I. Elementy krystalografii.
Ciała krystaliczne mają kształt regularnych brył geometrycznych. Atomy w metalu są uporządkowane jako węzły sieci przestrzennej, utworzonej przez zwielokrotnienie w 3 kierunkach przestrzennego elementu zwanego komórką elementarną (sieciową).
Rodzaje sieci:
sieć regularna prosta
sieć regularna przestrzennie centrowana
sieć regularna płasko centrowana
sieć heksagonalna zwarta
Niezależnie od typu sieć przestrzenną charakteryzują:
liczba koordynacyjna - (trwałość materiału) liczba najbliższych i równoległych atomów od dowolnego atomu sieci. Jest to liczba wiązań czyli energetyczna miara trwałości struktury krystalicznej.
liczba atomów przypadająca na komórkę elementarną jest to wartość charakteryzująca w pewien sposób wielkość komórki zasadniczej.
wypełnienie komórki elementarnej - stosunek objętości zajętej przez atomy (kule) do objętości komórki elementarnej (bryły) wyrażony w [%]. Jest to wartość wyrażająca gęstość atomową struktury krystalicznej.
II. Teoria krystalizacji
Zmiana stanu skupienia ciecz -> ciało stałe (krzepnięcie) ma duże znaczenie techniczne ponieważ od tego zależy struktura ciała stałego a od niej właściwości mechaniczne. Oziębianie cieczy zmniejsza ruchliwość atomów tak, że w temperaturze krzepnięcia siły wiązania gwałtownie zwiększają się powoduje zmniejszenie energii. Jego nadmiar wydziela się w postaci ciepła zwanego ciepłem krzepnięcia utrzymując przez czas zmiany stanu skupienia stałą temperaturę układu pomimo strat ciepła do otoczenia. W czasie topnienia ciepło przemiany jest pochłaniane przez fazę stałą zapewniając stały wzrost energii swobodnej i stałą temperaturę pomimo doprowadzenia ciepła.
Powolne chłodzenie czystej cieczy, odizolowanej od wpływów zewnętrznych (utlenianie, wstrząsy) umożliwia przechłodzenie - obniżenie temperatury krzepnięcia bez zmiany stanu skupienia w teoretycznej temperaturze krzepnięcia.
Metale można przechłodzić o kilka stopni, wodę do -20°C, tworzywa wielocząsteczkowe (polimery) do kilkuset stopni.
Odwrotny proces do przechłodzenia to przegrzanie.
III. Mechanizm krzepnięcia
Mechanizm krzepnięcia polega na powstawaniu w cieczy zarodków krystalizacji i na ich wzroście. W teorii krystalizacją określamy dwie wielkości charakteryzujące proces:
szybkość zarodkowania - liczba zarodków krystalizacji tworzących się w jednostce objetości cieczy, w jednostce czasu [SZ]
szybkość krystalizacji - liniowa szybkość wzrostu kryształów w jednostce długości na jednostkę czasu [SK]
Wartości [SZ] i [SK] są niezależne od przechłodzenia masy ciekłej.
Przy małych prędkościach chłodzenia dominuje szybkość krystalizacji - otrzymujemy strukturę gruboziarnistą, przy dużych prędkościach chłodzenia dominuje szybkość zarodkowania - otrzymujemy strukturę drobnoziarnistą.
Zarodkowanie
W ciekłym metalu zarodkiem krystalizacji jest przypadkowo pojawiająca się grupa atomów bliskiego uporządkowania zajmujących położenia odpowiadające pozycjom atomów w sieci przestrzennej.
Wyróżnia się 2 rodzaje zarodkowania:
zarodkowanie homogeniczne - polega na tworzeniu się zarodka w kształcie kuli w jednorodnej cieczy (duże przechłodzenie). Metale według tego typu nie zarodkują (sporadycznie)
zarodkowanie heterogeniczne - polega na tworzeniu się zarodka w kształcie czaszy kulistej na powierzchni fazy stałej (ściany tygla), wtrącenia zanieczyszczenia, błonki tlenków. Zarodkowanie heterogeniczne jest podstawowym mechanizmem podczas krystalizacji metalu. Umożliwia duże szybkości zarodkowania pomimo małych przechłodzeń
Krystalizacja stopów jest procesem bardziej złożonym ponieważ:
skład fazy stałej i ciekłej zmienia się w czasie
krystalizacja przebiega najczęściej w zakresie temperatur, którego górna granica nazywa się likwidusem a dolna soidusem.
Składniki stopu różnią się temperaturami krzepnięcia, składniki o niższej temperaturze krzepnięcia obniżają temperaturę krzepnięcia stopu, natomiast składniki o wyższej podwyższają.
Powstawanie struktury dendrydycznej
Mikrostruktura materiałów metalicznych utworzona w wyniku krystalizacji nosi nazwę struktury pierwotnej. Dzięki dużej liczbie zarodków krystalizacji w cieczy metale i stopy mają budowę polikrystaliczną (wieloziarnową). Rozmiary ziaren wynoszą od 10-15 do 10-3 [mm].
Mechanizm tworzenia się polistruktury jest następujący.
W początkowym okresie krystalizacji powstaje struktura dendrydyczna. Wynika ona z dwóch czynników:
anizotropii krystalizacji
zanik procesu zanikania i wznawiania procesu krystalizacji (na skutek podwyższania temperatury cieczy w wyniku ciepła krzepnięcia)
W czasie krystalizacji dendrydycznej szybki wzrost kryształu od punktu A do B zostaje w pewnym momencie zatrzymany ponieważ intensywnie wydzielające się ciepło krzepnięcia przed frontem krystalizacji lokalnie podnosi temperaturę cieczy (następuje lokalny zanik chłodzenia). Kryształ wzrasta w innym uprzywilejowanym kierunku aż do zaniku przechłodzenia przed frontem krystalizacji. Jezeli w międzyczasie w fazie ciekłym w punkcie B zostało rozproszone, utworzyło się ponownie odpowiednie przechłodzenie (temp. krystalizacji) to dalszy wzrost kryształu może następować od punktu B do E. Takie wzrastanie i zanikanie w poszczególnych miejscach prowadzi do utworzenia dendrytów.
Ciekły metal wlany do wlewnicy, w zetknięciu z jej ścianami szybko odprowadzającymi ciepło w kierunku prostopadłym do swych powierzchni ulega dużemu przechłodzeniu.
Dlatego pierwsza warstwa dzięki dużej szybkości zarodkowania tworzy cieńką warstwę zarodków zamrożonych. Są to ziarna równoosiowe, drobne. Strefa pierwsza zmienia warunki odprowadzania ciepła czyli zmniejsza szybkość zarodkowania. Zarodki których kierunek najszybszego wzrostu jest równoległy do kierunku odprowadzania ciepła rozrastają się do znacznych rozmiarów tworząc strefę ziaren słupkowych. Krystalizacja strefy środkowej odbywa się przy najmniejszym przechłodzeniu, bez wyraźnej kierunkowości odprowadzania ciepła.
Mała szybkość zarodkowania sprawia, że przypadkowo zorientowane zarodki rozrastają się do znacznych rozmiarów tworząc strefę ziaren wolnych (równoosiowych).
W miarę ich wzrostu zanieczyszczenia i pęcherze gazowe przesuwane są ku środkowi i ku górnej części wlewki i z tych względów jest odcinana.
IV. Defekty struktury krystalicznej metali.
Rzeczywista struktura metali zawiera sporo defektów. W zależności od rozmiarów wyróżnia się defekty :
punktowe - defekty punktowe mają w 3 kierunkach wymiary rzędu stałej sieciowej. Zalicza się do nich nie obsadzone atomami pozycje sieci czyli wakanse i atomy w pozycjach międzywęzłowych a także atomy obce (zanieczyszczenia) w pozycjach węzłowych i międzywęzłowych. Wakanse podlegają migracji tzn. w miejsce wolne wskakuje sąsiedni atom powodując wakans w swoim węźle. W przypadku mniejszego atomu deformacja jest w kierunku obcego atomu. W metalu liczba defektów powinna być mniejsza od 10^16 [cm3]
liniowe - defekty liniowe (dyslokacja) mają w dwóch prostopadłych kierunkach wymiar stałej sieciowej a w trzecim wymiar ziarna lub kryształu.
Dyslokacje liniowe mogą być:
krawędziowe - polega na zaniku jednej z płaszczyzn sieciowych (istnieje półpłaszczyzna), wywołują je naprężenia wewnętrzne oraz odkształcenia objętościowe i postaciowe sieci
śrubowe - polega na przesunięciu jednej części kryształu o jedną odległość atomową
złożone - mają wymiar w jednym kierunku rzędu kilku odległości międzyatomowych a w dwóch pozostałych wymiar ziarna lub kryształu. Defektami złożonymi są najczęściej powierzchnie rozgraniczające ziarna zwane granicami ziaren albo rozgraniczające pewne obszary w obrębie kryształu ziarna zwane podgranicami. Granice mogą być wąskokątne < 2 - 3, szerokokątne > 15 - 20.
V. Odkształcenia
Wyróżnia się 3 rodzaje odkształceń:
sprężyste - polega na sprężystym ugięciu sieci. Wychylenie atomów z pozycji równowagi jest mniejsze od odległości międzyatomowej. Po usunięciu naprężeń atomy wracają do położenia równowagi co powoduje zanik odkształceń.
plastyczne - zachodzi pod działaniem dość dużego naprężenia, polega na przemieszczeniu się części kryształu względem siebie za pośrednictwem poślizgu lub bliźniakowania :
przez poślizg - polega na przemieszczeniu jednej części kryształu względem drugiej o całkowitą wielokrotność odległości międzyatomowych. Poślizg zachodzi najłatwiej w płaszczyznach i kierunkach najgęściej wypełnionych atomami. Przesunięcie względem części kryształu w linii poślizgu osiąga wartość do 100 odległości międzyatomowych i ulega zachamowaniu. W miarę powiększającego się naprężenia następuje uruchamianie nowych linii poślizgu w równoległych płaszczyznach oddalonych od siebie o 50 - 500 odległości międzyatomowych. Ze wzrostem temperatury rośnie łatwość poślizgu.
przez bliźniakowanie -polega na skręceniu jednej części kryształu względem drugiej o dany kąt w określonej płaszczyźnie i kierunku. Naprężenie niezbędne do wywołania bliźniakowania jest zawsze znacznie większe niż naprężenie potrzebne do poślizgu ale wpływ temperatury na bliźniakowanie jest znacznie słabsze.
VI. Zgniot i umocnienia
Wartość odkształcenia plastycznego określana jest stopniem zgniotu (Z) wyrażonym procentowym stosunkiem zmniejszenia poprzecznego przekroju [ds] materiału do przekroju początkowego [So].
Pojęciem zgniotu określa się całokształt zmian mikrostruktury, naprężeń własnych oraz właściwości wywołanych odkształceniem plastycznym.
Metale polikrystaliczne w stanie lanym zwłaszcza po wyżarzeniu mają najczęściej ziarna równoosiowe. Duże zgnioty powodują znaczne wydłużenie ziarna co prowadzi do utworzenia struktury włóknistej (blachy, druty).
Zjawisko zmiany właściwości mechanicznych nazywa się umocnieniem materiałów. Dzieje się to na skutek blokowania dyslokacji na przeszkodach na jakie natrafiają one w swym ruchu podczas odkształceń plastycznych. W trakcje umocnienia powiększają się dwukrotnie wytrzymałość, twardość a zmniejsza się wydajność, wydłużenie. Umocnienie i kształt zgniecionego ziarna są trwałe tylko do pewnej temperatury. Wyżarzanie zgniecionego materiału powoduje w nim zmiany.
Wyżarzanie w niskiej temperaturze zmniejsza w nim naprężenia własne. Obróbkę cieplną w której usuwa się naprężenia własne (nie zmieniając właściwości mechanicznych) nazywamy odprężaniem.
Odprężanie prowadzi do spadku właściwości mechanicznych i wzrostu plastyczności. Po dostatecznie długim stopniu odprężania materiał otrzymuje właściwości mechaniczne.
Zjawisko to nazywa się nawrotem lub zdrowieniem. Wyżarzanie w jeszcze wyższej temperaturze powoduje zanik struktury włóknistej .Z kryształów włóknistych powstają kryształy komórkowe.
Zjawisko przebudowy kryształu włóknistego na kryształy komórkowe nazywa się rekrystalizacją pierwotną. Dalsze wygrzewanie materiału w wyższej temperaturze od poprzedniej powoduje wzrost ziarna (rekrystalizacja wtórna). Zjawisko rekrystalizacji wtórnej pogarsza właściwości mechaniczne i technologiczne. Zjawisko rekrystalizacji jest wykorzystywane w procesie obróbki plastycznej do odzyskiwania właściwości plastycznych utraconych podczas zgniotu.
Temperaturę zgniotu można wyznaczyć ze wzoru Boczwara Tr=[Alfa]*Tt,
Tr - temp rekrystalizacji
[Alfa]- współczynnik
0,4 - czyste pierwiastki
0,6 - stopy
Tt - typ topnienia
Jak wynika z rozważań obróbkę plastyczną prowadzoną w typ<Tr powoduje wzmocnienie materiału, natomiast przy obróbce typ>Tr wzmocnienie nie występuje. Stąd wynika podział na obróbkę plastyczną na zimno T<Tr i na gorąco T>Tr. Wartość zgniotu ma wpływ na wielkość ziaren po wyżarzeniu. Zgniot przy którym otrzymuje się największe ziarna nazywa się zgniotem krytycznym.
VII. Podstawy teoretyczne obróbki cieplnej
Obróbka cieplna jest zabiegiem cieplnym (lub kilkoma zabiegami) mająca na celu zmianę struktury stopu (w stanie stałym) a przez to nadanie mu żądanych właściwości mechanicznych.
Jako środek do tego celu stosuje się podnoszenie lub obniżanie temperatury obrabianego cieplnie materiału oraz pewne procesy cieplnochemiczne, cieplnoplastyczne, cieplnomagnetyczne.
Dzięki istnieniu odmian alotropowych żelaza można na drodze obróbki cieplnej zmieniać właściwości jego stopu. Dla obróbki cieplnej stopu żelaza podstawowe znaczenie ma układ równowagi żelazo - cementy a ściśle jego część do zawartości 2,11 % węgla