1

ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE,

ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE,

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

Zakres tematyczny

11

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Odkształcenie materiałów metalicznych

Materiały metaliczne są ciałami plastycznymi

– pod wpływem

obciążenia, którego wartość przekracza granicę sprężystości,
zmieniają swoje wymiary i kształt bez utraty spójności (bez

zmieniają swoje wymiary i kształt bez utraty spójności (bez
zniszczenia)

[1]

.

Zjawisko to umożliwia kształtowanie metali na drodze

przeróbki

plastycznej

.

22

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

2

Odkształcenie materiałów metalicznych

Makroskopowe odkształcenie plastyczne

obserwowane jest po

przekroczeniu

granicy plastyczności

– jednej z podstawowych

charakterystyk materiału, określającą geometrię i wytrzymałość

charakterystyk materiału, określającą geometrię i wytrzymałość
elementów maszyn i konstrukcji

[2]

.

R

e

– wyraźna granica

plastyczności

33

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

R

0,2

– umowna granica

plastyczności

Mechanizmy odkształcenia plastycznego

Mechanizmy odkształcenia plastycznego

[3]

:

• poślizg dyslokacyjny,

• bliźniakowanie,,

• pełzanie dyslokacyjne,

• pełzanie dyfuzyjne,

• poślizg wzdłuż granic ziarn.

44

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Ze względu na temperaturę procesu wyróżnia się:

• odkształcenie plastyczne na zimno

,

3

Mapy mechanizmów odkształcenia plastycznego

Odkształcenie plastyczne

na zimno

Poślizg

– wzajemne przemieszczanie się jednej części kryształu

względem drugiej (sieć krystaliczna przemieszczonych części
k

t ł

i

l

i

i )

kryształu nie ulega zmianie).

System poślizgu

– kombinacja płaszczyzny i kierunku poślizgu

(charakterystyczna dla każdego typu sieci).

Systemy poślizgu w metalach o sieci

A1, A2

i

A3

55

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Odkształcenie plastyczne

na zimno

Linie poślizgu

– powstają w wyniku przemieszczenia warstw

atomów oddalonych od siebie o 10÷1000 średnic atomowych.

Pasma poślizgu

– oddalone o ok. 100 średnic atomowych linie

poślizgu.

66

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

4

Odkształcenie plastyczne

na zimno

F

Współczynnik

Schmida







cos

cos







n

n

A

F

F

n

– siła rozciągająca

Równanie

SCHMIDA-BOASA

77

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

F

n

siła rozciągająca



– składowa styczna naprężenia

A

n

– przekrój poprzeczny

Odkształcenie plastyczne

na zimno

Krzywe umocnienia monokryształu o sieci A1, A2 i A3

Bliźniakowanie

– jednorodne ścinanie (o wektor bliźniakowania)

kolejnych warstw atomów.

Ze względu na sposób powstawania rozróżnia się:

•

bliźniaki mechaniczne

– powstałe w wyniku dyslokacyjnego

mechanizmu odkształcenia plastycznego (podobnie jak poślizg) –
granice bliźniacze koherentne;

88

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

•

bliźniaki wyżarzania

– utworzone w podwyższonej temperaturze

(powyżej temperatury rekrystalizacji) – granice półkoherentne
(bliźniaki w kształcie soczewek).

5

Odkształcenie plastyczne

na zimno

POLIKRYSZTAŁÓW

Granica

plastyczności

–

naprężenie

niezbędne

do

zapoczątkowania makrosko-powego odkształcenia pla-stycznego we
wszystkich ziarnach polikryształu

Wpływ rozmiaru ziarn na granicę plastyczności (

umacniająca rola granic ziarn

)

Równanie

HALLA-PETCH’A

R

ed

=



0

+ k ·d

-1/2

99

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

R

ed

– dolna granica plastyczności;



0

– naprężenie tarcia sieci;

k

– stała,

d

- średnia średnica ziarn.

Odkształcenie plastyczne

na gorąco

Pełzanie dyslokacyjne

– zachodzi w temperaturze homologicznej

T

H

> 0,3 i związane jest głównie ze wspinaniem dyslokacji

10

10

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

6

Odkształcenie plastyczne

na gorąco

Pełzanie dyfuzyjne

– zachodzi w

T

H

> 0,6 w warunkach

niehydrostatycznego stanu naprężeń

Pełzanie

Nabarro-Herringa

Pełzanie

Coble’a

11

11

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Odkształcenie plastyczne

na gorąco

Poślizg wzdłuż granic ziarn

– zachodzi w

T

H

> 0,4

12

12

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

7

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

13

13

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Wielkość odkształcenia plastycznego

Gniot

–

procentowy

stosunek

zmniejszenia

pola

przekroju

poprzecznego



A

do pola przekroju początkowego

A

0

:

%

100

%

100

0

0

0













A

A

A

A

A

Z

14

14

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

8

Zgniot

Zgniot

– całokształt zmian:

•

mikrostruktury

,

•

stanu naprężeń

,

•

właściwości

zachodzących w materiale pod wpływem odkształcenia plastycznego
na zimno.

15

15

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Zgniot

– ZMIANY MIKROSTRUKTURY

PRZED

ODKSZTAŁCENIEM

ODKSZTAŁCENIE

WEWNĄTRZ-

KRYSTALICZNE

ODKSZTAŁCENIE

MIĘDZY-

KRYSTALICZNE

STRUKTURA WŁÓKNISTA

16

16

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

TEKSTURA

ODKSZTAŁCENIA

9

Zgniot

– ZMIANY MIKROSTRUKTURY

OBROTY SIECI WZGLĘDEM DZIAŁANIA SIŁY ZEWNĘTRZNEJ

17

17

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

K

p

– kierunek poślizgu

n

– normalna do

płaszczyzny poślizgu

Zgniot

– ZMIANY STANU NAPRĘŻEŃ

Podział

naprężeń własnych

w stanie zgniotu:

•

podmikroskopowe

(

I-ego rodzaju

) – w obrębie poszczególnych

ziarn - efekt odkształcenia wewnątrzkrystalicznego (tj. odkształcenia
sieci w pobliżu granic ziarn);

•

mikroskopowe

(

II-ego rodzaju

) – między sąsiednimi ziarnami -

efekt

odkształcenia

międzykrystalicznego

(tj.

niejednorodnym

odkształceniem, wydłużeniem, fragmentacją i obrotami);

k

k

(

III

d j

)

i d

t

i

t i ł

18

18

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

•

makroskopowe

(

III-ego rodzaju

) – pomiędzy warstwami materiału

odkształconego

-

efekt

nierównomiernego

odkształcenia

na

przekroju.

10

Zgniot

– ZMIANY WŁAŚCIWOŚCI

Zmiany właściwości w stanie zgniotu związane są ze

zjawiskiem umocnienia

przejawiającego się:

•

zwiększeniem

:

granicy plastyczności,

wytrzymałości,

twardości,

•

zmniejszeniem

:

dł ż

i

19

19

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

wydłużenia,

przewężenia,

udarności.

Zgniot

– UMOCNIENIE

Wzrost

gęstości

dyslokacji

10

5

 10

8

cm

-2

10

9

 10

12

cm

-2

20

20

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

11

Zgniot

– ZMIANY WŁAŚCIWOŚCI FIZYCZNYCH I CHEMICZNYCH

Zmiany

właściwości fizycznych i chemicznych

w stanie

zgniotu:

•

zwiększenie

:

histerezy magnetycznej

•

zmniejszenie

:

przewodności elektrycznej,

siły elektromotorycznej,

przenikalności i podatności magnetycznej

21

21

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

przenikalności i podatności magnetycznej,

odporności na korozję.

Zgniot

– ENERGIA ZMAGAZYNOWANA

ODKSZTAŁECENIE PLASTYCZNE

NA ZIMNO

E

z

= W - Q

W

– praca mechaniczna odkształcenia

Q

– ciepło odkształcenia

22

22

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Q

ciepło odkształcenia

STAN METASTABILNY

12

Aktywowane cieplnie procesy usuwania skutków umocnienia

STATYCZE

PO ODKSZTAŁECENIU
PLASTYCZNYM NA ZIMNO

DYNAMICZNE

W TRAKCIE ODKSZTAŁECENIA
PLASTYCZNEGO NA GORĄCO

ZDROWIENIE

zmniejszenie zdefektowania struktury krystalicznej bez migracji
szerokątowych granic ziarn

REKRYSTALIZACJA

tworzenie i rozrost wolnych od defektów ziarn

23

23

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

y

PRZYWRÓCENIE WŁAŚCIWOŚCI JAKIE MATERIAŁ POSIADAŁ PRZED

ODKSZTAŁCENIEM PLASTYCZNYM

Zdrowienie statyczne

Zdrowienie

– procesy wydzielania się z odkształconego metalu

energii zmagazynowanej w wyniku zmniejszenia gęstości defektów
punktowych oraz wzajemnego oddziaływania, przegrupowania
i anihilacji dyslokacji bez udziału migracji szerokokątowych granic

i anihilacji dyslokacji bez udziału migracji szerokokątowych granic
ziarn.

Poligonizacja

24

24

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

13

Rekrystalizacja statyczna

Rekrystalizacja

– zachodzi powyżej tzw. temperatury rekrystalizacji

(wyższej niż temperatura, w której obserwuje się zdrowienie),
związana jest z migracją szerokokątowych granic ziarn i prowadzi do
wzrostu ziarn i zmiany ich orientacji.

Rodzaje

rekrystalizacji

statycznej:

•

pierwotna

,

25

25

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

•

równomierna

(rozrost ziarn),

•

wtórna

(anormalny rozrost ziarn).

Rekrystalizacja pierwotna

Rekrystalizacja pierwotna

– prowadzi do wydzielenia się całej

energii zmagazynowanej, tym samym do przywrócenia właściwości
materiału jakie miał przed odkształceniem plastycznym.

Mechanizmy zarodkowania podczas rekrystalizacji

26

26

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

14

Rekrystalizacja pierwotna

WYDZIELANIE ENERGII ZMAGAZYNOWANEJ

MIGRACJA GRANICY

ANIHILACJA

DEFEKTÓW NA

Różnica energii

zmagazynowanej

zarodka

rekrystalizacji

-

podziarna

utworzonego

WZRO

S

ZA
ROD

K

TWORZE

N

ZREKR

YST

A

L

IZ

O

ZI

A

RN O

M

A

Ł

EJ

DYSLOK

A

SIŁA

NAPĘDOWA

27

27

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

FRONCIE

REKRYSTALIZACJI

podczas

zdrowienia oraz

odkształconej

osnowy

S

T

K

ÓW

N

IE

O

WA
N

Y

C

H

G

Ę

ST
O

Ś

CI

A

CJI

Rekrystalizacja równomierna

(rozrost ziarn)

Rekrystalizacja

równomierna

–

zachodzi

po

zakończeniu

rekrystalizacji pierwotnej i polega na wzroście średniej wielkości
ziarn.

ZMNIEJSZENIE POWIERZCHNI GRANIC ZIARN

PROSTOWANIE

Napięcie

SIŁA

NAPĘDOWA

Rozrost ziarn

większych

28

28

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

ZAKRZYWIONYCH

GRANIC

p ę

powierzchniowe

granic ziarn

większych –

kosztem

mniejszych

15

Rekrystalizacja wtórna

(anormalny rozrost ziarn)

Rekrystalizacja

wtórna

–

zachodzi

w

znacznie

wyższej

temperaturze

niż

rekrystalizacja

pierwotna

i

równomierna.

Szczególny przypadek selektywnego, silnego rozrostu niektórych
ziarn o uprzywilejowanej orientacji

ziarn o uprzywilejowanej orientacji.

29

29

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Temperatura rekrystalizacji

Temperatura rekrystalizacji

– ma charakter umowny – nie ma

określonej wartości ponieważ zależy od wielu czynników:

j

p

y

y

•

temperatury topnienia T

t

(empiryczna zależność Boczwara)

T

R

= (0,35 ÷ 0,60) T

t

30

30

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Temperatura w skali bezwzględnej !!!

16

Temperatura rekrystalizacji

•

stopnia odkształcenia

(gniotu) – większy gniot

=>

większa wartość

energii zmagazynowanej

=>

obniżenie T

R

•

czystości metalu

– zanieczyszczenia ograniczają ruchliwość

granic ziarn

=>

podwyższenie T

R

•

drobnoziarnistości

– mały rozmiar ziarn

=>

obniżenie T

R

31

31

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

•

temperatury odkształcenia plastycznego

– mała wartość

=>

obniżenie T

R

Temperatura rekrystalizacji

Umownie

przyjmuje się, że

temperatura rekrystalizacji

jest

temperaturą, w której dany metal (stop) odkształcony określonym
gniotem zrekrystalizuje całkowicie w ciągu 1 h

Doświadczalnie

można wyznaczyć ją z wykresu zależności:

właściwość mechaniczna (wytrzymałość, twardość) w funkcji
temperatury wyżarzania

32

32

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

17

Gniot krytyczny

GRUBOZIARNISTOŚĆ

33

33

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

Zależność

rozmiaru

ziarna po wyżarzaniu
od gniotu

Techniczne

aspekty

procesów

odkształcania

plastycznego

i usuwania jego skutków

Wyżarzanie odprężające

– wykorzystanie efektów zdrowienia

=>

usuwanie

naprężeń własnych

Wyżarzanie rekrystalizujące

wykorzystanie efektów rekrystalizacji

Wyżarzanie rekrystalizujące

– wykorzystanie efektów rekrystalizacji

=>

usuwanie

skutków

umocnienia

odkształceniowego

(

wyżarzanie

międzyoperacyjne w procesach przeróbki plastycznej na zimno

)

PRZERÓBKA PLASTYCZNA

34

34

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka

NA GORĄCO

NA ZIMNO

Temperatura rekrystalizacji

T

R

18

Literatura źródłowa:

1.

Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1998

2.

J. W. Wyrzykowski, E. Pleszakow, J. Sieniawski: Odkształcanie i pękanie metali. WNT,
Warszawa 1999

3.

Dobrzański L. A.: Metaloznawstwo z podstawami nauki o materiałach. WNT, Warszawa 1999

4.

Przybyłowicz K.: Podstawy teoretyczne metaloznawstwa. WNT, Warszawa 1999

5.

Demaid A.: A history of superplastic metals. de Wit J. H. W. et al. (eds): Case Studies in
Manufacturing with Advanced Materials – Vol. 1. North-Holland, Amsterdam 1992

6.

Prowans S.: Struktura stopów. PWN, Warszawa 2000

Lit

t

ł i j

35

Literatura uzupełniająca:

Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1999

Ashby M. F., Jones R. H.: Materiały inżynierskie – cz. I i II. WNT, Warszawa 1995

Grabski M. W.: Nadplastyczność strukturalna metali. Wyd. Śląsk, Katowice 1973

Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD - 2010/2011 - dr inż. Maciej Motyka