Uniwersytet Technologiczno-Przyrodniczy
im. Jana i Jędrzeja Śniadeckich
w Bydgoszczy

Wydział Inżynierii Mechanicznej

Mechanika i Budowa Maszyn

Materiały Inżynierskie - laboratorium

Temat ćwiczenia

Zgniot i Rekrystalizacja

Studia: Mechanika i Budowa Maszyn

Semestr: Pierwszy

Grupa: A

Rok akademicki: 2014/15

Klaudia Kawczyńska

1. Zgniot

Skutkiem odkształcenia plastycznego jest zaburzenie sieci krystalicznej – atomy zostają wytrącone ze swoich położeń równowagi, a także następuje wzrost energii wewnętrznej materiału w postaci zwiększonej gęstości defektów sieciowych (liniowych i punktowych). Ilość zmagazynowanej energii zależy od właściwości odkształcanego metalu, a także warunków w jakich przeprowadzona jest obróbka, czyli temperatura, szybkość oraz stopień odkształcenia. Im niższa jest energia błędu ułożenia i temperatura procesu, a większa szybkość i stopień odkształcania, tym większa ilość energii zostaje zgromadzona w materiale. Samo odkształcenie jak również powstałe zmiany strukturalne nazywamy zgniotem. Wartość zgniotu, wyrażoną jako względne odkształcenie trwałe, można wyznaczyć za pomocą wzoru

– początkowy przekrój próbki

- zmiana przekroju próbki

Zmiany właściwości jakie zachodzą w materiale pod wpływem odkształcenia związane są z generacją i wzajemnym oddziaływaniem defektów sieciowych. Na właściwości fizyczne silniej wpływa wzrost koncentracji błędów punktowych, natomiast właściwości mechaniczne ulegają zmianie w wyniku zwiększenia ilości defektów liniowych - dyslokacji. Podatność materiału od odkształcenia plastycznego jest więc silnie uwarunkowana gęstością dyslokacji. Najłatwiej odkształcają się metale w stanie wyżarzonym, gdy gęstość wynosi ok. 10¹⁰÷10¹² m^-2. Wzrost gęstości dyslokacji (o 4÷5 rzędów wielkości) w wyniku odkształcenia plastycznego, powoduje umocnienie materiału, gdyż maleją odległości pomiędzy dyslokacjami, a tym samym rosną siły ich wzajemnego oddziaływania. Na skutek zmniejszenia odległości, dyslokacje blokują się wzajemnie, a do ich dalszego ruchu potrzebne jest przyłożenie większego naprężenia zewnętrznego – zjawisko to nazywane jest umocnieniem odkształceniowym. Materiał w stanie odkształconym cechuje więc wzrost właściwości wytrzymałościowych takich, jak twardość, gęstość i wytrzymałość na rozciągnięcie metalu z jednoczesnym obniżeniem własności plastycznych, czyli wydłużenia i udarności.

Rys. 1. Zmiana właściwości mechanicznych czys­tego żelaza w zależności od stopnia zgniotu (wg Z. Wendorff)

Atomy w odkształconej sieci krystalicznej znajdują się w stanie metastabilnym, o podwyższonej energii swobodnej . Stan ten jest trwały tylko wtedy gdy panujące warunki nie umożliwiają aktywacji procesów dyfuzyjnych. Dostarczanie energii do materiału (w postaci ciepła) umożliwia powrót atomów do ich położeń równowagi, w których energia swobodna jest minimalna. W wyniku tego zanikają powstałe wcześniej defekty struktury, a także wydziela się zmagazynowana energia odkształcenia. Wraz z odbudową struktury przywrócone zostają również właściwości jakie materiał posiadał przed odkształceniem. Omawiane przemiany przebiegają w trzech kolejnych etapach:

• zdrowienie

• rekrystalizacja

• rozrost ziarna

1. Proces rekrystalizacji.

Proces rekrystalizacji zawdzięcza swoja nazwę analogii do krystalizacji z fazy ciekłej, gdyż polega na zarodkowaniu nowych, nieodkształconych ziaren, a następnie ich rozroście aż do wypełnienia całej objętości. Zastąpienie silnie zdefektowanych ziaren skutkuje przywróceniem właściwości jakie materiał posiadał przed zgniotem (rys. 2).

Rys. 2. Zmiana właściwości mechanicznych odkształconego na zimno mosiądzu (35% Zn) w funkcji temperatury wygrzewania

Rekrystalizacja rozpoczyna się w temperaturze zwanej temperaturą rekrystalizacji T_r (wyższej niż zdrowienie), a jej wartość nie jest stałą cechą materiału lecz zależy od wielu czynników: głównie od czystości materiału, zmagazynowanej energii odkształcenia oraz warunków wygrzewania.

Zdrowienie jest najniżej temperaturowym procesem odbudowy struktury. Polega na częściowym uporządkowaniu oraz zanikaniu defektów punktowych i liniowych. Zmiany te mają charakter substrukturalny (zachodzą „wewnątrz” ziarna) i nie są widoczne pod mikroskopem. Procesy występujące na etapie zdrowienia polegają głównie na rekombinacji i dyfuzji defektów punktowych oraz na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o niższej energii swobodnej. Obniżenie energii osiągane jest poprzez ruch dyslokacji, w czasie którego defekty o przeciwnych znakach znoszą się wzajemnie oraz tworzą granice podziaren. Proces, w którym dyslokacje krawędziowe wspinając się przyjmują konfigurację granic niskokątowych dzielących pojedyncze ziarno na podziarna nazywamy poligonizacją (rys.3).

Rys. 3. Schematyczne przedstawienie procesu poligonizacji

Kolejnym krokiem do obniżenia energii podczas zdrowienia jest proces koalescencji czyli zrastania się podziaren i ziaren o małym kącie dezorientacji (rys. 4).

Rys. 4. Możliwy zrost ziaren podczas zdrowienia

Zanik defektów punktowych oraz zmiana układu dyslokacji powoduje częściowe wydzielenie energii odkształcenia (mniejsze jednak niż w przypadku rekrystalizacji), a tym samym częściowa relaksacje naprężeń oraz przywrócenie niektórych właściwości fizycznych np. przewodności elektrycznej.

1. CuZn39Pb2(MO59)

Mosiądz ołowiowy jest bardzo podatny do kucia na gorąco oraz do obróbki skrawaniem, ograniczona jest zaś obróbka na zimno. Mosiądz ten charakteryzuje się wysoką ciągliwością.
Wykorzystywany jest między innymi w produkcji elementów armatury: złączek, zaworów.

1. Tabela pomiarów.

Pomiar twardości dokonaliśmy metodą Rockwella typu HRB (wgłębnik w kształcie kulki o średnicy 1/16 cala). Czas, w którym próbki znajdowały się w piecach to 45 minut.

Stan	Pomiar I HRB (pomiar kalibracyjny)	Pomiar II HRB	Pomiar III HRB	Pomiar IV HRB	Średnia
Surowy	38	36	38	38	37,5
Zgniot 20%	78	77	80	78	79,3
Rekrystalizacja (300 *C)	73	74	73	74	73,5
Rekrystalizacja (450*C)	47	46	49	46	47
Rekrystalizacja (550*C)	34	37	37	38	36,5

1. Wykres twardości w zależności od temperatury rekrystalizacji.

2. Wnioski

W temperaturze rekrystalizacji od 300^oC do 450^oC zauważamy gwałtowny spadek twardości badanego stopu, zaś w temperaturze od 450^oC do 550^oC zauważamy, że spadek twardości stopu maleje w wolniejszym tempie. Zwracamy też uwagę na fakt, iż po zgniocie twardość stopu wzrosła praktycznie dwukrotnie. Wraz z wzrostem temperatury rekrystalizacji maleje twardość danego stopu. Zauważamy również, że im większy mamy zgniot, tym niższa jest temperatura rekrystalizacji.

1. Bibliografia

http://www.wtc.wat.edu.pl/images/dydaktyka/katedra/polkowski/zgniot_i_rekrystalizacja_materialy_konstrukcyjne_w_budowiem_maszyn_l5_-_wojciech_polkowski.doc