadto powoduje rozrost ziarna po walcowaniu na gorąco. Dlatego aby zwiększyć głębokotłoczność, konieczne jest nie tylko zmniejszenie zawartości węgla w stali, lecz także związanie C i N. Podatność na tanie kształtowanie wyrobów o złożonych kształtach bez pęknięć, przewężeń lub pofalowania jest zatem głównym czynnikiem klasyfikującym taśmę stalową walcowaną na zimno jako podstawowy materiał konstrukcyjny. Stale na taśmy przeznaczone do kształtowania na zimno można podzielić na dwie grupy: a) Stale miękkie, dla których głównym wymaganiem jest kształtowalność przez odkształcenie plastyczne na zimno (większa od założonego minimum), np. stal wolna od atomów międzywęzłowych IF (ang. Interstitial Free), 2
b) Stale o podwyższonej wytrzymałości, dla których głównym wymaganiem jest wytrzymałość (większa od pewnego minimum), np. stal umacniana podczas wygrzewania lakieru BH (ang. Bake Hardening). Anizotropia i tekstura krystalograficzna Zróżnicowana gęstość obsadzenia atomami poszczególnych kierunków i płaszczyzn krystalograficznych jest przyczyną zróżnicowania własności kryształu w zależności od kierunku ich badania czyli anizotropii własności. Najważniejszymi parametrami taśmy ze stali niskowęglowych są kształtowalność przez odkształcenie plastyczne na zimno i wytrzymałość. Wymagania stawiane blachom w wielu zastosowaniach (karoserie samochodowe, puszki, części maszyn tłoczone na zimno) sprowadzają się do kształtowalności na zimno pozwalającej na ukształtowanie części przez tłoczenie bez jakichkolwiek wad, których usunięcie podnosiłoby koszt procesu wytwarzania. Do takich zastosowań najbardziej odpowiednia jest blacha ze stali o małej wytrzymałości i dużej podatności do kształtowania. Niezwykle istotnym parametrem taśmy stalowej walcowanej na zimno i wyżarzanej jest tekstura krystalograficzna. Jeżeli objętość ziarn o każdej możliwej orientacji krystalicznej jest w stali taka sama, to tekstura krystalograficzna jest losowa, a jej otrzymanie jest bardzo trudne. Zwykle tylko niektóre orientacje ziarn są preferowane i wówczas taki materiał charakteryzuje się określoną teksturą krystalograficzną. Tekstura krystalograficzna taśmy wpływa na rozkład odkształceń i płynięcie plastyczne podczas kształtowania wyrobów z taśmy. Spowodowana teksturą anizotropia wyraża się w dwóch postaciach. Pierwsza, nazywana anizotropią normalną, charakteryzuje się wpływem tekstury krystalograficznej na odkształcenie w kierunku normalnym do płaszczyzny blachy i w kierunku leżącym w płaszczyźnie blachy. Anizotropia normalna jest bardzo ważna z punktu widzenia kształtowania przez odkształcenie plastyczne na zimno (jest podstawowym parametrem blach głębokotłocznych). Druga postać, nazywana anizotropią płaską, odznacza się tym, że własności plastyczne w płaszczyźnie blachy zmieniają się z kierunkiem. Ten rodzaj anizotropii jest z punktu widzenia blach głębokotłocznych bardzo niekorzystny. W blachach wykazujących dużą anizotropię płaską podczas odkształcania występuje tendencja do okresowej zmiany wysokości wytłoczki, co zwykle uwidacznia się w postaci uszu (rysunek 2). Jest to zjawisko niekorzystne, gdyż w celu wyrównania brzegu wytłoczki konieczna jest dodatkowa obróbka skrawaniem. 3
Rys. 2. Uszy tworzące się podczas tłoczenia Współczynnik anizotropii normalnej - r (nazywany również współczynniem Lankforda) jest to stosunek odkształcenia rzeczywistego szerokości do odkształcenia rzeczywistego grubości próbki z blachy poddanej jednoosiowemu rozciąganiu (rysunek 3): gdzie: - rzeczywiste odkształcenie grubości, - rzeczywiste odkształcenie szerokości, b 0 początkowa szerokość próbki, = = b - szerokość próbki po odkształceniu do wymaganego wydłużenia, h 0 początkowa grubość próbki, h grubość próbki po odkształceniu do wymaganego wydłużenia. Rys. 3. Odkształcenia próbki wytrzymałościowej służące do wyznaczenia wartości współczynnika anizotropii normalnej i płaskiej blachy Ponieważ pomiary długości są obarczone mniejszym błędem względnym niż pomiary grubości blachy, do obliczania wartości r stosuje się następujący wzór, wyprowadzony z prawa stałej objętości przed i po odkształceniu plastycznym ( = ): 4
gdzie: L 0 początkowa długość pomiarowa, = L długość pomiarowa po odkształceniu próbki do wymaganego wydłużenia. Symbol r powinien być uzupełniony wskaźnikiem x, podającym położenie kątowe próbki względem kierunku walcowania (np.,, ). Wartość r można określać dla dowolnej wartości odkształcenia równomiernego w próbie rozciągania, tj. odkształcenia z zakresu między końcem odkształcenia Lüdersa i odkształcenia odpowiadającego obciążeniu maksymalnemu (obciążeniu od którego zaczyna się tworzyć szyjka). Jednak współczynnik r jest zwykle określany dla odkształcenia nominalnego wynoszącego 20%. Współczynnik anizotropii normalnej r zależy zwykle od położenia kątowego osi próbki względem kierunku walcowania. Średni współczynnik anizotropii normalnej określa się następująco: = + + gdzie: r 0, r 90, r 45 współczynniki anizotropii normalnej w kierunkach równoległym i prostopadłym, oraz pod kątem 45 względem kierunku walcowania blachy. Duży oznacza, że blacha niechętnie ulega pocienieniu podczas kształtowania i dlatego zapewnia dobrą głębokotłoczność. Wartość powyżej 1,5 jest uważana za dużą. W przypadku stali nieuspokojonej wynosi zwykle 0,8 1,2, dla stali uspokojonej Al i prawidłowo wytworzonej wynosi 1,5 1,8, natomiast w przypadku stali o bardzo małej zawartości węgla może wynosić nawet 3,0. W miedzi o teksturze sześciennej lub stali austenitycznej odpornej na korozję może wynosić jedynie 0,1. Głównymi składowymi tekstury austenitu w taśmie walcowanej na gorąco są składowe 110 112, 123 412. Po przemianie austenitu w ferryt ziarna mają orientację zbliżoną do losowej. Wartość dla takiej taśmy wynosi 0,8 1,0 i jest przyczyną małej zdolności taśmy do kształtowania przez wytłaczanie. Głównymi składowymi tekstury taśmy po walcowaniu na zimno są składowe 111 112, 111 123, 001 110, 112 110, 111 110. Dzięki rekrystalizacji w procesie wyżarzania z tekstury odkształcenia tworzą się następujące składowe tekstury wyżarzania: 111 110, 5
011 100 i 001 110. Podczas rekrystalizacji ziarna o orientacji 111 zarodkują w pobliżu granic ziarn pierwotnych, dlatego z rozdrobnieniem ziarna materiału odkształcanego intensywność składowej 111 rośnie. W procesie rozrostu ziarna po rekrystalizacji ziarna o orientacji 111 rosną uprzywilejowanie kosztem ziarn o innych orientacjach, co powoduje wzmacnianie się korzystnej tekstury 111 ze wzrostem temperatury i czasu wyżarzania. Wartość można obliczyć ze składowych tekstury, korzystając z zależności empirycznej: =,+, / ) / ) gdzie: / ) - intensywność składowej tekstury 111, / ) intensywność składowej tekstury 001. Zmiana r ze zmianą orientacji próbki w płaszczyźnie blachy jest miarą anizotropii płaskiej określanej równaniem " = + W przypadku materiału izotropowego r wynosi 1, a " jest równe 0. Wysokość wytłoczki z materiału dla którego " = jest stała. Tendencja do tworzenia się uszu podczas tłoczenia jest funkcją ". Jeżeli " jest dodatnia, to uszy tworzą się w kierunku walcowania i w kierunku poprzecznym, natomiast jeżeli " jest ujemna, to uszy tworzą się pod kątem 45 do kierunku walcowania. Wysokość tworzących się uszu rośnie ze wzrostem bezwzględnej wartości ". W blachach głębokotłocznych w przypadku mocnej tekstury {111}, " jest mała i tworzące się uszy są również małe. Kształtowalność blachy zwiększa się wraz z intensywnością składowej tekstury 111 KN. Otrzymanie dużej intensywności korzystnej składowej tekstury jest możliwe tylko w stali o bardzo małej zawartości C i N oraz innych niekorzystnych zanieczyszczeń i zawierającej Ti i Nb w celu związania C i N w trwałe związki. Warunki takie spełnione są dla stali IF nazywanej również super głębokotłoczną (ang. super extra deep drawing quality SEDDQ) lub stalą o ultra małej zawartości C (ang. ultra low carbon ULC) ze współczynnikiem, i wydłużeniem ok. 50%. R e dla takiej stali wynosi ok. 140 MPa, a R m 290 MPa. Wytwarzanie tej stali na dużą skalę jest możliwe dzięki wdrożeniu do praktyki przemysłowej odgazowania próżniowego stali wytwarzanych w konwertorach tlenowych oraz starannego osłaniania ciekłej stali przed N, C i O podczas odlewania. Stal IF jest walcowana na gorąco w niższej temperaturze z dużymi redukcjami przekroju w celu rozdrobnienia 6
ziarna. Konieczne jest również szybkie chłodzenie po walcowaniu w celu zapobieżenia rozrostowi ziarna, który w tak czystej stali jest intensywny. Blacha jest następnie trawiona i w celu otrzymania mocnej składowej 111 KN walcowana na zimno z dużym sumarycznym odkształceniem, wyżarzana w sposób ciągły w wysokiej temperaturze i szybko chłodzona (co umożliwia dokładne sterowanie tworzącą się mikrostrukturą i teksturą). Optymalizacja poszczególnych etapów wytwarzania pozwoliła ostatnio na opracowanie stali SEDDQ ze współczynnikiem = (, i wydłużeniem > 50%. Stal taka ma małą odporność na wgniecenia, gdyż jest miękka. W celu zwiększenia wytrzymałości stosuje się umocnienie podczas utwardzania lakieru lub umocnienie roztworowe Mn, P i Si. 7
Starzenie stali po odkształceniu Podstawy procesu starzenia stali Terminem starzenie określa się zmiany własności fizycznych zachodzące w materiale w miarę upływu czasu. Wyróżnia się dwa rodzaje starzenia: starzenie po przesycaniu, które jest częścią utwardzania wydzieleniowego i przeprowadza się je po zabiegu przesycania (przykładem jest utwardzanie wydzieleniowe duraluminium), starzenie po odkształceniu. W stalach niskowęglowych usunięcie wyraźnej granicy plastyczności jest możliwe przez odkształcenie plastyczne. Jeżeli jednak odkształcona stal będzie zbyt długo przetrzymana przed ponownym odkształceniem, to wyraźna granica plastyczności wróci ponownie. Zjawisko to jest spowodowane starzeniem po odkształceniu określanym jako zmiana własności materiału odkształconego na skutek oddziaływania defektów punktowych (atomów międzywęzłowych) z dyslokacjami. W procesie wytwarzania stali przeznaczonych do kształtowania przez odkształcenie plastyczne na zimno istotne jest związanie występującego w roztworze N z tego względu, że precyzyjne sterowanie jego zawartością jest bardzo kłopotliwe. Z kolei stężenie C również musi być ograniczone do określonego minimum aby w trakcie odkształcenia nie pojawiały się pasma Lüdersa i jakość wyrobu pozostawała na wysokim poziomie. Charakterystyczne dla starzenia po odkształceniu zmiany własności, zachodzą dla tych stali jeżeli: w ich strukturze w wyniku odkształcenia występuje duża ilość dyslokacji, ograniczone wymogami jakości wyrobów stężenie atomów międzywęzłowych (węgla i azotu) w roztworze wynosi 5 15 ppm Występujące podczas starzenia po odkształceniu zmiany własności są zwykle przedstawiane na krzywej zależności naprężenia od odkształcenia (rysunek 4). Aby pokazać wspomniane zmiany własności próbka jest odkształcana powyżej odkształcenia Lüdersa, odciążana, starzona, a następnie rozciągana do zerwania. 8
Rys. 4. Wpływ starzenia po odkształceniu na kształt krzywej zależności naprężenia od odkształcenia Można wymienić następujące efekty starzenia: wzrost granicy plastyczności ", -, wystąpienie ponownie wydłużenia Lüdersa ; jego wartość rośnie ze wzrostem czasu starzenia, wzrost wytrzymałości na rozciąganie ",., zmniejszenie wydłużenia ". Chcąc zmniejszyć skłonność stali do starzenia po odkształceniu należy wyeliminować atomy międzywęzłowe z ferrytu poprzez obniżenie zawartości C i N do bardzo niskiego poziomu lub dodać do stali pierwiastka, lub pierwiastków, o dużym powinowactwie do tych pierwiastków (np. Ti, V, Nb). Zwiążą one węgiel i azot. Większa rozpuszczalność w ferrycie azotu niż węgla i nieco mniejszy promień atomowy (C 77 pm, N 71 pm) powodują, że w temperaturze otoczenia główną przyczyną starzenia są atomy N w roztworze (starzenie naturalne). Jeżeli starzenie po odkształceniu zachodzi w temperaturze ok. 100 C lub wyższej (starzenie sztuczne), to węgiel jest bardziej efektywny. Metoda konwencjonalna eliminowania starzenia odkształceniowego w temperaturze otoczenia polega na dodaniu do stali Al, który wiąże azot w AlN. W stalach odlewanych w sposób ciągły starzenie w temperaturze otoczenia nie występuje, ponieważ w ten sposób można odlewać jedynie stale uspokojone Al, a więc zawierające wystarczającą ilość aluminium do związania azotu. Większość efektów starzenia odkształceniowego jest szkodliwych ponieważ prowadzi do obniżenia plastyczności i ciągliwości stali oraz prowadzi do zmian własności w czasie, jednak przynajmniej w jednym przypadku, tj. umocnienia podczas utwardzania lakieru, proces starzenia jest 9
uważany za korzystny. Stosowanie coraz cieńszych blach na karoserie samochodowe w celu zmniejszenia masy samochodu spowodowało, że zwiększyła się podatność karoserii samochodowych na wgniecenie. Aby temu przeciwdziałać, należy zwiększyć wytrzymałość, co stwarza problemy podczas kształtowania wyrobu z blachy. Rozwiązaniem tego problemu są stale umacniane podczas utwardzania lakieru. Istotą stali umacnianych podczas utwardzania lakieru jest to, że ich granica plastyczności zostaje znacznie zwiększona, gdy wyrób po wcześniejszym uformowaniu przez odkształcenie na zimno i naniesieniu lakieru przebywa w piecu w celu jego utwardzenia. Taki rodzaj umocnienia ma mały wpływ na R m. Stale tego typu są miękkie i w stanie dostawy charakteryzują się dobrą kształtowalnością przez odkształcenie plastyczne na zimno natomiast gotowy wyrób ma znacznie większą granicę plastyczności. Dlatego stale te w stosunku do innych stali o podwyższonej wytrzymałości charakteryzują się bardzo dobrą głębokotłocznością. Utwardzanie lakieru odbywa się w temp. 150 250 C przez 15 20 min. Do stali umacnianych podczas utwardzania lakieru zalicza się stale taśmowe, których granica plastyczności podczas utwardzania lakieru zwiększa się co najmniej o 30 MPa. Określanie przyrostu granicy plastyczności wywołanego obróbką cieplną (indeks Bake-Hardening) Standardowo skłonność stali do umocnienia podczas utwardzania lakieru określa się następująco (PN-EN 10325:2008). Typową próbkę wytrzymałościową rozciąga się, nadając wstępne odkształcenie 2%, a następnie wytrzymuje w temp. 170 C przez 20 min, chłodzi w powietrzu do temperatury pokojowej i kontynuuje próbę rozciągania. Przyrost granicy plastyczności wywołany obróbką cieplną, równy różnicy między dolną (lub umowną) granicą plastyczności po wygrzewaniu w temp. 170 C, a naprężeniem płynięcia przy 2% odkształceniu przed wygrzewaniem jest nazywany umocnieniem podczas utwardzania lakieru (indeks Bake-Hardening - BH 2 ) lub wskaźnikiem starzenia podczas utwardzania lakieru. Opisana powyżej procedura określania indeksu BH 2 jest schematycznie przedstawiona na rysunku 5. 10
σ n R p0,2,t R el,t BH 2 Umocnienie podczas utwardzania lakieru R p2,r R p0,2 Umocnienie odkształceniowe 0,2% 2% 0,2% ε n Rys. 5. Schematyczne przedstawienie na krzywej rozciągania umocnienia podczas utwardzania lakieru i metody określania indeksu BH 2 Miarą skłonności stali do starzenia podczas utwardzania lakieru jest wartość indeksu Bake- Haredning (BH 2 ) określonego zależnością: /0 =, 2,,3 45, 67,3 8, 2,9 gdzie:, 2,9 - naprężenie odpowiadające 2% wstępnemu odkształceniu plastycznemu próbki,, 67,3 - dolna granica plastyczności zmierzona na próbce odkształconej wstępnie o 2%, następnie obrobionej cieplnie i ponownie rozciąganej,, 2,,3-0,2% umowna granica plastyczności zmierzona na próbce odkształconej wstępnie do 2%, następnie obrobionej cieplnie i ponownie rozciąganej. Przy obliczaniu, 67,3 lub, 2,,3 po obróbce cieplnej należy zastosować pole przekroju próbki do badań po wstępnym odkształceniu plastycznym. Umocnienie podczas utwardzania lakieru uważa się za użyteczne, jeżeli przyrost granicy plastyczności wynosi powyżej 30 MPa. Na przykład przyrost granicy plastyczności o 40 MPa kompensuje zmniejszenie grubości blachy o ok. 0,1 mm przy tej samej odporności na wgniecenie. 11
Praktycznie wykorzystywane efekty umocnienia wynoszą zwykle 40 60 MPa, gdyż przy jeszcze większych efektach występuje nadmierne starzenie w temperaturze pokojowej i wówczas podczas tłoczenia tworzą się na powierzchni wyrobu linie płynięcia. 12