Metody dużego odkształcenia plastycznego

Opierają się na koncepcji przekształcenia mikrometrycznej struktury ziarnistej konwencjonalnych materiałów w strukturę nanometryczną, poprzez reorganizację struktury dyslokacyjnej, tworzącej się w wyniku odkształcenia plastycznego.

Po przekroczeniu pewnej krytycznej wartości odkształcenia w materiale zaczynają tworzyć się komórki i ściany dyslokacyjne, pasma ścinania, zmniejszają się odległości między granicami, zwiększa się kąt dezorientacji. W efekcie powstają ziarna o wielkości nanometrycznej i dużym kacie dezorientacji.

Schemat 5.5 str 136

Dla każdego materiału istnieje pewna minimalna wielkość ziarna możliwa do osiągnięcia w wyniku rozdrobnienia metodami dużego odkształcenia plastycznego. Zależy ona od rodzaju materiału i jego skłonności do anihilowania defektów powstających podczas odkształcenia oraz od szybkości procesów zdrowienia i rekrystalizacji. Materiały o wysokiej temperaturze topnienia są bardziej skłonne do rozdrobnienia ziarna. Ponadto minimalna wielkość ziarna zależy też od zawartości składników stopowych, które ograniczają zdolność do przegrupowania defektów oraz opóźniają procesy zdrowienia i rekrystalizacji.

Metody dużego odkształcenia plastycznego prowadzi się przede wszystkim w celu rozdrobnienia mikrostruktury, a proces jest prowadzony w taki sposób, aby element zachował swój kształt wyjściowy.

Standardowymi przykładami metod dużego odkształcenia plastycznego są przeciskanie przez kanał kątowy (ECAP- equal channel angular pressing) oraz skręcanie pod wysokim ciśnieniem (HTP- high pressure torsion).

Przeciskanie przez kanał kątowy -metoda ECAP

Rys 5,9 str 138

Polega na wielokrotnym przeciskaniu próbki przez kanał kątowy o określonej geometrii. W wyniku działania naprężeń ścinających w obszarze zagięcia kanału materiał odkształca się. Proces ten można powtarzać wielokrotnie. Odkształcanie metodą ECAP może być przeprowadzane według czterech schematów odkształcania. W pierwszym (A) położenie próbki nie zmienia się podczas kolejnych cykli. W drugim (B) próbkę po każdym cyklu obraca się wokół jej osi o kąt 90°. W schemacie C- o kąt 180°. Schemat odkształcania determinuje położenie płaszczyzn ścinania podczas kolejnych cykli. Dla kanału o kącie zagięcia 90° dla schematu A ścinanie zachodzi w dwóch prostopadłych do siebie płaszczyznach. Podczas odkształcania według schematu B płaszczyzny ścinania przecinają się pod katem 60°, natomiast dla schematu C płaszczyzna ścinania nie zmienia się podczas kolejnych cykli. Geometria płaszczyzn ścinania w kolejnych cyklach wyciskania determinuje efektywność procesu rozdrobnienia ziarna. Jest ona największa dla schematu B przy kącie zagięcia kanału 90°.

Rys 5.10 str 139

Materiały kształtowane metodą ECAP charakteryzują się ziarnem o średniej średnicy równej 50 do 500nm i dużym udziałem granic szeroko kątowych.

Skręcanie pod wysokim ciśnieniem- metoda HTP

Polega na jednoczesnym skręcaniu i ściskaniu materiału pod ciśnieniem rzędu kilku GPa. Materiał odkształca się przez ściskanie w warunkach cisnienia quasi- hydrostatycznego. Zaletą metody HTP jest możliwość odkształcania materiałów kruchych, takich jak fazy międzymetaliczne czy proszki metali. Wadą jest natomiast fakt, że otrzymany produkt ma niewielkie rozmiary i grubość, co znaczne ogranicza jej przemysłowe zastosowanie. Ponadto warunki procesu wpływają na niejednorodność mikrostruktury materiału (odkształcenie w centralnej części próbki wynosi 0, rośnie liniowo wzdłuż promienia).

Rys 5.11 str 140

Metoda cyklicznego walcowania materiału ARB (accumulative roll bonding)

Polega na wielokrotnym walcowaniu blach. Po procesie walcowania blacha jest przecinana, jej powierzchnie odtłuszczane i czyszczone. Tak przygotowany materiał jest składany (jedna blacha na drugą) i ponownie walcowany. Duże odkształcenie uzyskane podczas walcowania prowadzi do ponownego zespolenia blach i znacznego zmniejszenia rozmiaru ziaren, a w konsekwencji do polepszenia właściwości wytrzymałościowych walcowanego materiału.

Rys 5. 12 str 140

Metoda cyklicznego wyciskania skręcającego CWS

Polega na łączeniu procesów wyciskania i spęczania w jednym cyklu odkształcenia. Próbka umieszczona jest w specjalnie ukształtowanej matrycy składającej się z dwóch komór przedzielonych „zwężką” , czyli pierścieniem o mniejszej średnicy przekroju. Odkształcenie następuje przez cykliczne przeciskanie przez zwężenie górnej części komory matrycy do dolnej części przez stempel górny. Stempel ściska próbkę, zapewniając zachowanie jej kształtu i wymiarów. Metoda ta umożliwia uzyskanie dowolnie dużych odkształceń w próbkach o małej objętości z zachowaniem pierwotnych kształtów. Odkształcenie zachodzi w obecności wszechstronnych naprężeń ściskających, dzięki czemu zachowana jest pełna ciągliwość materiału. Warto wspomnieć, że metoda ta została opracowana oraz opatentowana na Akademii Górniczo- Hutniczej w Krakowie.

Rys 5.13 str 141

Metoda wyciskania przez skręconą matrycę TE (twist extrusion)

Próbka w kształcie prostopadłościanu jest przeciskana przez matrycę, złożoną z trzech elementów. Dwa są o kształcie próbki, przedzielone skręconym „pasażem”. Próbka jest odkształcana przez działanie na nią wysokiego ciśnienia hydrostatycznego. W procesie tym występują dwie płaszczyzny ścinania: na wejściu oraz na wyjściu z obszaru skręcania. Takie odkształcenie zapewnia efektywne rozdrobnienie ziarna. Po przejściu przez matrycę nie zmienia ona swoich pierwotnych wymiarów, dzięki czemu proces może być przeprowadzany wielokrotnie.

Rys 5.14str 142

Metoda wyciskania hydrostatycznego

Wsad umieszczony jet w specjalnej komorze wysokociśnieniowej, o średnicy większej niż wyciskany element, pozostałą przestrzeń wypełnia się cieczą. Poruszający się tłok ściska ciecz, wywołując ciśnienie hydrostatyczne w kształtowanym wsadzie (dokładniej: w części wsadu otoczonej przez ciecz). Zmiana stanu naprężeń następuje dopiero w matrycy. Po przekroczeniu krytycznej wartości ciśnienia wsad zaczyna wypływać przez matrycę. Materiał nie styka się bezpośrednio z cylindryczną częścią komory roboczej, lecz płynie po filmie utworzonym z cieczy roboczej i materiału smarującego, którym pokryty jest wsad. Zmniejsza to maksymalnie siły tarcia, dzięki czemu można stosować duże prędkości odkształcania (rzędu 10²s^-1). Duże prędkości jednak powodują nagrzewanie się wsadu, co jest niekorzystne ze względu na rozrost ziaren. Aby ograniczyć niekorzystny efekt cieplny procesu, szybko wypływający materiał jest chłodzony wodą.

Rys 5.15 str 142.

Podczas tego procesu dochodzi do redukcji wymiarów kształtowanego elementu, jednak pozwala on na otrzymywanie dużych ilości nanometali w postaci blach, prętów i drutów o różnych kształtach przekroju poprzecznego.