www.wychowanietechniczne.prv.pl

OBRÓBKA PLASTYCZNA

Odkształcenie plastyczne wywołuje wzrost gęstości defektów sieci, głów­nie punktowych i liniowych, 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, co przyjęto nazywać zgniotem. Zmiany te są kwałe, 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; mówimy wówczas o odkszi&l-cenitt na zimno.

Wielkość powstałych zmian strukturalnych w odkształconym w wa­runkach zgniotu jest uzależniona od stopnia odkształcenia, który może być jednocześnie miarą zgniotu.

Względne odkształcenie (wyrażane zwykle w procentach) można okre­ślać w dwojaki sposób:

— albo jako względną zmianę długości próbki rozciąganej lub ści­skanej

=
x 100%

gdzie :
- zmiana długości próbki, l
- długość początkowa

Wzór określa przeciętne odkształcenia.

Wzrost gęstości dyslokacji wywołuje stopniowe umocnienie -metalu, gdyż następuje zmniejszenie odległości między dyslokacjami, a więc wzrastają siły wzajemnego oddziaływania między nimi Powoduje to blokowanie ru­chu dyslokacji, na skutek czego coraz, większe naprężenie jest konieczne do dalszego odkształcenia, czyli następuje tzw. umacnianie. Po silnym zgniocie zgniocie gęstości wyrasta dalsze odkształcenie jest niemożliwe bez naruszenia spójności materiału. Podob­nie powstanie bliźniaków odkształcenia wywołuje umocnienie, gdyż bli­źniaki powodują przerwanie ciągłości płaszczyzn i kierunków poślizgu, a tym samym utrudnią ruch dyslokacji.

Badania strukturalne przeprowadzone w ostatnich latach na mikro­skopie elektronowym na cienkich foliach wykazały istotny wpływ ener­gii błędu ułożenia na strukturę po zgniocie. W metalach o małej EBU, po takim samym odkształceniu gęstość dyslokacji jest większa i występuje tendencja do powstawania spiętrzeń dyslokacji na przeszkodach, a po większym odkształceniu powstają tzw. pasma ścinania i pasma przejścio­we W metalach o dużej EBU tworzą duże komórkowe układy dyslokacji zbudowane ze splotów dyslokacji oddzielających komórki prawie wolne od dyslokacji. Ze wzrostem stopnia zgniotu sploty dyslokacji zagęszczają się, a komórki zmniejszają.

Wtórnym efektem odkształcenia plastycznego jest stopniowe wydłu­żenie się ziarn w kierunku przeróbki plastycznej. Wyciągnięciu ulegają również wtrącenia niemetaliczne, które mają tendencję gromadzenia się na granicach dendrytów. Wynikiem tego jest powstanie charakterystycz­nej struktury włóknistej i związanej z nią anizotropii własności. Prócz tego wytwarza się tekstura odkształcenia.

W wyniku nagrzewania metalu (stopu) po zgniocie zachodzą w nim przemiany w kierunku zmniejszenia energii odkształcenia i odnowienia własności, jakie miał przed odkształceniem. Przemiany te zachodzą w trzech kolejnych etapach zwanych zdrowieniem, rekrystalizacją i rozrostem ziarn.

Po zgniocie atomy w metalu znajdują się w stanie niestabilnym, tzn. mają

zwiększoną energię. Jeśli ich dyfuzja, jest niemożliwa (niskiej niskiej temperaturze ), mogą pozostawiać w tym stanie (metastabilnym) przez dowolnie długi czas. Podgrzewanie metalu dostarcza energii cieplnej pozwalającej na powrót atomów do ich położeń o najmniejszej energii (do stanu c), w wyniku czego zostają stworzone warunki do odnowienia struk­tury i własności. Powoduje to stopniowy zanik defektów sieci, a równocześnie wydziela się zmagazynowana energia odkształcenia

ZDROWIENIE

Zdrowienie jest etapem przemiany zachodzących w zakresie temperatur poniżej temperatury rekrystalizacji i polega na zaniku defektów punktowych. W wyniki tego następuje spadek naprężeń , co prowadzi do wytworzenia się refleksów dyfrakcyjnych. Zanik defektów punktowych wywołuje odnowienie takich własności jak : odporność elektryczna i własności magnetyczne oraz powoduje częściowe uwolnienie zmagazynowanej energii odkształceń , mniejsze jednak niż w okresie rekrystalizacji. W niektórych metalach niskotopliwych obserwuje się również zdrowienie granicy plastyczności zachodzącej już w temperaturze pokojowej. Polega to na stopniowym obniżaniu granicy plastyczności z czasem po zdjęciu naprężeń. Podobne zmiany zachodzą także w innych metalach , ale przy wyższych temperaturach. Z obniżeniem temperatury szybkość zdrowienia maleje .

Jeżeli odkształcenie plastyczne nastąpiło w wyniku zginania, może zajść tzw. proces poligonizacji (wysokotemperaturowe zdrowienie), polegający na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o mniejszej energii. Tworzą się granice ziarn małego kąta, podgranicami oddzielają pole naprężeń jednej dyslokacji nakłada się na ściskające pole naprężeń drugiej dyslokacji wyniku tego powstają dyslokacyjne granice ziarn . Dalsze zmniejszanie energii układu może nastąpić przez zrastanie się podziarn, przez co wzrasta wielkość przeciętnego podziarna i zwiększa się kierunek ich dezorientacji. Ze względu na łatwość wspinania się dyslokacji poligonizacja zachodzi w metalach o dużej energii błędu ułożenia. Uwolnienie energii odkształcenia następuje, zmniejszona siła pędową procesu rekrystalizacji, w wyniku czego może ona w ogóle nie nastąpic.

Poligonizacja może również zachodzić w materiałach polikrystalicznych po złożonych sposobach odkształcenia (walcowanie, kucie). Po dużych stopniach odkształceniach i niskich temperaturach wygrzewania sploty mogą od razu przekształcać się w granice ziarn dużego kąta , co nazywamy rekrystalizacją „in situ".

REKRYSTALIZACJA

Rekrystalizacja (pierwotna) jest procesem zasadniczo różyni od zdrowienia , gdyż w tym okresie powstają zarodki nowych, me odkształcona ziarn, które następnie się rozrastają, podobnie jak podczas krystalizacja z fazy ciekłe. Proces ten zachodzi w temperaturach wyższych niż zdrowienie, powyżej tzw temperatury rekrystalizacji. Jak widać z wykresu (rys. 7.4), również w tym okresie następuje uwolnienie zmagazynowanej energii, większe nawet niż przy zdrowieniu. Jest to spowodowane głównie zanikiem dyslokacji, których gęstość spada w tym okresie o kilka razy. Wywołuje to zmniejszenie a umocnienia, a więc obniżę twardości i wytrzymałości i wzrost własności plastycznych, (rys. 7.4), Równocześnie obserwuje się istotne zmiany struktury polegające na zarodkowaniu i stopniowym rozroście nowych nieodksztaconych ziarn wolnych od dyslokacji.Temperatura rekrystalizacji nie może być jednoznacznie określona gdyż zależy od wielu czynników, jak: temperatura topnienia i czystości metalu, skład stopu, wielkość zmagazynowanej energii odkształcenia a również czasu, wyżarzania.

T
= 0,4 T

Stosunek T
/ T
w skali bezwzględnej waha się w rzeczywistości w granicach 0,34-0,69 dla specjalnych .materiałów złożonych (tzw- komponentów) nawet do 0,8; natomiast dla bardzo czystych metali 0,1~0,2. Dla : których metali łatwo topliwych (np. Pb-Sn) T
leży poniżej temperatury pokojowej. Domieszki w różnym stopniu wpływają na temperaturę rekrystalizacji, co jest związane z. ich oddziaływaniem na ruchliwość granic ziarn. Ze zwiększeniem zmagazynowanej energii następuje obniżenie temperatury początku rekrystalizacji. Czynniki, które ten wzrost wywołuj stopień zgniotu, zwiększenie szybkości odkształcenia, obniżenie temperatury odkształcenia. Kinetyka procesu rekrystalizacji jest zilustrowana , podobnie jak kinetyka dyfuzyjnych przemian fazowych, Które są typowe dla procesów związanych z zarodkowaniem. Z wykresu wynika, że im niższa jest temperatura, tym szybszy jest czas konieczny do zrekrystalizowania.

Wynika z niego, że zależność szybkości rekrystalizacji od temperatury jest wykładnicza, a więc nieznaczny wzrost temperatury może znacznie skrócić czas konieczny do zajścia rekrystalizacji. Proces rekrystalizacji rozpoczyna się dopiero po pewnym czasie , zależnym od temperatury ( rys. 7-7), Jest to okres inkubacyjny konieczny do utworzenia się zarodków nowych nieodkształconych ziarn. Powstanie i wzrost zarodków opisu prawo Tamananna (porównaj z rys. 5.3) z tym, że rolę przechłodzenia w tym przypadku zmagazynowana energia odkształcenia, zależy od stopnia zgniotu (wielkości wydłużenia). Zgodnie z tym prawem szybko;

rekrystalizacji, podobnie jak szybkość krystalizacji 2 fazy ciekłej, zależne od dwóch procesów:

— szybkości tworzenia zarodków

— szybkości ich wzrostu

Zarodki nowych ziarn powstają w miejscach o dużej koncentracji energii (granice ziarn, przecięcia bliźniaków, cząstki obcych faz itp.), ta więc proces zarodkowania zależy również od stopnia zgniotu. Jeżeli szybkości tworzenia zarodków i ich wzrostu są duże, to powstają drobne ziarno i na odwrót — przy malej szybkości zarodkowania i duże szybkości ich wzrostu ziarno będzie grube

ROZROST ZIAREN

Rozrost ziaren rozpoczyna się natychmiast po zakończeniu rekrystalizacji Siłą napędowa tego procesu jest dążenie układu do zmniejszenia energii powierzchniowej granic ziaren poprzez wzrost przeciętnej wielkości ziaren w czasie. Z rozrostem ziaren jest związane pojęcie wtórnej rekrystalizacji, zwanej również anormalnym lub przyspieszonym rozrostem ziaren. Polega on na szybkim rozroście niektórych ziaren kosztem otaczających je sąsiadów Wtórna rekrystalizacja rozpoczyna się po pierwotnej po czasie którym jest konieczny do rozrostu niektórych ziaren do wielkości około dwa razy większej od ziaren sąsiednich. Sprzyja temu rozpuszczenie wydzieleń o różnych faz, co umożliwia selektywny rozrost niektórych ziaren, stanowiących zarodki wtórnej rekrystalizacji Rozrost ziaren w metalach można modelować przez rozrost bańki w pianie mydlanej, który następuje w wyniku dyfuzji atomów gazu.

STARZENIE PO ZGNIOCIE

Zjawisko starzenia po zgniocie jest typowe dla miękkich stali , w których występuje w próbie rozciągania wyraźna granica plastyczności . Wywołują je atomy międzywęzłowe , głównie azotu i węgla , które dyfundując do dyslokacji powodują ich unieruchomienie. Efektem tego jest ponowne wystąpienie wyraźnej granicy plastyczności, jednakże przy większym naprężeniu niż miało to miejsce przy pierwszym odkształceniu

Podwyższenie granicy plastyczności wiąże się ze wzrostem gęstości dyslokacji podczas pierwszego odkształcenia. Towarzyszą temu wszystkie negatywne efekty związane z nierównomiernym odkształceniem , a przede wszystkim pojawienie się na powierzchni pasm Ludersa-Czernowa.

Nazwa „starzenie" pochodzi z jednej strony od dość długiego czasu (zwykle kilka dób jaki upływa do chwili pojawienia się zjawiska, co jest związane z dyfuzyjnym transportem atomów międzywęzłowych do nowych położeń dyslokacji. Czas ten ulega znacznemu skróceniu po podgrzaniu stali do temp. 100—150°C. Z drugiej strony skutkiem starzenia po zgniocie jest umocnienie podobne jak przy starzeniu stopów, które jest efektem wydzielania dyspersyjnych cząstek z przesyconego roztworu stałego.

PRAKTYCZNE ZNACZENIE REKRYSTALIZACJI

W praktyce przemysłowej jest stosowany rodzaj obróbki cieplnej zwany wyżarzaniem rekrystalizacji , które ma na celu przywrócenie plastyczności metalowi poddanemu uprzednio obróbce plastycznej na zimno. Bardzo rozpowszechnione jest tez obróbka plastyczna na gorąco , np. walcowanie , kucie, prasowanie. W tym przypadku zdrowienie dynamiczne lub rekrystalizacja dynamiczna następuje natychmiast po odkształceniu. Własności wyborów od tego , który proces następuje szybciej. Jeśli rekrystalizacja nadąża usunąć skutki zgniotu wywołane przez odkształcenie nie obserwuje się umocnienia , natychmiast gdy szybkość odkształcenia jest duża , a temperatura niezbyt wysoka. Następujący po okresie rozrost ziarn prowadzi do obniżenia własności plastycznych . Należy więc unikać wytrzymania materiału w wysokiej temperaturze dłużej niż jest to konieczne do zakończenia rekrystalizacji. Przy głębokim tłoczeniu często następuje bardzo niejednorodne odkształcenie i mogą powstać strefy , w których po wyżarzaniu występują efekty zgniotu krytycznego. Niektóre stopy wykazują skłonności do tzw korozji naprężeniowej , powodującej pęknięcia w wyniku nagromadzenia naprężeń. Można temu zapobiec przez stosowanie wyżarzanie odprężającego. Stopniem rekrystalizacji można regulować własności wyrobów w dość znacznych granicach. Wiele wyrobów jest dostarczanych w różnych stanach umocnienia , np. twardy , półtwardym, miękkim. Czyli ten sam materiał można otrzymać jako twardy i mało plastyczny lub na odwrót.

W pewnych przypadkach zachodzi konieczność wytwarzania dużych monokryształów do celów badawczych lub na kryształy do spektrometrów rentgenowskich. Można je wytwarzać stosując zgniot krytyczny a następnie wykorzystując zjawisko wtórnej rekrystalizacji.

---