Obróbka plastyczna

Wykład 2

Budowa krystaliczna metali

Wszystkie metale posiadają budowę
krystaliczną.

Sieć krystaliczna

– układ

atomów o ściśle określonych
wzajemnych odległościach i
określonych kierunkach.

Budowa krystaliczna metali

Większość metali krystalizuje w trzech podstawowych rodzajach sieci

przestrzennej:



sieć regularna płasko centrowana,



sieć regularna przestrzennie centrowana,



sieć heksagonalna.

Budowa krystaliczna metali

Sieć regularna płasko centrowana

(oznaczana symbolem A1)

– występuje w

metalach takich jak: żelazo , aluminium,

miedź, nikiel, ołów, srebro, złoto, platyna,

iryd, pallad.

Budowa krystaliczna metali

Sieć regularna przestrzennie
centrowana (oznaczana symbolem A2)

–

występuje w metalach takich jak: żelazo
, wolfram, wanad, molibden, chrom, lit.

Budowa krystaliczna metali

Sieć heksagonalna (oznaczana
symbolem A3)

– występuje w metalach

takich jak: cynk, kadm, magnez, beryl,
tytan .

Budowa krystaliczna metali

Metale są polikrystaliczne – zbudowane z dużej liczby drobnych kryształów

zwanych ziarnami.

Sieć krystaliczna zawsze posiada liczne błędy budowy wywołane obecnością

obcych atomów oraz nieprawidłowym usadowieniem się atomów własnych. Ze

względu na geometrię tych defektów możemy je podzielić na defekty:



punktowe,



liniowe,



powierzchniowe.

Budowa krystaliczna metali

Defekty punktowe – błędy budowy sieci powstałe wskutek:



występowania obcych atomów o wymiarach różnych od wymiarów atomów

danej sieci,



puste, nieobsadzone atomami węzły sieci przestrzennej (wakanse, luki),



nadliczbowe atomy wciśnięte między atomy znajdujące się w węzłach (atomy

międzywęzłowe).

Budowa krystaliczna metali

Defekty liniowe (dyslokacje):



dyslokacje krawędziowe,



dyslokacje śrubowe,



dyslokacje mieszane.

Budowa krystaliczna metali

Defekty powierzchniowe – zaburzenia

struktury krystalicznej mające postać powierzchni

– warstwy o grubości od jednego do kilku

parametrów sieci. Są to: zgrupowania wakansów,

powierzchnie zewnętrzne, granice międzyfazowe,

granice między ziarnami tej samej fazy.

Mechanizm

odkształceń

plastycznych

Odkształcenia trwałe (plastyczne) w
krysztale zachodzą w oparciu o
zjawisko poślizgu lub znacznie
rzadziej bliźniakowania.

Mechanizm

odkształceń

plastycznych

Poślizg – polega na tym, że po przekroczeniu

określonego obciążenia kryształ dzieli się na szereg

warstw, które nawzajem przesuwają się po sobie.

Płaszczyzny, wzdłuż których następuje poślizg nazywamy

płaszczyznami poślizgu.

Poślizg następuje zazwyczaj w płaszczyznach najgęściej

obsadzonych atomami.

a –

param
etr
sieci

Mechanizm

odkształceń

plastycznych

Bliźniakowanie – polega na obrocie

sieci przestrzennej jednej części kryształu

w stosunku do drugiej tak, że obie części

kryształu przyjmują symetryczne

położenie.

Płaszczyzna A-B w stosunku do
której następuje obrót nazywa się
płaszczyzną bliźniakowania.

Proces bliźniakowania zachodzi
nagle, „skokiem” i towarzyszą mu
niekiedy efekty dźwiękowe np.
charakterystyczny trzask przy
zginaniu pałeczki cyny.

Mechanizm

odkształceń

plastycznych

W rzeczywistości nie następuje poślizg

jednoczesny (całych warstw w tym samym czasie).

Dzięki istnieniu defektów sieci krystalicznej

przemieszczają się tylko pewne grupy atomów

(rys. 1), co znacznie zmniejsza wartości naprężeń

niezbędnych do wywołania odkształcenia trwałego.

Rys. 1 Schemat powstawania odkształcenia
plastycznego w wyniku przejścia dyslokacji
krawędziowej

Mechanizm

odkształceń

plastycznych

Naprężenie wywołujące odkształcenie plastyczne zmniejsza się w

miarę zwiększania liczby swobodnych dyslokacji (defektów

liniowych) tylko do pewnej granicy. Osiągnąwszy minimalną

wartość przy tzw. krytycznej gęstości dyslokacji

(charakterystycznej dla materiału wyżarzonego) naprężenie

uplastyczniające rośnie wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji.

Wzrost gęstości dyslokacji wywołany jest odkształceniem

plastycznym.

Rys. 2 Zależność naprężenia uplastyczniającego
od gęstości dyslokacji.

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Umocnienie

– wzrost wartości naprężeń

uplastyczniających wywołany
odkształceniami trwałymi.

Zjawisko umocnienia wywołane
jest wzrostem gęstości dyslokacji
i jednocześnie zmniejszeniem się
swobodnej drogi dyslokacji.
Powoduje to wzrost poziomu
naprężeń niezbędnych do
wywołania ruchu dyslokacji
(odkształceń trwałych).

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Zmiana struktury

Pod wpływem odkształcenia
ziarna ulegają wydłużaniu i osie
krystalograficzne układają się w
kierunku największego
wydłużenia. Struktura o wyraźnie
uporządkowanych osiach
krystalograficznych ziaren nosi
nazwę tekstury zgniotu. Struktura
taka posiada własności
anizotropowe.

Anizotropia – właściwość
materiału, polegająca na
zależności jego własności od
kierunku badań.

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Energia zmagazynowana

–

stanowi

część pracy odkształcenia
plastycznego, która nie
wydziela się w postaci ciepła w
czasie odkształcania materiału.

Energia zmagazynowana jest
energią związaną z wychyleniem
atomów z położenia równowagi
wskutek powstawania różnych
defektów w czasie odkształcania
plastycznego. Stanowi ona od 2 –
10% całkowitej pracy
odkształcenia.

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Energia zmagazynowana powoduje wzrost energii swobodnej.

Zgnieciony materiał znajduje się w stanie równowagi nietrwałej i

wykazuje tendencję do samorzutnego przejścia w stan o niższej

energii swobodnej.
Zmniejszenie energii swobodnej zachodzi na skutek zmniejszenia ilości

dyslokacji i bardziej równomiernego ich rozkładu. Procesy te są

aktywowane cieplnie.
W zależności od czasu i temperatury wyżarzania w zgniecionym

materiale zachodzą:



zdrowienie,



rekrystalizacja.

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Zdrowienie

Wzrost temperatury powoduje dyfuzję atomów,
w wyniku której zachodzą następujące zjawiska:



anihilacja (likwidacja) defektów punktowych

(atomy nadmiarowe spotykają się z wakansami
i zajmują położenia węzłowe),



anihilacja dyslokacji o znakach przeciwnych

,



poligonizacja

(porządkowanie dyslokacji o

jednakowych znakach pozostających w
nadmiarze, tworzą one układy o niższej energii
tzw. granice wąskokątowe).

W wyniku powyższych zjawisk zostaje
wydzielona część energii zmagazynowanej, a
własności mechaniczne ulegają niewielkim
zmianom. Procesy zdrowienia zachodzą przy
temperaturze 0,3 T

topn.

Zjawiska towarzyszące

odkształceniom plastycznym

Rekrystalizacja
Proces rekrystalizacji powoduje zmiany
strukturalne, których wynikiem jest
utworzenie nowych ziaren
zawierających stosunkowo niewielką
liczbę dyslokacji.

Rekrystalizacja zachodzi w wyższych
temperaturach niż proces zdrowienia.
Temperatura rekrystalizacji wynosi
0,40,6 T

topn.

(T

topn.

przyjmowana w K).

Proces ten powoduje obniżenie oporów
plastycznych materiału na skutek
eliminacji skutków umocnienia.

Podział procesów obróbki

plastycznej

Kształtowanie materiału w
temperaturze równej lub wyższej od
temperatury rekrystalizacji nazywa
się obróbką plastyczną na gorąco.

Procesy kształtowania przebiegające
w temperaturze niższej od
temperatury rekrystalizacji zaliczane
są do obróbki plastycznej na
zimno.

Obróbka plastyczna na gorąco

Obróbkę plastyczną na gorąco
stosuje się w celu:



zmniejszenia nacisków

jednostkowych niezbędnych do
kształtowania,



zwiększenia plastyczności materiału

tj. wartości odkształcenia
granicznego, po przekroczeniu
którego następuje pękanie.

Obróbka plastyczna na gorąco

Zakres temperatur obróbki plastycznej na
gorąco ograniczony jest
od góry:



utlenieniem,



odwęgleniem,



tworzeniem gruboziarnistej struktury,

od dołu:



wartością naprężeń uplastyczniających,



zdolnością materiału do odkształceń

granicznych.

Dla stali węglowych górna granica
temperatury obróbki plastycznej na gorąco
leży na linii a (rys. 1) - 100150ºC poniżej

linii solidusu. Dolna granica wynosi ok. 800
ºC (linia b).

Rys. 1 Zakres
temperatury obróbki
plastycznej na gorąco
dla stali węglowych

Obróbka plastyczna na zimno

W procesach kształtowania na zimno
na skutek umocnienia otrzymuje się
wyroby o wysokich własnościach
wytrzymałościowych.
Materiał posiada jednak niskie
własności plastyczne (szybko traci
spójność – pęka) oraz niezbędne jest
wywołanie dużych nacisków do
wywołania odkształcenia.