Materiałoznawstwo – wykład 5 16.11.2010

Kształtowanie struktury i właściwości metali i stopów

by Krzysztof Markiewicz

1. Termodynamiczne warunki krystalizacji

   1. Krystalizacja – najbardziej istotna przemiana fazowa w metalurgii – szczególny rodzaj krzepnięcia, w którym ciecz metaliczna ulega przemianie w stan stały o budowie krystalicznej.

   2. Różnica między szybkościami krystalizacji i topnienia to szybkość procesu wypadkowego przemieszczania się granicy rozdziału faz ciekłej i stałej

   3. W temperaturze niższej od Tr następuje krystalizacja, ponieważ

      1. Mniejsza jest energia swobodna fazy stałej w porównaniu z fazą ciekłą

      2. Szybkość krystalizacji jest większa niż szybkość topnienia

   4. Przystanek izotermiczny – spowodowany wydzielaniem się utajonego ciepła krzepnięcia, uniemożliwiającego dalsze obniżanie temperatury aż do całkowitego zakrzepnięcia metalu

   5. W rzeczywistych warunkach występuje przechłodzenie – krzepnięcie metalu rozpoczyna się w temperaturze o delta T niższej od temperatury równowagi Tr.

2. Zarodki krystalizacji – musi istnieć jakiś układ, od którego zaczyna się krystalizacja, w fazie ciekłej są nimi zespoły bliskiego uporządkowania o wielkości większaj od krytycznej, do nich przyłączają się kolejne atomy

   1. Homogeniczne zarodkowanie

      1. Zachodzi w całkowicie jednorodnej cieczy metalicznej

      2. W jego wyniku powstaje zupełnie jednorodna faza stała

      3. Zarodki mają kształt kul i są utworzone w dowolnych miejscach w całej objętości cieczy z zespołów bliskiego uporządkowania

      4. Szybkość zarodkowania jest b.mała, następnie zwiększa się, dopóki przechłodzenie nie osiągnie wartości krytycznej, po czym maleje

   2. Heterogeniczne

      1. Zarodek tworzy się na obcem podłożu,

      2. Przy stałym przechłodzeniu zarodkowanie zachodzi najłatwiej gdy objętość zarodka jest minimalna

      3. S

3. Szybkość procesu krzepnięcia zależy od

   1. Szybkości zarodkowania – ilość zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu

   2. Liniowej szybkości krystalizacji – szybkość przesuwania się frontu krystalizacji

   3. Jeżeli duża szybkość zarodkowania a mała krystalizacji – struktura drobnoziarnista

   4. Jeżeli odwrotnie – gruboziarnista struktura.

4. Plastyczność – zdolność metali stopów do trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności,

   1. Walcowanie

   2. Kucie

   3. Prasowanie

   4. Ciągnienie

5. W zależności od wymaganych właściwości:

   1. Na zimno – temp. niższa od temp. rekrystalizacji

   2. Na gorąco – temp. wyższa od temp. rekrystalizacji.

6. Stopień gniotu Z – wielkość odkształcenia charakteryzowana przez geometryczną zmianę przekroju przedmiotu

7. W zależności od warunków obróbki plastycznej o właściwościach metalu

8. Po odkształceniu plastycznym – kierunkowość w strukturze.

9. Temperatura homologiczna – stosunek temperatury w której badamy do temperatury topnienia metalu w skali bezwzględnej

10. Naprężenie redukowane – stosunek rzeczywistego naprężenia do wartości moduły sprężystości postaciowej

11. Metale odkształcają się sprężyście, po przekroczeniu granicy plastyczności – plastycznie.

12. Poślizg – jest podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali na zimno i na gorąco, polega na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu, przy czym budowa krystaliczna obu części pozostaje niezmieniona.

13. 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)

14. Metale polikrystaliczne – przypadkowa orientacja krystalograficzna ziarn.

    1. Granica plastyczności – naprężenie niezbędne do zapoczątkowania makroskopowego odkształcenia plastycznego we wszystkich ziarnach

    2. Dolna granica plastyczności zwiększa się wraz ze zmniejszeniem wielkości ziarn zgodnie z równaniem Halla – Petcha
       Red=σ0+kd^(-1/2)
       gdzie o0 – naprężenie tarcia sieci
       k - stała
       d-średnica ziarn.

15. Zgniot – stan strukturalny spowodowany odkształceniem plastycznym na zimno

    1. Tekstura zgniotu – uprzywilejowana orientacja krystalograficzna ziarn względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej.

16. Procesy aktywowane cieplnie zachodzące podczas wyżarzania metali uprzednio odkształconych plastycznie na zimno

    1. Takie metale są w stanie metastabilnym, nastąpił wzrost energii wewnętrznej

    2. Zdrowienie

       1. Proces aktywowany cieplnie, zachodzący podczas wyżarzania poniżej temperatury rekrystalizacji w metalach uprzednio odkształconych na zimno

       2. Podczas zdrowienia następije dyfuzja i anihilacja defektów punktowych, poślizg i wspinanie dyslokacji, anihilacja dyslokacji różnoimiennych, kurczenie się i zanik pętli dyslokacyjnych – następuje zmniejszenie stężenia defektów.

    3. Rekrystalizacja

       1. Proces aktywowany cieplnie

          1. Polega na powstawaniu i migracji szerokokokątowych granic ziarn

          2. Nie zajdzie, jeżeli nie będzie minimalnego odkształcenia, zwanego gniotem krytycznym.

       2. Zarodkowanie

          1. W obszarach o dużym gradiencie odkształcenia

          2. Wzrost podziarn

             1. Zmniejszenie wielkości ziarna, utworzenie struktury bardziej drobnoziarnistej

          3. Migracja odcinków szeroko kątowych granic ziarn pierwotnych

             1. Granice są silnie zdefektowane

             2. Polega na przenoszeniu defektów

             3. Powstanie materiału bardziej gruboziarnistego

       3. Wzrost ziaren

17. Rekrystalizacja pierwotna – proces wzrostu nowychziarn kosztem osnowy

    1. Temperatura – zależy między innymi od stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia plastycznego, czasu wyżarzania, wiekości ziarna

    2. Temperatura rekrystalizacji wynosi

       1. Tr=(0,35-0,6)Tt
          Tr- temperatura rekrystalizacji; Tt – Temperatura topnienia

    3. Temperatura rekrystalizacji ulega obniżeniu

       1. Wraz ze zwiększeniem stopnia gniotu

       2. Wraz ze zmniejszaniem szybkości nagrzewania do temperatury wyżarzania po odkształcaniu na zmino

18. Rekrystalizacja wtórna

    1. Warunkiem koniecznym – zahamowanie wzrostu ziaren podczas rekrystalizacji pierwotnej

       1. Obecność faz na granicach ziaren

       2. Zbyt krótki czas wyżarzania

       3. Tekstura – statystyczna przewaga ilości ziaren o określonym układzie

19. Odkształcanie na gorąco

    1. Pełzanie dyslokacyjne

       1. Zdrowienie dynamiczne – poprzez:

          1. Poślizg poprzeczny

          2. Wspinanie dyslokacji

       2. Rekrystalizacja dynamiczna – w czasie samego odkształcenia plastycznego, gdy nawet lokalnie stopnieć gniotu przekroczy wart. Krytyczną

          1. Szybkości rekrystalizacji sprzyja wzrost temperatury

20. Pełzanie dyfuzyjne – prz4eplływ wakansów z obszarow o wysokim potencjale chemicznym do obszarów o niższym potencjale

    1. Poprzez

       1. Ziarna

          1. Szybkość jest silnie uzależniona od wielkości ziarna

       2. Granice ziaren

          1. Szybkość jeszcze silniej zależy od struktury, im bardziej drobnoziarnista, tym szybsze

21. Poślizg po granicach ziaren

    1. Polega na przesuwaniu się i obrotach ziaren wzdłuż ich granic szerokokątowych

    2. Jest mechanizmem dominującym, gdy temp. odkształcenia plastycznego jest większa od 0,4 temperatury topnienia.

22. Obróbka cieplna stali

    1. Wyżarzanie

       1. Bez stosowania większych szybkości chłodzenia

       2. –Z przemianą alotropową

       3. –Bez przemiany alotropowej

    2. Hartowanie i odpuszczanie

       1. Większe szybkości chłodzenia

       2. Powstają struktury metastabilne

       3. –hartowanie

       4. -odpuszczanie

    3. Przesycanie i starzenie

       1. J.w.

       2. Utwardzanie wydzieleniowe

    4. Obróbka cieplna zwykła

    5. Cieplno-mechaniczna

    6. Cieplno-magnetyczna

    7. Cieplno-chemiczna

23. Inny podział

    1. Cieplno – chemiczna

       1. Dyfuzyjne nasycanie jednym pierwiastkiem

       2. Kompleksowe nasycanie dyfuzyjne

    2. Cieplno – mechaniczna

       1. Niskotemperaturowa

       2. Wysokotemperaturowa

       3. Z przemianą izotermiczną

24. Operacje i zabiegi obróbki cieplnej

    1. Nagrzewanie – podwyższanie temperatury materiału do pożądanej temperatury

    2. Wygrzewanie – utrzymanie temperatury materiału obrabianego w temperaturze docelowej lub pośredniej

    3. Chłodzenie – ciągłe lub stopniowe obniżanie temperatury elementu

       1. Studzenie – z małą szybkością

       2. Oziębianie – z dużą szybkością

       3. Wychładzanie – wytrzymanie elementu w pośredniej lub docelowej temperaturze podczas chłodzenia

25. Tworzenie się austenitu podczas nagrzewania – warunkiem rozpoczęcia tego procesu jest nagrzanie stali do temperatury wyższej od Ac1 (powyżej temp. przemiany eutektoidalnej

    1. Etapy tworzenia się austenitu

       1. Niejednorodne zarodkowanie austenitu na granicach międzyfazowych ferrytu i cementytu

       2. Ziarna austenitu o bardzo zróżnicowanym stężeniu węgla

       3. Rozpuszczanie węglików i ujednorodnienie składu chemicznego austenitu

    2. Szybkość procesu zwiększa się wraz ze zwiększeniem szybkości nagrzewania, oraz zwiększeniem ogólnej powierzchni granic międzyfazowych

    3. Przemiana ferrytu w austenit o małym stężeniu węgla przebiega z dużą szybkością

    4. Przemiana perlitu w austenit jest związana z rozdrobieniem ziaren – jeżeli za długo się wygrzewa, ziarna będą większe

26. Wyżarzanie – nagrzanie do jakiejś temperatury, wytrzymanie elementu w niej w celu uzyskania struktury zbliżonej do stanu równowagi. Dzielimy na:

    1. W których przemiany alotropowe nie decydują o istocie procesu (np. ujednorodniające

    2. Wktórych nie zachodzą przemiany alotropowe (rekrystalizujące, odprężające

    3. W których zachodzą przemiany alotropowe, które mają wpływ na strukturę

27. Ujednorodniające

    1. Nagrzanie do temp. 1050-1200°C

       1. O ok. 100-200°C mniej niż solidus

    2. Długotrwałe wygrzewanie

    3. Studzenie

    4. W celu ograniczenia niejednorodności składu chemicznego., spowodowanej mikrosegregacją

28. Rekrystalizujące

    1. Poniżej przemiany alotropowej Ac1

    2. Nagrzanie metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno

    3. Wygrzanie w tej temperaturze (wyższej od rekrystalizacji)

    4. Chłodzenie z dowolną szybkością

    5. Celem jest usunięcie umocnienia gniotowego – zmniejszenie twardości i wytrzymałości oraz zwiększenie właściwości plastycznych metalu

29. Odprężające

    1. Poniżej temp. przemiany alotropowej (w najniższej temperaturze)

    2. Nagrzanie do temp. niższej od Ac1

    3. Wygrzanie w tej temperaturze

    4. Powolne studzenie

    5. Cel – usunięcie naprężeń (spawalniczych, odlewniczych, cieplnych, spowodowanych obróbką plastyczną), nie zachodzą zmiany strukturalne

30. Normalizujące

    1. Temp. powyżej Ac3

    2. Nagrzanie do temp o 30-50°C wyższej od Ac3

    3. Wygrzanie w tej temperaturze

    4. Studzenie w spokojnym powietrzu

    5. Cel – uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej (polepszenie właściwości mechanicznych stali)

31. Zupełne

    1. Podobne do normalizującego

    2. Nagrzanie do tem 0 30-50°C wyższej od Ac3

    3. Wygrzanie

    4. Bardzo wolne chłodzenie np. z piecem w zakresie temp. miedzy ac3 i ac1

    5. Cel – uzyskanie jednorodnej struktury drobnoziarnistej przy mniejszych naprężeniach niż normalizujące

    6. Tworzą się większe, mniej jednorodne ziarna niż w wyżarzaniu normalizującym

32. Izotermiczne

    1. W tych samych temp. co w dwóch poprzednich

    2. Po wygrzaniu:

    3. Szybkie chłodzenie do temp. nieco niższej od Ac1

    4. Wytrzymanie izotermiczne w tej temp

33. Sferoidyzujące (zmiękczające)

    1. Temp zbliżona do Ac1

    2. Wygrzanie (w nieco wyższej lub niższej – zmiany poniżej i powyżej, lub najpierw powyżej, a potem poniżej Ac1)

    3. Bardzo wolne chłodzenie do temp. ok. 600°C

    4. Dowolne chłodzenie do temp. otoczenia

    5. Celem – otrzymanie struktury sferoidytu (cementyt w formie kulek w osnowie z ferrytu) – zmniejszenie wytrzymałości, zwiększenie plastyczności – ułatwia obróbkę skrawaniem, plastyczną.