282

Opracowa³: Stanis³aw Rudnik

Æwiczenie 34

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest poznanie wp³ywu nagrzewania na zmianê w³asnoœci mecha-

nicznych i strukturê metalu poddanego uprzednio odkszta³ceniu plastycznemu na zimno.

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

Metale jako cia³a plastyczne ulegaj¹ pod dzia³aniem si³ zewnêtrznych odkszta³ce-

niu, które polega na zmianie ich wymiarów, kszta³tu i objêtoœci, nie ulegaj¹c przy tym

zniszczeniu.

Rozró¿niamy odkszta³cenia sprê¿yste i plastyczne.

2.1. Odkszta³cenia sprê¿yste

Odkszta³cenia sprê¿yste s¹ to odkszta³cenia przemijaj¹ce, które zanikaj¹ po odci¹-

¿eniu; odkszta³cony element metalowy powraca do swego pierwotnego kszta³tu i wy-

miarów. Pod wp³ywem przy³o¿onego obci¹¿enia nastêpuje zmiana odstêpów pomiê-

dzy atomami w sieci krystalicznej; w przypadku dzia³ania si³ rozci¹gaj¹cych, komórki

sieciowe wyd³u¿aj¹ siê w kierunku dzia³ania tych si³, zaœ w przypadku dzia³ania si³

œciskaj¹cych, nieznacznie siê skracaj¹. W wyniku wzajemnego oddzia³ywania pomiê-

dzy wysuniêtymi ze swych po³o¿eñ równowagi atomami powstaj¹ wewn¹trz odkszta³-

conego materia³u si³y wewnêtrzne, które d¹¿¹ do przywrócenia stanu równowagi i pod

wp³ywem tych si³ element metalowy po odci¹¿eniu powraca do swego pierwotnego

kszta³tu.

2.2. Odkszta³cenia plastyczne

Obci¹¿enie metalu powy¿ej granicy sprê¿ystoœci powoduje odkszta³cenie plastyczne,

tj. odkszta³cenie trwa³e; odci¹¿ony element metalowy wykazuje trwa³¹ zmianê kszta³tu.

Odkszta³cenie plastyczne zachodzi w drodze poœlizgu oraz bliŸniakowania.

Odkszta³cenie przez poœlizg polega na tym, ¿e pod wp³ywem si³ zewnêtrznych

nastêpuj¹ przesuniêcia wzglêdem siebie czêœci kryszta³u wzd³u¿ okreœlonych p³asz-

czyzn krystalograficznych, które nosz¹ nazwê p³aszczyzn ³atwego poœlizgu. Wzajem-

ne przesuwanie siê warstw kryszta³u wzglêdem siebie powoduje pewne zniekszta³cenia

283

sieci krystalicznej w s¹siedztwie p³aszczy-

zny poœlizgu, co wp³ywa hamuj¹co na ruch

poœlizgowy tak, ¿e przerzuca siê on na drug¹

z kolei p³aszczyznê o tej samej orientacji

krystalograficznej. Na tej drodze tworz¹ siê

stopniowo nowe p³aszczyzny poœlizgu, od-

dzielone nie odkszta³conymi warstwami

krystalograficznymi. GruboϾ tych warstw,

czyli odleg³oœæ pomiêdzy p³aszczyznami po-

œlizgowymi jest rzêdu 10

-4

cm. Mechanizm

powstawania poœlizgów w monokrysztale

przedstawiono na rys. 34.1.

P³aszczyznami ³atwego poœlizgu, w któ-

rych metal stawia najmniejszy opór od-

kszta³ceniu, s¹ p³aszczyzny z najgêstszym

u³o¿eniem atomów. P³aszczyzny ³atwych

poœlizgów w uk³adach krystalograficznych typu A1, A2 oraz A3 przedstawia rys. 34.2.

Jak widaæ, najmniej p³aszczyzn i kierunków ³atwego poœlizgu wystêpuje w uk³adzie

heksagonalnym A3, tote¿ metale krystalizuj¹ce w tym uk³adzie, jak np. magnez i cynk

odznaczaj¹ siê mniejsz¹ plastycznoœci¹, zaœ najwiêksz¹ – w uk³adzie regularnym A1.

Rys. 34.1. Poœlizgi w monokrysztale cynku

∆

L

P

P

β

α+β

α

Przedstawiony wy¿ej mechanizm odkszta³cenia plastycznego nie jest œcis³y; w rze-

czywistoœci poœlizg przy odkszta³ceniu plastycznym jest procesem przemieszczania

siê dyslokacji, jak to schematycznie przedstawiono na rys. 34.3.

O ile na kryszta³ o idealnej sieci krystalicznej dzia³a si³a zewnêtrzna P, to pocz¹tko-

wo wyst¹pi¹ przesuniêcia sprê¿yste atomów w pionowych rzêdach 1, 2 oraz 3 nad

p³aszczyzn¹ poœlizgu A–A (rys. 34.3a). Przy dalszym wzroœcie si³y P drugi rz¹d ato-

mów wytworzy ekstra-p³aszczyznê, tj. powstanie dyslokacja (rys. 34.3b); teraz wy-

starczy przy³o¿yæ niedu¿¹ si³ê zewnêtrzn¹, a¿eby spowodowaæ przesuwanie siê po-

szczególnych pionowych rzêdów atomów nad p³aszczyznê poœlizgu A–A. Przesuniêcia

Rys. 34.2. P³aszczyzny ³atwego poœlizgu

A1

A2

A3

284

te jednorazowo nie s¹ wiêksze ni¿ jedna odleg³oœæ miêdzyatomowa (rys. 34.3c). W ten

sposób dyslokacja bêdzie siê przenosi³a na dalsze rzêdy atomów (4, 5 itd.), jak gdyby

pewnego rodzaju sztafeta, wychodz¹c w koñcu na powierzchniê kryszta³u (rys. 34.3d).

W ten sposób na powierzchni kryszta³u wytworzy siê uskok o wielkoœci jednej sta³ej

sieciowej, a dyslokacja zanika. Koñcowym wynikiem opisanego wy¿ej ruchu dyslo-

kacji jest przesuniêcie czêœci kryszta³u wzd³u¿ p³aszczyzny poœlizgu o jedn¹ odleg³oœæ

miêdzyatomow¹. Wed³ug tego mechanizmu odkszta³cenia do wytworzenia dyslokacji

niezbêdna jest jedynie dosyæ du¿a si³a pocz¹tkowa P. O ile dyslokacja ju¿ powsta³a to

do wywo³ania odkszta³cenia potrzebne s¹ znacznie mniejsze si³y.

Rys. 34.3. Dyslokacyjny schemat przebiegu poœlizgu

Odkszta³cenie plastyczne mo¿e zachodziæ tak¿e w drodze bliŸniakowania. Tego ro-

dzaju odkszta³cenie zachodzi szczególnie ³atwo u metali krystalizuj¹cych w uk³adzie re-

gularnym p³askocentrycznym A1 i heksagonalnym zwartym A3, jak: miedŸ, cynk, z³oto.

Tworzenie siê kryszta³ów bliŸniaczych polega na tym, ¿e czêœæ kryszta³u przyjmuje po³o-

¿enie bêd¹ce zwierciadlanym odbiciem pozosta³ej czêœci kryszta³u, jak to przedstawia

rys. 34.4. Przesuniêcie poszczególnych warstw atomowych jest proporcjonalne do ich

odleg³oœci od p³aszczyzny bliŸniaczej.

Rys. 34.4. Odkszta³cenia w drodze bliŸniakowania

A

B

C

C’

D

D’

a/

b/

c/

P

P

1

1

1

1

A

A

A

A

P

P

P

P

A

A

A

A

1’

1’

1’

1’

2

2

2

2

2’

2’

2’

2’

3

3

3

3

3’

3’

3’

3’

4

4

4

4

4’

4’

4’

4’

5

5

5

5

5’

5’

5’

5’

6

6

6

6

6’

6’

6’

6’

a/

b/

c/

d/

285

Przebieg odkszta³cenia cia³a polikrystalicznego, jakim s¹ metale, jest bardziej z³o-

¿ony. S¹siedztwo ziarn o ró¿nej orientacji krystalicznej, jak równie¿ wystêpowanie

zanieczyszczeñ na ich granicach wp³ywa hamuj¹co na przebieg poœlizgów w poszcze-

gólnych ziarnach.

2.3. Umocnienie

Zmiany, które zachodz¹ w strukturze i w³asnoœciach metali pod wp³ywem odkszta³-

cenia plastycznego na zimno obejmuje siê pojêciem zgniotu. Za miarê zgniotu przyjêto

stopieñ odkszta³cenia, wyra¿ony ubytkiem przekroju w procentach w oparciu o wzór:

(1)

gdzie: z – stopieñ zgniotu w procentach,

F

0

– powierzchnia przekroju przed odkszta³ceniem,

F

1

– powierzchnia przekroju po odkszta³ceniu.

W czasie odkszta³cenia plastycznego nastêpuje stopniowe zahamowanie ruchów

poœlizgowych w p³aszczyznach poœlizgu, skutkiem czego opór przeciwko odkszta³ceniu

stopniowo wzrasta. Aby je dalej kontynuowaæ trzeba stosowaæ coraz to wiêksze si³y.

Zjawisko to zwi¹zane jest ze wzrostem iloœci dyslokacji, utrudnionym przejœciem dys-

lokacji przez przeszkody oraz wzrostem wewnêtrznego stanu naprê¿enia wywo³ane-

go przez wzajemne oddzia³ywanie ziarn. Zachodzi ono w monokryszta³ach, jak i w cia-

³ach polikrystalicznych, przy czym w tym ostatnim przypadku nale¿y jeszcze uwzglêdniæ

wp³yw granic ziarn. W wyniku umocnienia, w³asnoœci wytrzyma³oœciowe metali wzra-

staj¹, natomiast w³asnoœci plastyczne ulegaj¹ obni¿eniu; zmieniaj¹ siê tak¿e w³asnoœci

fizyczne i chemiczne metalu.

2.4. Wp³yw nagrzewania

na strukturê i w³asnoœci odkszta³conego metalu

Odkszta³cony plastycznie na zimno metal znajdowaæ siê bêdzie w stanie równo-

wagi nietrwa³ej. Dla wiêkszoœci metali stan ten mo¿e utrzymywaæ siê w normalnych

temperaturach dowolnie d³ugu bez ¿adnych zmian, gdy¿ ruchliwoœæ atomów bêdzie

zbyt ma³a, aby usun¹æ naprê¿enia panuj¹ce w sieci przestrzennej i przywróciæ jej

prawid³ow¹ budowê. Dopiero po nagrzaniu, w zwi¹zku ze zwiêkszon¹ ruchliwoœci¹

atomów, skutki zgniotu zostaj¹ usuniête i metal odzyskuje prawid³ow¹ strukturê kry-

staliczn¹ i odpowiednie w³asnoœci, jak to przedstawiono na rys. 34.5.

286

Ca³oœæ zjawisk zachodz¹cych podczas nagrzewania zgniecionego metalu mo¿na

podzieliæ na nastêpuj¹ce etapy:
1) zdrowienie,

2) poligonizacja,

3) rekrystalizacja pierwotna,

4) rozrost ziarn,

5) rekrystalizacja wtórna.

Przy nagrzewaniu metalu do niewysokich temperatur nastêpuje jedynie czêœciowe

usuniêcie naprê¿eñ sieci krystalicznej zgniecionego metalu, który to proces nazywa-

my zdrowieniem.

W mikrostrukturze metalu w czasie zdrowienia nie zachodz¹ ¿adne zmiany. W³a-

snoœci mechaniczne zmieniaj¹ siê w tym okresie bardzo nieznacznie; wiêkszym zmia-

nom podlegaj¹ niektóre w³asnoœci fizyczne (przewodnictwo elektryczne) oraz che-

miczne (odpornoœæ na korozjê). Przy nieco wy¿szych temperaturach nastêpuje proces

poligonizacji. Dyslokacje, które w zgniecionym metalu rozmieszczone s¹ w sposób

nieuporz¹dkowany, jak to przedstawia rys. 34.6a, przemieszczaj¹ siê wzd³u¿ p³asz-

czyzn ³atwego poœlizgu, grupuj¹c siê w rzêdach, jak to widaæ na rys. 34.6b. Proces ten

prowadzi do powstania granic subziarn (bloków), tj. obszarów o nieznacznie ró¿ni¹cej

Rys. 34.5. Wp³yw nagrzewania na strukturê i w³asnoœci zgniecionego metalu

temperatura wy¿arzania

zdrowienie

wielkoϾ

zrekrystalizowanych ziarn

plastycznoϾ

wytrzyma³oœæ

naprê¿enia szcz¹tkowe

gêstoœæ

napr

ê¿en

ie

s

zc

z¹t

ko

w

e,

gê

st

oœ

æ

w

yt

rzym

a³

oϾ,

pl

ast

yc

znoϾ

wi

el

ko

Ͼ

zi

ar

na

rozrost ziarn

rekrysta-

lizacja

pierwotna

rekrysta-

lizacja

wtórna

287

siê orientacji krystalograficznej. W ten sposób ziarna zgniecionego metalu rozpadaj¹

siê na szereg subziarn skrêconych wzglêdem siebie o niewielkie k¹ty paru minut.

Pe³ne usuniêcie naprê¿eñ istniej¹cych w sieci przestrzennej i przywrócenie zgnie-

cionemu metalowi prawid³owej struktury krystalicznej oraz odpowiednich w³asnoœci

nastêpuje dopiero po nagrzaniu go powy¿ej okreœlonej temperatury, zwanej tempera-

tur¹ rekrystalizacji. W tej temperaturze, w miejsce odkszta³conych ziarn krystalicz-

nych z zaburzon¹ sieci¹ przestrzenn¹, powstaj¹ nowe ziarna krystaliczne o prawid³o-

wej strukturze sieciowej, w wyniku czego zanika umocnienie metalu – nastêpuje spadek

wytrzyma³oœci i twardoœci, a wzrost plastycznoœci metalu. Temperatura rekrystaliza-

cji zale¿y przede wszystkim od temperatury topnienia metalu, co zosta³o przez Bo-

czwara wyra¿one wzorem:

(2)

gdzie: T

r

– bezwzglêdna temperatura rekrystalizacji,

T

t

– bezwzglêdna temperatura topnienia,

a – wspó³czynnik wahaj¹cy siê zwykle w granicach 0,35 - 0,60.

Zrekrystalizowane ziarna rozrastaj¹ siê. Proces ten przebiega samorzutnie wsku-

tek naturalnego d¹¿enia uk³adu do zmniejszenia zasobu swej energii wewnêtrznej.

Du¿e ziarno, maj¹ce wiêksz¹ powierzchniê przypadaj¹c¹ na jednostkê swej objêtoœci,

z punktu widzenia termodynamiki jest bardziej trwa³e ni¿ ziarno drobne. Du¿e ziarna

rozrastaj¹ siê kosztem ziarn drobnych, a¿ do zupe³nego zaniku. Rekrystalizacja wtór-

na zachodzi w czasie wygrzewania po rekrystalizacji pierwotnej w temperaturach

znacznie przewy¿szaj¹cych temperaturê rekrystalizacji. Polega ono na szybkim roz-

roœcie niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych. Ziarna wtórne mog¹ w krótkim cza-

sie osi¹gn¹æ bardzo du¿e wymiary, nawet wielkoœæ kilkuset mm

2

.

2.5. WielkoϾ ziarna po zgniocie i rekrystalizacji

Wielkoœæ ziarna po przeróbce plastycznej na zimno i nastêpnej rekrystalizacji zale-

¿y przede wszystkim od dwóch czynników, a to: stopnia zgniotu oraz temperatury

wy¿arzania rekrystalizuj¹cego. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna po rekrystalizacji od stop-

nia uprzedniego zgniotu przedstawia rys. 34.7 – widoczne jest, ¿e przy ma³ym stopniu

Rys. 34.6. Schemat przebiegu poligonizacji

a)

b)

288

odkszta³cenia nie obserwuje siê ¿adnych

zmian w œrednim rozmiarze ziarna.

Po osi¹gniêciu pewnego stopnia od-

kszta³cenia, zwanego krytycznym stop-

niem zgniotu, w wyniku rekrystalizacji

powstaj¹ ziarna bardzo du¿ych rozmiarów.

Dopiero dalsze podwy¿szanie stopnia

zgniotu powoduje silne zmniejszanie siê

ziarna po rekrystalizacji i to tym wiêksze,

im wiêkszy by³ stopieñ odkszta³cenia pla-

stycznego na zimno. WielkoϾ krytyczne-

go stopnia zgniotu jest niedu¿a i dla wiêk-

szoœci metali waha siê w granicach 5-10%.

Oprócz stopnia zgniotu na wielkoœæ ziar-

na wp³ywa równie¿ temperatura rekrystalizacji. Czym wy¿sza temperatura rekrysta-

lizacji, tym wiêksze otrzymuje siê ziarno, gdy¿ szybkoœæ rozrastania siê kryszta³ów

roœnie ze wzrostem temperatury. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna od stopnia zgniotu i tem-

peratury rekrystalizacji mo¿na przedstawiæ na modelu przestrzennym, jak to dla ¿ela-

za podaje rys. 34.8.

stopieñ odkszta³cenia

w

iel

ko

Ͼ

z

iar

na

Rys. 34.7

Zale¿noœæ wielkoœci ziarna po rekrystalizacji od

uprzedniego stopnia agniotu

Rys. 34.8. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna od stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji

400

5 10 15 20

30

50

75

500

600

700

800

900

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3800

4000

w

ie

lk

oϾ zi

ar

na

,

mm

2

stopieñ zgniotu, %

289

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

W celu przeprowadzenia przedmiotowego æwiczenia potrzebne s¹ nastêpuj¹ce

materia³y i urz¹dzenia:
1. Wy¿arzone aluminiowe paski o wymiarach 150 x 10 x 0,3 w iloœci 6 sztuk.

2. Dwa odcinki drutu z mosi¹dzu CuZn30 o œrednicy 4mm i d³ugoœci 200 m, poddane

uprzednio 60% odkszta³ceniu drog¹ ci¹gnienia.

3. Rysik.

4. Suwmiarka.

5. Mikromierz.

6. Znacznik odleg³oœci.

7. Rêczna rozci¹garka.

8. Maszyna wytrzyma³oœciowa.

9. Piec Oporowy.

10. Lupa 5 x.

11. Odczynnik trawi¹cy (5% HF).

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

W ramach æwiczenia nale¿y:

1. Przygotowaæ paski aluminiowe do rozci¹gania, zaznaczaj¹c rysikiem w œrodku bazê

pomiarow¹ o d³ugoœci l

0

= mm.

2. Poddaæ rozci¹ganiu na rêcznej rozci¹garce poszczególne paski aluminiowe, wywo-

³uj¹c odkszta³cenie: 2; 3; 5; 8; 10% liczone wzglêdem d³ugoœci pomiarowej wg

wzoru:

(3)

3. Poddaæ wy¿arzaniu odkszta³cone paski aluminiowe i jeden odcinek drutu w tempe-

raturze 580°C przez okres 0,5 godziny.

4. Na drutach zaznaczyæ znacznikiem granice d³ugoœci pomiarowej oraz dzia³ki po-

mocnicze.

5. Poddaæ rozci¹ganiu na maszynie wytrzyma³oœciowej drut wy¿arzony i nie wy¿arzo-

ny, celem okreœlenia:

a) wytrzyma³oœci na rozci¹ganie,

b) wyd³u¿enia,

c) przewê¿enia.

6. Poddaæ trawieniu wy¿arzone paski aluminium tak d³ugo, a¿ wyst¹pi¹ wyraŸne ziarna.

7. Okreœliæ iloœæ ziarn na powierzchni cm

2

dla ka¿dego paska.

8. Obliczyæ wielkoœæ ziarna poszczególnych pasków.

290

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1. Opis czynnoœci przy wykonywaniu æwiczenia.

2. Okreœlenie temperatury rekrystalizacji.

3. Wyniki badañ przedstawione w formie tabelarycznej.

4. Wykres wielkoœci ziarna od stopnia odkszta³cenia z zaznaczeniem zgniotu krytycz-

nego.

5. Wnioski.

6. LITERATURA

[1] Dobrzañski L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd. Pol.

Œl., Gliwice 1953.

[2] Gulajew A.P.: Metaloznawstwo. „Œl¹sk”, Katowice 1967.

[3] Katarzyzñski S., Kocañda S., Zakrzewski M.: Badanie w³asnoœci mechanicz-

nych metali. WNT, Warszawa 1967.

[4] Przyby³owicz K.: Metaloznawstwo. Wydawnictwo NT, Warszawa 1992.

[5] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1986.

[6] Staub F.: Metaloznawstwo. Œl. Wyd. Techn., Katowice 1994.

[7] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.