Instytut Inżynierii Materiałowej
Politechnika A
ódzka
Wykład z przedmiotu:
Nauka o materiałach
Temat wykładu:
Rekrystalizacja metali
Krystalizacja metali i stopów
ProwadzÄ…cy:
Dr inż. Bożena Pietrzyk
1
Umocnienie metali
Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje
podwyższone własności obniżone własności plastyczne:
wytrzymałościowe:
" wydłużenie (A) ,
" granica plastyczności ( Re ),
" przewężenie i udarność (Z , KCU) ,
" wytrzymałość i twardość ( Rm , HB )
Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Umocnienie jest wynikiem malejącej wraz z odkształceniem
zdolności przemieszczania się dyslokacji na skutek hamowania ich
i blokowania przez inne dyslokacje oraz inne przeszkody takie,
jak: obce atomy, granice ziarn itp.
Mechanizmy umocnienia:
- umocnienie granicami ziaren
- umocnienie roztworowe
- umocnienie dyspersyjne i wydzieleniowe
- umocnienie odkształceniowe (zgniotem)
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Umocnienie metali
Do najważniejszych rodzajów zabiegów umocnienia materiałów metalicznych
należą :
" umacnianie czynnikami metalurgicznymi:
( wielkość ziarna, skład roztworu stałego )
" umacnianie obróbką cieplną:
- zabiegami utwardzania dyspersyjnego ( przesycania i starzenia )
- ulepszania cieplnego (hartowania i odpuszczania),
" umacnianie obróbką plastyczną na zimno na skutek zgniotu .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Zmiany mikrostruktury pod wpływem zgniotu w
metalu polikrystalicznym
a. b. c.
Po odkształceniu
Przed odkształceniem
Metal odkształcony plastycznie cechuje się zwiększoną energią wewnętrzną
wynikającą z występowania dużej gęstości dyslokacji i wakansów oraz
ograniczonÄ… drogÄ… przemieszczania siÄ™ dyslokacji (energiÄ… zmagazynowanÄ…)
Energia ta zostaje wyzwolona w czasie wygrzewania metalu odkształconego w
podwyższonych temperaturach.
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Rekrystalizacja
Jest to proces aktywowany cieplnie, zachodzący powyżej temperatury TR w metalach
odkształconych uprzednio plastycznie na zimno.
Zachodzi przez zarodkowanie i wzrost nieodkształconych ziaren
Do zainicjowania rekrystalizacji w czasie wyżarzania metalu niezbędny jest pewien
minimalny stopień odkształcenia, zwany zgniotem krytycznym.
Zgniot krytyczny ma różne wartości dla różnych metali np. dla stali
niskowÄ™glowej wynosi od 7 ÷ 15 %, a dla aluminium ok. 2 % .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Rekrystalizacja metali
Zmiany własności fizycznych i mechanicznych wywołane zgniotem,
(umocnienie metalu), jak również makro- i mikroskopowe objawy
zgniotu zachowują się w materiale tylko wtedy, kiedy odkształcenie
plastyczne następuje poniżej charakterystycznej dla każdego metalu
temperatury rekrystalizacji TR
TR = (0,3 ÷0,6) TT
gdzie : TR  temperatura rekrystalizacji [ K ],
TT - temperatura topnienia [ K ]
Odkształcenie plastyczne metalu w temperaturze wyższej niż TR, nie powoduje
umacniania się metalu, ponieważ równocześnie z umocnieniem przebiegają
procesy zwiÄ…zane z rekrystalizacjÄ… .
Temperatura rekrystalizacji TR jest granicznÄ… temperaturÄ…
pomiędzy przeróbką plastyczną na zimno i na gorąco .
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Zmiany właściwości i mikrostruktury przy rekrystalizacji
Mikrostruktura metalu
po zgniocie
rekrysta-
wzrost ziarn
zdrowienie
lizacja
TR
Mikrostruktura metalu
temperatura po rekrystalizacji
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

ziarn
wielko
ść
wytrzymało
ść
napr
ęż
enie
Techniczne znaczenie rekrystalizacji
Większość metali i stopów poddawana jest przeróbce plastycznej na zimno
" Ponieważ zgniot umacnia metale, nie można zazwyczaj w jednej
operacji nadać przedmiotom ostatecznego kształtu, gdyż metal umocniony
traci swą plastyczność i przy dalszym odkształceniu pęka. W celu
umożliwienia dalszej przeróbki stosuje się międzyoperacyjne wyżarzanie
rekrystalizujące, które zmiękcza i uplastycznia metal.
" Wyżarzanie rekrystalizujące ma również zastosowanie jako zabieg
końcowy usuwający całkowicie skutki zgniotu i przywracający pierwotne
własności materiału.
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Rodzaj atomów Wiązania chemiczne
pierwotne:
" struktura elektronowa
" metaliczne
" kowalencyjne
" jonowe
wtórne:
" wodorowe
" Van der Waalsa
Właściwości
Defekty struktury
Ułożenie atomów
" defekty punktowe
" ciała krystaliczne
" defekty liniowe
" ciała amorficzne
" defekty powierzchniowe
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

kształtowanie właściwości metalowych
materiałów konstrukcyjnych
budowa stopu:
- skład chemiczny
- mikrostruktura
odkształcenie/
obróbka cieplna /
krystalizacja
przeróbka plastyczna
cieplno-chemiczna
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Metody kształtowania wyrobów metalowych
Szybkie chłodzenie
Metale
Ciekły metal
amorficzne i
nanokrystaliczne
Odlewanie kształtowe:
Odlewanie wlewków
" formy piaskowe
odlewanie ciągłe
" formy metalowe
" metoda traconego wosku
Przeróbka plastyczna
" odlewanie ciśnieniowe
(na gorÄ…co i na zimno):
" kucie
" walcowanie
" ciÄ…gnienie
(blachy, pręty, kształtowniki, rury, druty) Obróbka
mechaniczna:
" cięcie
" toczenie
" frezowanie
Obróbka plastyczna:
" wiercenie
" gięcie
" gwintowanie
" tłoczenie
Obróbka wykańczająca
A
Ä…czenie
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Krystalizacja = zarodkowanie + wzrost kryształów
Zarodkowanie
G
Energia
Rodzaje zarodkowania:
powierzchni
homogeniczne
"Gp <" r2
<"
<"
<"
heterogeniczne
dynamiczne
r
katalityczne
Energia objętościowa
"Gv <" r3
<"
<"
<"
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Krzywe chłodzenia podczas krystalizacji czystego metalu
"Å„
"Å„
"Å„
"Å„
"T - przechłodzenie
1 - teoretyczna krzywa chłodzenia podczas krystalizacji
2  rzeczywista krzywa chłodzenia przy powolnym studzeniu i małym cieple krystalizacji
3 - rzeczywista krzywa chłodzenia przy znacznym przechłodzeniu i dużym cieple krystalizacji
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Szybkość krystalizacji
Prawa Tammanna
metale szkła
SZ
metaliczne
[ m -3 s  1]
SZarodkowania
SK
[m / s]
Wzrostu kryształów
SK
struktura gruboziarnista struktura drobnoziarnista
"T
"
"
"
przechłodzenie
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Stop:
Tworzywo metaliczne, które powstaje w wyniku dodania innych
pierwiastków (składników stopowych) do czystego metalu.
1  czysty metal
2  stop metali
Ä
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Budowa wlewka (pierwotna struktura odlewu)
4
l - strefa kryształów zamrożonych,
2 - strefa kryształów słupkowych
3 - strefa kryształów równoosiowych
4  jama skurczowa
Instytut Inżynierii Materiałowej PA

Makrosegregacja
powstaje na skutek przemieszczania się domieszki równolegle
do frontu krystalizacji na granicy fazy stałej i ciekłej jako wynik
ruchu frontu krystalizacji i skurczowego przemieszczania
ciekłego metalu
Przekrój wzdłuż osi wlewka:
1  jama skurczowa
2  segregacja skurczowa
3  segregacja osiowa
4  segregacja zewnętrzna
Zawartość rozpuszczonych
składników w osi wlewka może
być wyższa o ponad 30% niż ich
wartość średnia
Instytut Inżynierii Materiałowej PA