TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW METALICZNYCH - LABORATORIUM		2010/2011
Gałek Dariusz, Kowaleczko Krzysztof		Rok III	Grupa 2
			Zespół 4
Numer Ćwiczenia 1	Odkształcenie plastyczne metali	Ocena

I. Cel ćwiczenia

Praktyczne wyznaczanie podstawowych wielkości charakteryzujących odkształcenie plastyczne metali takich jak: opór odkształcenia (nacisk jednostkowy), opór plastyczny, opór tarcia, współczynnik tarcia.

II. Wstęp teoretyczny

1. Plastyczność i odkształcenie

Jedną z najważniejszych własności metali i stopów jest ich zdolność do trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności, zwana plastycznością. Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka plastyczna metali, polegająca m.in. na:

• walcowaniu,

• kuciu,

• prasowaniu,

• ciągnieniu.

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie gotowych produktów i półproduktów hutniczych, takich jak:

• pręty,

• kształtowniki,

• rury,

• druty,

• blachy,

• odkuwki.

W zależności od wymaganych własności produktów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się:

• na zimno,

• na gorąco.

Obróbka plastyczna na zimno jest wykonywana w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, a na gorąco – powyżej tej temperatury.

Odkształcenie jest reakcją materiałów na naprężenie. Pod wpływem takich samych naprężeń sztywne materiały odkształcają się nieznacznie (np. stal), natomiast miękkie (podatne materiały) odkształcają się w znacznie większym stopniu (np. polietylen).

2. Stopień gniotu

Wielkość odkształcenia plastycznego charakteryzuje geometryczna zmiana

przekroju przedmiotu obrabianego plastycznie, określana stopniem gniotu G:

%

gdzie:

H₀ i H₁ – odpowiednio przekrój poprzeczny przedmiotu przed i po obróbce plastycznej

W zależności od warunków obróbki plastycznej, tzn. głownie od temperatury i stopnia gniotu, a także sposobu i szybkości odkształcenia, liczby przepustów i innych czynników technologicznych, o własnościach metalu obrabianego plastycznie decydują rożne mechanizmy odkształcenia plastycznego oraz procesy aktywowane cieplnie, usuwające skutki umocnienia zgniotowego.

3. Klasyfikacja mechanizmów odkształcenia plastycznego

Do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą:

• poślizg dyslokacyjny,

• bliźniakowanie,

• pełzanie dyslokacyjne,

• pełzanie dyfuzyjne,

• poślizg po granicach ziarn.

3.1. Mechanizm poślizgu

Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg (rys. 1). Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje niezmieniona.

Rys. 1. Schemat mechanizmu odkształcenia plastycznego metali na zimno przez poślizg

W wyniku poślizgu przemieszczeniu ulegają warstwy metalu oddalone o 10 – 1000 średnic atomowych, tworząc tzw. linie poślizgu. Dalsze odkształcenie plastyczne jest związane z tworzeniem nowych linii poślizgu, nie zaś z dalszym poślizgiem wzdłuż linii istniejących. W wyniku odkształcenia plastycznego przez poślizg w temperaturze podwyższonej powstają pasma poślizgu złożone z kilku do kilkunastu równoległych linii poślizgu oddalonych od siebie o około 100 średnic atomowych. W niektórych kryształach, najczęściej o sieci typu A2, występuje pofałdowanie linii poślizgu, świadczące o jednoczesnym poślizgu w różnych systemach. W wyniku działania mechanizmu poślizgu następuje odkształcenie plastyczne metali na zimno i na gorąco. W niskiej temperaturze mechanizm ten jest ograniczony, przede wszystkim w metalach o sieci typu A2.

3.2. Mechanizm bliźniakowania

W przypadku zahamowania poślizgu, zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i A3, mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu może być bliźniakowanie. Bliźniakowanie polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).

Rys. 2. Schemat zbliźniaczonego kryształu o sieci regularnej ściennie centrowanej A1

4. Mechanizm odkształcenia plastycznego polikryształów na zimno

Przypadkowa orientacja krystalograficzna ziarn i blokujące działanie granic ziarn, zwłaszcza szerokokątowych, decydują o jednoczesnym odkształceniu plastycznym w licznych systemach poślizgu. Odkształcenie plastyczne polikryształów rozpoczyna się w ziarnach o systemie poślizgu zorientowanym zgodnie z kierunkiem przyłożenia obciążenia, jeszcze przed osiągnięciem makroskopowej granicy plastyczności. Przed granicami ziarn następuje wówczas spiętrzenie dyslokacji jednoimiennych. Powoduje to wytworzenie naprężenia wstecznego – skierowanego przeciwnie do przyłożonego obciążenia. W wyniku niejednoczesnego zapoczątkowania odkształcenia plastycznego w ziarnach o różnej orientacji krystalograficznej krzywa rozciągania poniżej makroskopowej granicy sprężystości ma charakter paraboliczny. Po osiągnięciu makroskopowej granicy plastyczności odkształcenie plastyczne następuje we wszystkich ziarnach. Odkształcenie plastyczne występuje nierównomiernie w wyniku rozprzestrzeniania się fal plastycznych – tzw. pasm Lüdersa. Wskutek działania odkształcenia plastycznego spiętrzenia dyslokacji w jednych ziarnach uaktywniają źródła dyslokacji w ziarnach sąsiednich i wywołują oddziaływanie dyslokacji z błędami ułożenia i dyslokacjami w innych systemach poślizgu. Wpływa to na zwiększenie umocnienia zgniotowego. Zwiększenie odkształcenia powoduje nasycenie ziarn dyslokacjami o dużej gęstości i utworzenie w ziarnach komórkowej podstruktury dyslokacyjnej, a nawet podziarn.

5. Teoretyczna granica plastyczności

Trwałe odkształcenie materiału następuje w wypadku gdy jeden element materiału przemieści się pod wpływem naprężeń ścinających względem drugiego elementu zachowując cały czas spójność materiału.

Rys. 3. Model odkształcenia plastycznego

III. Przebieg ćwiczenia

1. Spęczyć (ścisnąć) próbkę walcową (H₀) z podcięciami na powierzchniach czołowych wypełnionymi smarem zmniejszając jej wysokość o połowę. W trakcie spęczania notować zmianę siły spęczania w funkcji zmiany wysokości próbki.

2. Spęczyć próbkę walcową (H₀) – oraz próbki H₀₁ i H₀₂ bez podcięć (na sucho) o połowę wysokości notując zmianę siły w funkcji zmiany wysokości.

IV. Opracowanie wyników

1. Schemat aparatury i urządzeń stosowanych podczas przeprowadzania ćwiczenia

Rys. 4. Schemat maszyny wytrzymałościowej

2. W oparciu o dane doświadczalne wyznaczono:

• krzywą umocnienia k = f(G),

• krzywą oporu odkształcenia p = f(G),

• krzywą ,

• współczynnik tarcia

Wartości gniotu obliczono wg. wzoru:

%

gdzie:

H₀ i H₁ – odpowiednio przekrój poprzeczny przedmiotu przed i po odkształceniu

Wiedząc, że jednostką oporu odkształcenia p jest paskal, do obliczenia wartości tego oporu potrzebna jest wartość siły działającej na powierzchnię ściskaną:

Do obliczenia współczynnika tarcia μ, posłużono się wzorem Siebel'a:

przekształcając otrzymujemy:

3. Dyskusja wyników

Dla próbki nr 1, w której teoretycznie pominięto opory tarcia odkształca się łatwiej od próbki nr 2 – obie próbki oczywiście o stosunku . Wartość siły, przy której próbka uległa odkształceniu (zmniejszona wysokość h) jest większa (średnio o 2000 N) w przypadku próbki nr 2. Największe wartości siły w stosunku do odkształcenia osiągano przy próbie ściskania (spęczania) próbki nr 4 – przy sile równej ok. 39 kN gniot wynosi 40,98%.

Próbka ściskana musi mieć odpowiednie wymiary długości do przekroju, w przeciwnym razie może dojść do wyboczenia (jest to stan, gdzie oprócz ściskania siłą P, powstaje również zginanie próbki momentem gnącym Mg). Ściskając próbkę między płaskimi uchwytami, w przypadku próbek z materiałów wysoko-odkształcalnych można zaobserwować, iż próbka zmienia znacznie swój kształt (np. cylindrycznego na baryłkowaty – Rys. 5.).

Rys. 5. Odkształcenie próbki pod wpływem działania siły

V. Wnioski

Materiał o kształcie walcowym, w wyniku spęczania przyjmuje kształt baryłkowaty, który jest zależny w znacznej mierze od tarcia występującego miedzy szczękami maszyny wytrzymałościowej a metalem. Ze wzrostem współczynnika tarcia baryłkowatość zwiększa się.