Kierunek: MET II	Nazwisko i Imię: Jakub Sroka	Data zajęć: 16.12.2010
Nr grupy/zespołu II/4	Temat ćwiczenia: L3.Wpływ odkształcenia plastycznego i rekrystalizacji na mikrostrukturę i własności mechaniczne metali	Ocena:
Prowadzący: Dr inż. Tadeusz Skowronek

Cel ćwiczenia: Poznanie wpływu odkształcenia plastycznego i rekrystalizacji na mikrostrukturę i własności mechaniczne metali

Defekty sieci (punktowe, liniowe i powierzchniowe) i ich wpływ na własności metali:

Punktowe: Wakansy: wolne miejsca w sieci krystalicznej, powstałe poprzez wyjście atomu na powierzchnie kryształu, lub nieobsadzenia węzła sieci przez atom. Atomy międzywęzłowe – defekt polegający na tym, że w sieci zbudowanej z identycznych atomów lub o zbliżonych średnicach jeden z atomów osnowy znajduje się między węzłami sieci. Powoduje to przemieszczenie sąsiednich atomów z położenia równowagi na zewnątrz, wywołując pole naprężeń ściskających(a więc przeciwnie niż w przypadku wakacji).

Liniowe(dyslokacje): Krawędziowe – powstają poprzez wprowadzenie dodatkowej płaszczyzny między nieco rozsunięte płaszczyzny sieciowe, miarą dyslokacji jest wektor Burgersa, wyznaczony poprzez kontur Burgersa i prostopadły do linii dyslokacji krawędziowej, śrubowe – powstają w wyniku przesunięcia płaszczyzn atomowych, wektor Burgersa równoległy do linii dyslokacji śrubowej, mieszane – liniowa i krawędziowa występujące w strukturach rzeczywistych,

Powierzchniowe – granice ziaren: wąska strefa materiału, w której atomy są ułożone w sposób chaotyczny. Gdy kąt między kierunkami 2 sąsiednich kierunków krystalograficznych jest: większy od 15 stopni to szerokokątowa granica, mniejszy – wąskokątowa, granice międzyfazowe: koherentne – atomy granicy ziarna są wspólnymi atomami obydwóch ziaren, półkoherentne, zerwanie koherentności - największe umocnienie, błąd ułożenia – jest skutkiem dyslokacji krawędziowej,

Zazwyczaj zdefektowanie sieci rośnie wraz ze wzrostem temperatury. Defekty sieci krystalicznej odpowiadają za różne własności kryształów, m.in. takie jak: półprzewodnictwo, barwy, luminescencję. Wpływ defektów sieci na własności kryształów jest bardzo istotny – często znacznie większy niż wpływ typu sieci krystalicznej. Wakacje ułatwiają dyfuzję atomów, a wiadomo, że dyfuzja jest podstawą prawie wszystkich procesów i przemian zachodzących w materiałach. Z kolei defekty liniowe (dyslokacje) ułatwiają odkształcanie metali i bez nich obróbka plastyczna byłaby niemożliwa. Bardzo ważne są także granice ziaren jako defekty powierzchniowe, które są czynnikiem umacniającym materiał, ale w pewnych przypadkach mogą odgrywać negatywną rolę. Znajomość defektów i ich roli w różnych procesach jest bardzo ważna w nowoczesnym materiałoznawstwie.

Mechanizm odkształcenia metali

Wektor Burgersa b – wskazuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy powstawaniu lub ruchu dyslokacji i z reguły przyjmuje minimalną odległość międzyatomową w danej sieci, ponieważ wówczas dyslokacje mają najmniejszą energię. Dla tej samej dyslokacji b ma wartość stałą. Kierunek, zwrot i wielkość wektora Burgersa można wyznaczyć za pomocą tzw. obwodu Burgersa. Najpierw w pobliżu dyslokacji wybieramy jeden atom jako punkt początkowy obwodu, a następnie przesuwamy się od tego atomu w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara od atomu do atomu o taką samą liczbę odległości międzyatomowych, parami we wzajemnie równoległych, ale przeciwnych kierunkach, zakreślając zamknięty obwód. Jeżeli wewnątrz zakreślonego obwodu znajduję się dyslokacja, to obwód się nie zamyka i odcinek domykający BA stanowi wektor Burgersa tej dyslokacji. Zwrot wektora Burgersa jest zgodny z kierunkiem wykreślania obwodu. Wektor b jest zawsze prostopadły do dyslokacji krawędziowej i równoległy do śrubowej. B i linia dyslokacyjna wyznaczają jej płaszczyznę poślizgu. Dla dyslokacji krawędziowej jest to jedna płaszczyzna, dla śrubowej wiele płaszczyzn równoległych do linii dyslokacji. Wektor b określa energię dyslokacji, dlatego najłatwiej jest wprowadzać dyslokacje z najmniejszymi wektorami b.

Poślizg - jest to ruch dyslokacji pod wpływem naprężeń stycznych, wymaga jednak działania w płaszczyźnie i kierunku poślizgu naprężenia większego od krytycznego. Dyslokacje krawędziowe, których wektor b leży w płaszczyźnie najgęściej wypełnionej, mogą ślizgać się jedynie w płaszczyźnie wyznaczonej przez b i linię dyslokacji. Dyslokacje śrubowe mogą ślizgać siwe wszystkich płaszczyznach równoległych do b. Poślizg taki nazywamy poprzecznym. Ułatwienie odkształcenia poślizgowego przez dyslokacje wynika z zaburzania układu atomów w pobliżu ich rdzeni (rys.6.10). Jak widać, powyżej płaszczyzny p-p jest jeden atom więcej niż poniżej. Aby nastąpiło ścięcie górnej części kryształu względem dolnej(wzdłuż p-p), nie jest wymagane sztywne przesunięcie obu części kryształu względem siebie. Wystarczy, jeśli przesunie się dyslokacja i wyjdzie na powierzchnię. Jej ruch jest ułatwiony dzięki temu, że pod ekstrapłaszczyzną (z) kryształ jest rozrzedzony i dla ruchu dyslokacji wystarczy niewielkie przesunięcie atomów w tej strefie. Wyjście dyslokacji na powierzchnię powoduje powstanie stopnia o wysokości b, zwanego linią poślizgu. Nie jest ona widoczna gołym okiem, ale w przypadku dużej ich ilości można je zaobserwować, mówimy wtedy o pasmach poślizgu. Jest to podstawowy mechanizm odkształcenia plastycznego metali.

Bliźniakowanie – Zjawisko obrotu jednej części kryształu względem drugiej. Nagły, poślizgowy ruch zachodzący w małym, ale ściśle ograniczonym przez granice bliźniacze obszarze sieci. Nie zachodzi jednak z jednakową łatwością w każdym metalu i w każdych warunkach. Powstają, jeśli działa naprężenie styczne równoległe do kierunku zbliźniaczeni. Warunkiem powstawania jest uprzednie odkształcenie przez poślizg, które wywołuje spiętrzenie dyslokacji o dużym nagromadzeniu energii odkształcenia

Zgniot i miary odkształcenia

Zgniot jest miarą odkształceń plastycznych. Odkształcenia plastyczne wywołują wzrost gęstości defektów sieci, głownie liniowych i punktowych, a tym samym nagromadzenie energii odkształcenia, które jest tym większe, im niższa jest temperatura tego procesu. Powoduje to zmiany własności fizycznych i mechanicznych metali i stopów. Zmiany te są trwałe, jeśli odkształcenie zachodzi w zakresie temperatur, w którym szybkość procesów dyfuzyjnych jest mała. Ma to zwykle miejsce w temperaturze poniżej ok. 0.4 bezwzględnej temperatury topnienia (inaczej mówimy o odkształceniu na zimno).

Wielkość powstałych zmian strukturalnych w odkształconym w warunkach zgniotu metalu jest uzależniona od stopnia odkształcenia, który może być jednocześnie miara zgniotu. Względne odkształcenie(wyrażane zazwyczaj w procentach) można określić w dwojaki sposób, jako względną zmianę długości próbki rozciąganej lub ściskanej albo jako względną redukcję przekroju.

Zgniot:

Zgniotem nazywamy zmiany własności fizycznych i mechanicznych metalu lub stopu wywołane jego odkształceniem plastycznym na zimno, tzn. poniżej ok. 0,4 Ttopnienia, ale także potocznie odkształcenie wywołujące stan zgniotu. Oznacza to, że w przypadku metali niskotopliwych(Sn, Cd, Pb) zgniot zachodzi w temp niższej od pokojowej. Zmiany własności wywołane zgniotem nasilają się ze wzrostem wielkości odkształcenia. Zmiany strukturalne są związane z wyprowadzeniem defektów sieci: głównie punktowych i liniowych, a w przypadku bliźniakowania także powierzchniowych(granic bliźniaczych). Ze wzrostem stopnia odkształcenia zwiększa się gęstość tych defektów i ulega zaburzeniu periodyczny układ atomów w sieci. Jednocześnie pola naprężeń defektów wzajemnie na siebie oddziałują, co powoduje umocnienie. Defekty zwiększają ilość zmagazynowanej energii odkształcenia w materiale i powodują jego przejście w stan metastabilny, odchylony od stanu równowagi. Podgrzewanie metalu dostarcza energii cieplnej pozwalającej na powrót atomów do ich położeń o najmniejszej energii, w wyniku czego zostają stworzone warunki do odnowienia struktury i ich własności. Powoduje to stopniowy zanik defektów sieci a równocześnie wydziela się zmagazynowana energia odkształcenia.

Etapy procesu rekrystalizacji:

Zdrowienie oraz poligonizacja

Rekrystalizacja pierwotna

Rozrost ziaren

Rekrystalizacja wtórna

Rozrost ziaren rozpoczyna się natychmiast po zakończeniu rekrystalizacji. Siła napędową tego procesu jest dążenie układu do zmniejszenia energii powierzchniowej granic ziaren poprzez wzrost przeciętnej wielkości ziarna w czasie. Z rozrostem związane jest pojecie rekrystalizacji wtórnej.

Praktyczne znaczenie rekrystalizacji polega na możliwości usunięcia skutków zgniotu(czyli umocnienia) albo po odkształceniu na zimno(mamy do czynienia wówczas z wyżarzaniem rekrystalizującym), albo w trakcie odkształcenia na gorąco, kiedy umocnienie jest usuwane jednocześnie z odkształceniem. Umożliwia to osiąganie bardzo dużych stopni odkształcenia przy stosunkowo małych naprężeniach i bez umocnienia. Wyżarzanie rekrystalizujące pozwala na regulację własności wyrobów w dość szerokich granicach. Wiele wyrobów dostarcza się w różnych stanach umocnienia, np. twardym(po obróbce plastycznej na zimno), półtwardym(po częściowej rekrystalizacji), miękkim(po całkowitej rekrystalizacji). Umożliwia to wytwarzanie tego samego materiału w stanie twardym i mało plastycznym, albo w stanie miękkim i bardzo plastycznym. Jest to szczególnie ważne w przypadku stopów metali nieżelaznych i stali nierdzewnych, których własności nie możemy zmieniać przez hartowanie i odpuszczanie.

Wpływ wielkości ziarna na własności materiałów metalicznych

Im mniejsze ziarna tym materiał metaliczny otrzymuje lepsze własności (głównie mechaniczne), dlatego w procesach metalurgicznych często dąży się do uzyskania możliwie najmniejszych wielkości ziaren (powoduje to np. utrudniony proces poślizgu dyslokacji i wzrost wytrzymałości materiału na odkształcenia). Rozrost ziaren zaczyna się natychmiast po zakończeniu procesu rekrystalizacji, tzn. gdy ziarna zetkną się ze sobą i powstaną granice ziaren, a silnie odkształcony w wyniku zgniotu materiał ulegnie wyczerpaniu. Powstaną wówczas warunki do migracji granic ziaren, bez której rozrost ziaren jest niemożliwy. Siłą napędową tego procesu jest dążenie układu do zmniejszenia energii powierzchniowej granic ziaren, co jest jednoznaczne ze zmniejszeniem powierzchni granic, poprzez wzrost przeciętnej wielkości ziaren w czasie. Granice ziaren migrują w kierunku środka ich krzywizny, na skutek czego małe ziarna znikają, a duże rosną.

Przebieg ćwiczenia:

Przygotowano 5 próbek aluminium w postaci cienkich pasków o długości l=100mm, oraz 6 próbek stali C10 w postaci walców o wysokości 15mm.

Próbki stali odkształcono odpowiednio o 5, 10, 30, 30 i 30% a następnie poddano próbie twardości metodą Rockwella. Wyniki zapisano w tabeli i przedstawiono na wykresie poniżej:

TWARDOŚĆ STALI ODKSZTAŁCONEJ PLASTYCZNIE
Nr Pr, %, odkształc.
1
1 (0%)
2 (5%)
3 (10%)
4 (30%)

Wyniki jakie otrzymaliśmy przedstawiają nam umocnienie materiału próbek poprzez zgniot na zimno. Twardość próbek po odkształceniu jest proporcjonalna do wielkości jego wartości. Wybrano trzy próbki o stopniu odkształcenia równym 30% i przez godzinę poddano je wyżarzaniu w temperaturach 300, 500 i 650˚C, a następnie ponownie zmierzono ich twardość. Wyniki zapisano w tabeli i przedstawiono na wykresie poniżej:

TWARDOŚĆ STALI PO REKRYSTALIZACJI
Temp ˚C
1
300
500
650

Teoretycznie wartości twardości odkształconych próbek poddanych wyżarzaniu powinny być mniejsze niż próbek nie odkształconych wyżarzonych. Lecz zgodnie z oczekiwaniami twardości tylko dwóch próbek odkształconych po wyżarzaniu zmalała. Im większa temperatura, w której próbki poddawane były wyżarzaniu, tym wartość twardości była mniejsza. Próbka, której nielogicznie wzrosła, była próbką, która została podana wyżarzaniu w najniższej temperaturze. Poprzednie twardości próbki odkształconej o 30% zostały zmierzone na jednej reprezentacyjnej próbce. Możliwe, iż któraś z próbek 30% miała twardość większą niż zostało to zapisane w tabeli 1. Po umieszczeniu tej próbki w temp. 30% zaczął się proces zdrowienia, twardość próbki zmalała, lecz jednak nie na tyle, aby była mniejsza od twardości początkowej próbki reprezentacyjnej. Natomiast twardość próbki poddanej wyżarzaniu w temp. 650˚C sugeruje, że zaczął się proces rekrystalizacji, lecz nie doszedł on do końca. Budowa ziaren o mniejszej liczbie dyslokacji zaczęła się, lecz nie zatrzymała się ona na pewnym poziomie.

Wyniki próby twardości po wyżarzaniu różnią się od założeń, twardość próbki wyżarzanej w temperaturze 500˚C jest inna niż oczekiwaliśmy, co może świadczyć o pomyłce w doborze próbki. Dwie pozostałe próbki spełniają założenia, można wywnioskować, ze podczas wyżarzania nastąpiła rekrystalizacja, co doprowadziło do zmniejszenia gęstości defektów, i co za tym idzie zmniejszenia twardości próbek.

Próbki aluminiowe poddano rozciąganiu o 2, 4, 7, 10 i 15%, a następnie wyżarzaniu, trwającemu 1h, w temperaturze 500˚C. Po tych czynnościach próbki wytrawiono, dzięki czemu można było zaobserwować ich strukturę makroskopową i zmierzyć średnią wielkość ziarna metodą siecznych. Wyniki zapisano w tabeli i przedstawiono w tabeli poniżej:

WIELKOŚĆ ZIARNA ALUMINIUM PO REKRYSTALIZACJI
Nr Pr, %, zgniotu
1 (2%)
2 (4%)
3 (7%)
4 (10%)
5 (15%)

Z wykresu widzimy, że proporcjonalnie do odkształcenia wartość długości średniej cięciwy zmniejsza się hiperbolicznie. Zależy to od większej ilości pasm poślizgu przy większych naprężeniach. Podczas rekrystalizacji pomiędzy pasmami powstają nowe zarodki.

Wnioski:

Odkształcona stal zwiększa swoją twardość kosztem plastyczności, proporcjonalnie do stopnia odkształcenia, lecz poddana wyżarzaniu ulega procesowi zdrowienia i rekrystalizacji, dzięki czemu jej plastyczność, kosztem twardość, rośnie. Zależne jest to od temperatury i czasu przebiegu procesu.

Aluminium poddane rozciąganiu i wyżarzaniu zwiększa dyspersję ziaren w nim występujących. Ilość ziaren zależna jest od stopnia odkształcenia. Im większe odkształcenie tym więcej ziaren.