Odkształcenia plastyczne metali i stopów. Wyżarzanie rekrystalizujące.

Paweł Florek

AiR sem. III gr. 3 sekcja 2

WPROWADZENIE

Tworzywa metaliczne przy odpowiednio niskich naprężeniach w zakresie wartści mniejszych od granicy sprężystości po odciążeniu powracają do swej pierwotnej postaci. Po wywołaniu naprężeń większych od granicy sprężystości powstają trwałe odkształcenia materiału, zwane odkształceniami plastycznymi. Charakterystyczne cechy zachowania się materiałów pod działaniem naprężeń różnic się jednak znacznie, nawet dla tej samej grupy materiałów. Wielkość odkształcenia plastycznego jest funkcja naprężenia, temperatury i szybkości odkształcania. Ze wzrostem odkształcenia następuje umocnienie materiału, zależne także od warunków procesu, głównie temperatury i szybkości odkształcenia.

Podatność materiału do odkształceń plastycznych jest bardzo istotna cecha, gdyż pozwala na przetwórstwo metali i stopów metodami przeróbki plastycznej na zimno lub na gorąco, a także pozwala kształtować strukturę i własności mechaniczne wyrobów.

Odkształcenie plastyczne może być uzyskane na zimno lub na gorąco, zależnie od temperatury, w której prowadzono ten pro­ces. Przyjmuje się, że odkształcenie plastyczne na gorąco występuje wtedy, gdy prowadzone jest w temperaturach powyżej 0,4 temperatury topnienia stopu lub metalu ( >0,4 T_t ), nato­miast odkształcenie plastyczne na zimno wywoływane jest przy niższym zakresie temperatur ( < 0,4 T_t).

W procesie odkształcenia rozróżnia się kilka podstawowych mechanizmów odkształcenia plastycznego. Najważniejszym mecha­nizmem powodującym nieodwracalne zmiany kształtu jest poślizg.

Odkształcenie przez poślizg powstaje na skutek działania naprężeń stycznych i polega na przemieszczeniu jednej części kryształu względem drugiej po uprzywilejowanej płaszczyźnie, przy czym kryształ nie zmienia swojej orientacji krystalogra­ficznej. Rozróżnia się poślizg sztywny, który zachodzi jednocześnie na całej płaszczyźnie poślizgu, oraz poślizg dysloka­cyjny, przebiegający przy współudziale dyslokacji ruchliwych, przemieszczających się w aktywnej płaszczyźnie poślizgu.

Innym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest bliźniakowanie mechaniczne, polegające na jednorodnym ścinaniu kolejnych warstw kryształu o wektor bliźniakowania. Skutkiem tego jest obrót części kryształu w taki sposób, że pozostała jego część jest zwierciadlanym odbiciem względem określonej płaszczyzny, nazywanej płaszczyzna bliźniakowania.

W wysokich temperaturach działaja mechanizmy pełzania dyfuzyjnego i dyslokacyjnego oraz poślizg po granicach ziarn. Pełzanie dyfuzyjne polega na transporcie masy na drodze dyfuzji po granicach ziarn, jak również poprzez ziarna pod działaniem naprężeń normalnych, prowadząc do zmian kształtu materiału. Mechanizm pełzania dyfuzyjnego po granicach ziarn występuje w wysokich temperaturach wcześniej z uwagi na duża efektywność szerokokątowych granic ziarn do dyfuzyjnego przemieszczania atomów.

W określonych warunkach pełzania dyfuzyjnego może zachodzić pełzanie dyslokacyjne, kontrolowane mechanizmami oddziaływania dyslokacji z przeszkodami. W wysokich temperaturach możliwy jest również poślizg po granicach ziarn, ograniczony jednak do warunków dopasowania się ziarn w miejscu potrójnego styku gra­nic. Decydującą rolę odgrywają przy tym dyslokacje granic ziarn prowadzac do powstawania pustek kawitacyjnych, które jako po­tencjalne zarodki mikropęknięć moga powodować niszczenie elementów konstrukcyjnych, pracujących w wysokich temperaturach.

Jeżeli proces odkształcenia plastycznego prowadzony jest w temperaturach powyżej 0.4 Tt , na przykład przez walcowanie, kucie itp., to równocześnie ze zmianami strukturalnymi, spowodowanymi zgniotem materiału, następuje bardzo szybkie usuwanie skutków gniotu i odbudowa struktury krystalicznej. Decydujące znaczenie w tym zjawisku posiadają procesy aktywowane cieplnie, prowadzące do rekrystalizacji dynamicznej odkształcanego materiału. Najważniejsza rolę w tym procesie odgrywają: poślizg poprzeczny dyslokacji śrubowych, wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji o przeciwnych wektorach Burgersa oraz tworzenie zarodków rekrystalizacji.

Mapa mechanizmu odkształcenia plastycznego dla niklu o wielkości ziarn 32 nm:

- linie cienkie odpowiadają różnym szybkościom odkształcenia,

- linie grube odpowiadają zakresom jednakowego wkładu sąsiadujących mechanizmów odkształcenia w odkształcenie całkowite.

Odkształcenia plastycznego na zimno.

Decydujące znaczenie w procesie odkształcenia plastycznego na zimno posiada poślizg oraz bliźniakowanie mechaniczne.

Poślizg sztywny, odpowiadający równoczesnemu przemieszczeniu części kryształu w jednej płaszczyźnie, jest równoważny z koniecznością przyłóżenia naprężenia równego teoretycznej wytrzymałości kryształu na ścinanie. Z uwagi jednak na zdefek­towanie rzeczywistej struktury krystalicznej materiałów tech­nicznych poślizg sztywny praktycznie nie występuje.

Poślizg dyslokacyjny przebiega przy współudziale dyslokacji przemieszczających się w płaszczyznach poślizgu wzdłuż określonych kierunków. W wyniku przemieszczania się dyslokacji orientacja krystalograficzna kryształu zostaje zachowana, natomiast na powierzchniach zewnętrznych kryształu pojawiają się uskoki odpowiadające wielokrotnościom wektora Burgersa dyslokacji ruchliwych, dochodzących do powierzchni kryształu.

Odkształcenie plastyczne przez poślizg zachodzi w ściśle określonych płaszczyznach sieciowych, zwanych płaszczyznami poślizgu i wzdłuż uprzywilejowanych kierunków krystalograficz­nych kryształu. Efekty poślizgu można zauważyć na powierz­chniach zewnętrznych materiału lub w kryształach na wytrawio­nych zgładach metalograficznych.

Jeżeli poślizg wzdłuż linii pierwotnych zostaje zahamowany, wówczas dalsze odkształcenie plastyczne powoduje powstanie nowych linii poślizgu. W wyniku takiego procesu na powierzchni kryształów tworzą się uskoki, będące efektem przemieszczeń części kryształu w płaszczyznach równoległych, położonych w bliskiej odległości od siebie, zwanych pasmami poślizgu. Efekty poślizgu w postaci wąskich, równoległych ciemnych linii można obserwować również na zgładach trawionych. Charakterystyczne płaszczyzny i kierunki poślizgu odpowiadające płaszczyznom i kierunkom najgęstszego ułożenia atomów w danej sieci tworzy dla określonej struktury krystalicznej systemy poślizgu.

Poślizg w kryształach jest wynikiem przemieszczenia się dyslokacji. Efektem takiego mechanizmu odkształcenia jest uskok na powierzchni kryształu o wielkości wielokrotności wektora Burgersa dyslokacji przemieszczanych w płaszczyźnie poślizgu.

W kryształach osieci A1 całkowite odkształcenie wywołane jest poślizgiem w płaszczyznach (111) wzdłuż kierunków <110>.

W sieci A2 najważniejszym systemem odkształcenia jest poślizg w płaszczyznach (110) wzdłuż kierunków <111>. W kryształach o takiej sieci obserwuje się również pofałdowanie poślizgu w płaszczyznach {211} i {321} wzdłuż kierunków <111>. Faliste linie poślizgu w metalach o tej sieci wskazują, że dyslokacje podczas ruchu mogą zmieniać płaszczyznę poślizgu przy zachowa­niu kierunku <111>.

W kryształach o sieci A3 istnieją tylko trzy systemy poślizgu (0001) <1120>. W temperaturach podwyższonych mogą działać także inne systemy poślizgu, a ich rodzaj zależy głównie od względnej gęstości atomów w płaszczyznach krystalo­graficznych.

Bliźniakowanie mechaniczne występuje w kryształach rzeczy­wistych dość często, ale jego udział w całkowitym odkształceniu jest z reguły niewielki. Wynika to z faktu, że mechanizm ten umożliwia realizowanie raczej niewielkich odkształceń postacio­wych. Większe znaczenie bliżniakowanie może mieć dla metali krystalizujacych w sieci heksagonalnej oraz dla metali o sieci regularnej przestrzennie centrowanej odkształcanych w niskich temperaturach, gdy poślizg dyslokacji zostaje zablokowany. Znaczny udział odkształcenia przez bliźniakowanie występuje w metalach o sieciach nieregularnych. Naprężenie niezbędne do zapoczątkowania odkształcenia przez bliźniakowanie jest znacznie większe od naprężenia wymaganego do jego rozprzestrzeniania się. Dlatego też bliźniakowanie mechaniczne zachodzi najczęściej przy działaniu znacznych sił zewnętrznych jako rezultat odkształca­nia metali na zimno, przy dużych szybkościach, oraz w niskich temperaturach.

W strukturze materiału bliźniaki odkształcenia są widoczne jako wąskie równoległe pasma ograniczone cienkimi liniami. Bliźniaki jednego ziarna nigdy nie przecinają granic ziarna, mogą do nich dochodzić lub zanikać w obrębie obszaru ziarna. Często, gdy bliźniak kończy się na granicy ziarna, powstające w tym miejscu naprężenie generuje w przyległym ziarnie wytworze­nie innego bliźniaka.

Umocnienie. Odkształceniu plastycznemu na zimno towarzyszy w różnym stopniu zjawisko umocnienia, spowodowane zmianami struktural­nymi materiału w czasie jego deformacji. Odkształcenie plastyczne jest zazwyczaj wywoływane działaniem sił zewnętrznych w procesach technologicznych, takich jak: walcowanie, kucie, tłoczenie, przeciąganie, wyciskanie może też wystąpić w trakcie eksploatacji materiału po przekroczeniu dopuszczalnych obciążeń, a także może być wywołane przemianami fazowymi. Materiał umocniony wykazuje wyższe własności wytrzymałościowe, takie jak: wytrzymałość na rozciapanie R_m, granica plastyczności R_0,2 i twardość. Równocześnie jednak maleją własności plastyczne materiału, jak: wydłużenie względne, przewężenie, a także często maleje udarność.

Umocnienie jest wynikiem zmniejszenia zdolności przemieszcza­nia się dyslokacji w kryształach. Ograniczenie ruchu dyslokacji następuje na skutek ich blokowania przez inne dyslokacje oraz przeszkody, takie jak: wydzielenia, atomy obce, granice ziarn.

Naprężenie, przy którym poślizg zostaje zapoczątkowany, zależy od drogi swobodnej przemieszczania dyslokacji w krysz­tale, a więc w znacznym stopniu od wielkości ziarn. Granice ziarn stanowią przeszkodę w ruchu dyslokacji i są miejscami ich spiętrzeń.

Rozpuszczone w osnowie materiału atomy składników stopowych odziałując z dyslokacjami powodują także blokowanie ruchu dyslokacji. Zachodzi to wówczas, gdy atomy obce tworzą skupiska w miejscach uprzywilejowanych chemicznie lub energetycznie.

Tekstura odkształcenia

Odkształcanie w niskiej temperaturze ciał polikrystalicznych z dużymi stopniami gniotu prowadzi do zajęcia określonej uprzy­wilejowanej orientacji krystalograficznej ziarn względem kierunku zewnętrznej siły odkształcającej. Tworzy się wtenczas tekstura odkształcenia, którą charaktery­zuje oś ( kierunek krystalograficzny, zgodnie z którym zostają zorientowane ziarna ) oraz płaszczyzna, w jakiej zachodzi uprzywilejowanie orientacji kryształów. Tekstura przeciągania charakteryzuje się osią, wzdłuż której zostają zorientowane kryształy względem kierunku przeciągania, natomiast obroty kryształów względem tego kierunku krystalograficznego są dowolne. Przy walcowaniu natomiast równocześnie z orientacją kierunku kryształy zostają zorientowane również określoną płaszczyzną równoległą do płaszczyzny walcowania. Praktyczne znaczenie tekstur związane jest z tworzeniem anizotropii własności fizycznych. W ogólnym przypadku korzyst­nie jest, jeżeli materiał posiada jednorodne własności fizyczne we wszystkich kierunkach, czyli nie jest materiałem steksturowanym. W niektórych jednak przypadkach tekstura może okazać się bardzo przydatną własnością, pozwalającą efektywnie wykorzystywać własności fizyczne.

Odkształceniu plastycznemu materiałów towarzyszy również zjawisko niejednorodności odkształceń rzeczywistych w poszcze­gólnych makro- i mikroobszarach kryształów. Wiąże się to ze sposobem odkształcania, decydującym o rozkładzie sił na prze­kroju oraz struktura materiału. Fazy o wyższych własnościach wytrzymałościowych ulegają podczas odkształcenia mniejszym odkształceniom rzeczywistym, co musi wywoływać kumulację odkształceń w innych obszarach i powodować powstawanie mikro­szczelin, a także prowadzić do lokalnej dekohezji materiału.

W przypadkach znacznego nasycenia ziarn stopu defektami budowy krystalicznej lub skrajnie wysokiego umocnienia wydzieleniowego materiały posiadają bardzo ograniczone własności plastyczne lub mogą pękać przy wysokich naprężeniach, nie wykazując makro­skopowych objawów odkształcenia plastycznego.

Obróbka cieplna

Rekrystalizacja. Stosuje się ja do materiału poddanego uprzednio obróbce plastycznej na zimno. Ma ona na celu usuniecie objawów zgniotu, a wiec zastąpienie zdeformowanej i twardej struktury przez foremna, miękką i zazwyczaj drobnoziarnistą.

Proces rekrystalizacji polega na nagrzaniu do temperatury wyższej od temperatury rekrystalizacji, lecz nie niższej od A _C1 (550 - 650^oC), wygrzaniu w tej temperaturze i następnie studzeniu.

Etapy rekrystaklizacji:

• zdrowienie (są to zmiany własności metalu umocnionego zgniotem, polegające na częściowym usunięciu jego skutków bez wyraźnych zmian struktury)

1. wypoczynek

2. poligonizacja (uporządkowanie dyslokacji)

• rekrystalizacja pierwotna

1. migracja granic pierwotnych

2. wzrost subziarn (migracja ziarn, koalescencja subziarn)

• wzrost ziarn

• rekrystalizacja wtórna

T_t ^. a = T_r

T_r - temperatura topnienia

T_t - temperatura rekrystalizacji

a - stała ( dla roztworów stałych a = 0,7)

Prawidłowości rekrystalizacji:

• zarodki tworzą się w sposób uprzywilejowany w miejscach o dużym zdefektowaniu

• zarodki powstają po przekroczeniu gniotu krystalicznego

• istnieje uprzywilejowana orientacja zarodków

• szybkość zarodkowania rośnie ze wzrostem szybkości nagrzewania

Wyznaczanie temperatury rekrystalizacji:

• metalograficzna

• rentgenowska

• metoda graficzna (oparta na pomiarach twardości)

Im większy jest stopień gniotu tym mniejsza jest temperatura rekrystalizacji.

Bibliografia:

F. Staub „Metaloznawstwo”

J. Marciniak „Ćwiczenia laboratoryjne z materiałoznawstwa”

---