(+)
W11. Obróbka plastyczna metali
" mechanizmy odkształcenia plastycznego
a) poślizg w wyniku ruchu dyslokacji,
- ilość i usytuowanie systemów poślizgu,
- energia błędu ułożenia ( poprzez wpływ na poślizg poprzeczny dyslokacji),
- temperatura odkształcania (ruchliwość atomów i dyslokacji).
b) bliz
niakowanie
- udział bliz
niakowania rośnie ze zmniejszaniem EBU, obniżaniem temperatury,
wzrostem wielkości ziarna.
schemat odkształcania monokryształów
(L.A. Dobrzański)
(J.W.Wyrzykowski, E. Pleszakow, J. Sieniawski)
(rep)
" odkształcenie plastyczne w materiałach polikrystalicznych
linie poślizgu w ziarnach polikryształu
ziarna wydłużają się
(dr K.Xia)
(rep)
Linie i pasma poślizgu w stali austenitycznej (sieć A1) walcowanej na zimno
a) stopień gniotu 10%, b) stopień gniotu 50%, powiększenie mikroskopu 500x,
(R. Haimann))
(+)
odkształcenie plastyczne w rozciąganym polikrysztale metalu,
- początkowe odkształcenie (poślizg) o charakterze lokalnym (w nielicznych ziarnach),
- spiętrzenia dyslokacji na przeszkodach (granice) �! uruchamiane są mniej korzystne systemy poślizgu,
- czołowe dyslokacje w spiętrzeniach na granicach uruchamiają w sąsiednich ziarnach z
ródła dyslokacji �!
�! skoordynowane odkształcanie sąsiednich ziaren �! plastyczne płynięcie ( ReL),
odkształcają się ziarna o odpowiedniej orientacji,
w których: � e" �
p kr
(+-)
- wzrost gęstości dyslokacji (ze wzrostem obciążenia i odkształcenia) �! umocnienie odkształceniowe,
- tworzenie nieregularnych splotów dyslokacji,
- struktura komórkowa dyslokacji (dla � >20% oraz dużej EBU),
struktura komórkowa dyslokacji
(B. Kuz
nicka)
(-+)
" rozwój struktury dyslokacyjnej podczas odkształcania plastycznego na zimno,
odkształcenie ok. 10%
materiał nieodkształcony
(gęste, nieregularne sploty dyslokacji)
(niewielka gęstość dyslokacji)
(M. Blicharski)
odkształcenie > 30%
odkształcenie ok. 20%
(wydłużenie komórek, wzrost gęstości dyslokacji)
(dyslokacje tworzą strukturę komórkową)
(+-)
" schemat odkształcenia plastycznego metalu polikrystalicznego podczas walcowania
" stopień odkształcenia plastycznego
określany jako stopień gniotu Z:
S0  przekrój poprzeczny początkowy,
S1  przekrój po obróbce plastycznej
(M. Blicharski)
(za B. Kuz
nicką)
(+)
Skutki odkształcenia plastycznego metalu na zimno:
" umocnienie odkształceniowe �! wzrost gęstości defektów (zwłaszcza dyslokacji),
800
60
stal niestopowa
zawierająca
50
600 0,1%C
40
mosiądz
30
400
mosiądz
20
miedz

200
stal
10
miedz

0
0
60 20 40 60
20 40
Odkształcenie, %
Odkształcenie, %
(za B. Kuz
nicką)
" podwyższenie energii układu (stan metastabilny) �! energia odkształceń sprężystych sieci,
(do ok. 15% pracy wykonanej w trakcie obróbki plastycznej zostaje zmagazynowane w materiale)
Espr = ŁEdysl. + ŁEdef. punkt. + ŁEnapr. własnych
" naprężenia własne �! nierównomierność odkształceń (w różnej skali w przedmiocie):
(umownie wyróżniamy naprężenia własne pierwszego, drugiego i trzeciego rodzaju)
" tekstura odkształcenia �! anizotropia własności mechanicznych
Wydłużenie, %
Granica plastyczności, MPa
(+)
Rekrystalizacja  przemiana podczas grzania metalu odkształconego na zimno
" dyfuzyjna przemiana w stanie stałym, ale nie jest to przemiana fazowa
- powrót do stanu równowagi (uwolnienie zmagazynowanej energii),
- odtworzenie wolnej od nadmiaru defektów struktury na drodze zarodkowania nowych ziaren,
" wyżarzanie rekrystalizujące  wyróżnia się trzy nakładające się na siebie procesy:
- zdrowienie (0,1�0,3)Tt
- rekrystalizacja pierwotna (0,3�0,6)Tt
- rozrost ziaren,
" zdrowienie
- zanik defektów punktowych (< 0,2 Tt) �! wzrost ruchliwości cieplnej atomów,
(częściowy powrót własności fizycznych, np. maleje oporność elektryczna, wzrost gęstości)
- ruch dyslokacji (> 0,2 Tt) �! wzrost ruchliwości cieplnej atomów, działanie naprężeń własnych,
- rozładowywanie spiętrzeń dyslokacji (wspinanie, poślizg poprzeczny),
- anihilacja dyslokacji różnoimiennych,
- tworzenie granic wąskokątowych �! I stadium poligonnizacji (powstają subziarna  poligony),
- zrastanie się poligonów (rosną subziarna)  II stadium poligonizacji
(istotne zmniejszenie naprężeń własnych, niewielkie trwałe odkształcenia, niewielki spadek umocnienia)
(+)
�!
bezładne rozmieszczenie dyslokacji jednoimiennych
I stadium poligonizacji
jamki trawienne pokazujące rozmieszczenie dyslokacji
II stadium poligonizacji
(rośnie kąt dezorientacji)
(R. Haimann)
�!
(+)
naprężenia własne
�
właściwości
wytrzymałościowe
właściwości
plastyczne
zdrowienie
rozrost ziarn
rekrystalizacja
pierwotna
ziarna
nowe ziarna
odkształcone
(M. Blicharski)
Temperatura (czas) rekrystalizacji
Własności
Wielkość ziarna
(+)
" rekrystalizacja pierwotna
- powstawanie zarodków nowych, wolnych od nadmiaru defektów ziarn,
- wzrost zarodków, powstanie nowej struktury nieodkształconych i równoosiowych ziarn,
" mechanizmy powstawania zarodków, czyli tworzenia się zdolnych do migracji szerokokątowych
granic ziarn nazywanych frontami rekrystalizacji:
- w wyniku koalescencji podziarn (poligonów)  kontynuacja II stadium poligonizacji
wspinanie dyslokacji
tworzących granicę
podziarno staje się
zarodkiem (ok. 0,2�m)
granica już
szerokokątowa
(możliwość migracji)
podziarna przed koalescencją
koalescencja
duże podziarno po koalescencji
(-+)
inny schemat tworzenia się zarodka rekrystalizacji przez koalescencję podziarn
(M. Blicharski)
granice już
szerokokątowe
A - zarodkowanie przez koalescencję podziarn,
B  zarodkowanie przez migrację granic podziarn (drugi sposób przy wydłużonych komórkach),
(+-)
- tworzenie zarodków w wyniku migracji odcinka szerokokątowej granicy pierwotnej
(w kierunku gradientu gęstości defektów, tzn. energii zmagazynowanej)
zarodek
rekrystalizacji
(R. Haimann)
(L.A. Dobrzański)
(-+)
przykład częściowej rekrystalizacji
stali austenitycznej
obszar zrekrystalizowany
obszar niezrekrystalizowany
(duża gęstość dyslokacji oraz
liczne bliz
niaki odkształcenia)
TEM
(M. Blicharski)
przykład krzywej kinetyki przemiany
(R. Haimann)
(+)
" wpływ stopnia odkształcenia (gniotu) na wielkość
ziaren po rekrystalizacji � = 1%
� = 2%
� = 5%
� = 7,5%
� = 10%
Gniot krytyczny (1�10%) zależy od:
� = 15%
- ilości domieszek,
- temperatury wyżarzania,
- sposobu i szybkości odkształcania i nagrzewania
� = 25%
(R. Haimann)
Al 99,9 - rekrystalizacja po różnym gniocie
(+-)
" wpływ stopnia odkształcenia (gniotu) na temperaturę początku rekrystalizacji (Tr)
H" 30%
0�C
zależność temperatury rekrystalizacji od temperatury
topnienia dla technicznie czystych metali
obróbka plastyczna na gorąco �! T > Tr
obróbka plastyczna na zimno �! T < Tr
(R. Haimann)
(+-)
" rozrost ziaren - rekrystalizacja wtórna
a) normalny (ciągły) rozrost ziaren
czas w danej temperaturze
wpływ temperatury wyżarzania na wielkość ziarna
(R. Haimann)
b) anormalny (nieciągły) rozrost ziaren
(M. Blicharski)
czas w danej temperaturze
- rośnie tylko niewielka liczba ziaren, a pozostałe prawie nie ulegają zmianie,
(+-)
Przykład przestrzennego wykresu rekrystalizacji - żelazo elektrolityczne (dla � = 1 godz)
Przykład zadania:
znamy: � oraz założoną wielkość ziarna [�m2]
szukamy: Tr
założenia: czas wyżarzania, np. 1 godz.
�
�m2
Tr
(S. Przybyłowicz)
(+-)
" wpływ wielkości ziarna na własności metali:
Re = R0 + kd-1/2
- doświadczalna zależność Halla- Petcha
R0 - granica plastyczności monokryształu,
k - stała materiałowa,
d - umowna średnia średnica ziarna,
Zależność Halla-Petcha
Stal niskowęglowa: R0 = 175 MPa, k = 0,67 MNm-3/2
200
195
190
185
180
175
1
1 10 20 30 40 50 60 70 80 90
11 21 31 41 51 61 71 81 91
WieWielkość ziarna, źmetry
lkość ziarna, m ikrom
(B. Kuz
nicka)
Granica plastyczności, MPa
Granica plastyczności, MPa
(+-)
Zależność Halla-Petcha
Stal niskowęglowa: R0 = 175 MPa, k = 0,67 MNm-3/2
200
195
190
185
180
175
5 10 15 20 25
1 11 21 31 41 51 61 71 81 91
Wielkość ziarna d-1/2, źm-1/2
Wielkość ziarna, m ikrom etry
d udarność
próg kruchości obniża się
twardość
wytrzymałość na rozciąganie
(B. Kuz
nicka)
Granica plastyczności, MPa
Granica plastyczności, MPa
(+-)
Metale
gruboziarniste
Wielkość ziarna d [źm]
40 16 6 4,5 2,5
110 10 3
450
+50
Nr ziarna Liczba ziaren
na powierzchni 1 mm2
0
0 8
1 16
-50
300
2 32
3 64
-100
Tpsk
Re
4 128
5 256
-150
150
6 512
7 1024
8 2048
5 10 15 20
d-1/2 [mm-1/2]
Metody kontrolowania kształtu i wielkości ziaren:
" przez sterowanie krystalizacją,
" obróbkę cieplną,
" obróbkę cieplno-mechaniczną.
(B. Kuz
nicka)
psk
e
Temperatura przejścia T
[�C]
Granica plastyczności R [ MPa]
(-)
(R. Haimann)
(-+)
Rekrystalizacja i rozrost ziaren mogą powodować tworzenie się:
" tekstury wyżarzania (rekrystalizacji), która powstaje podczas wyżarzania metali z teksturą
powstałą wskutek odkształcenia,
" bliz
niaków wyżarzania (rekrystalizacji), które są większe od bliz
niaków odkształcenia i powstają
w
metalach o strukturze RSC, o małej EBU (np. w miedzi, mosiądzu, stali austenitycznej).
Bliz
niaki rekrystalizacji
Bliz
niaki odkształcenia
(B. Kuz
nicka)
Praktyczne aspekty rekrystalizacji i rozrostu ziarn
" temperatura rekrystalizacji �! ważny parametr w praktyce przemysłowej,
(stanowi granicę między procesem obróbki plastycznej "na zimno" i "na gorąco ),
obróbka plastyczna
rekrystalizacja
na gorąco
nagrzewanie
wyroby gotowe
wlewków
lub półwyroby
obróbka plastyczna
na zimno
odkształcone
ziarna
wyroby gotowe
Cele wyżarzania rekrystalizującego:
" międzyoperacyjne wyżarzanie rekrystalizujące przywracające plastyczność,
" rozdrobnienie ziaren,
" obróbka cieplno-plastyczna,
" wyżarzanie odprężające,
" regulacja własności wyrobów w stanie dostawy: miękkim, półtwardym i twardym,
" wytwarzanie monokryształów (wykorzystanie gniotu krytycznego lub wtórnej rekrystalizacji).
(B. Kuz
nicka)