Grupa 1 IMiR Data 30.03.06	Imię i nazwisko Łukasz Boroń		Nazwisko prowadzącego dr inż. Antoni Pańta
godz. 10.30	Numer ćwiczenia 2	Temat ćwiczenia Zgniot i rekrystalizacja tworzyw metalicznych.	Ocena

Tematyka:

1. Sieci krystaliczne i ich defekty,

2. Dyslokacyjny mechanizm odkształcenia plastycznego,

3. Odkształcenie polikryształu - wpływ na własności mechaniczne,

4. Mechanizmy rekrystalizacji pierwotnej,

5. Wielkość ziarna po rekrystalizacji,

6. Metody pomiaru twardości HB, HV, HRC, skala Mohsa.

ad. 1. Sieci krystaliczne i ich defekty.

Sieć krystalograficzna jest to przestrzenne rozmieszczenie atomów. W tworzywach metalicznych wyróżniamy następujące typy sieci krystalograficznych:

- ukł. regularny przestrzennie centrowany RPC (8 atomów na wierzchołkach, oraz jeden umieszczony centralnie w środku sześcianu),

- ukł. regularny ściennie centrowany RSC ( 8 atomów na wierzchołkach, oraz po jednym atomie na przecięciu się przekątnych każdej ze ścian sześcianu),

- ukł. heksagonalny zwarty HZ (12 atomów na wierzchołkach prostopadłościanu o podstawie sześciokąta foremnego, po jednym w punkcie przecięcia się przekątnych podstaw, oraz 3 atomy umieszczone po środku bryły).

Cechą podstawową stanu krystalicznego jest prawidłowe rozmieszczenie atomów w przestrzeni. Struktura tych kryształów nie jest idealna, zawiera szereg defektów, które wywierają wpływ na własności metalu. Mówiąc o defektach sieciowych mamy na myśli nieprawidłowości występujące w sieci krystalograficznej. Ze względu na geometrię defekty dzielimy na : punktowe, liniowe i powierzchniowe.

Zaburzenia sieci w pobliżu poszczególnych atomów noszą nazwę defektów punktowych. Do nich zaliczamy:

- wakancje - powstające w wyniku nie obsadzenia węzła sieci krystalicznej przez atom,

- atomy międzywęzłowe - charakteryzujące się tym, że w sieci krystalicznej atom tego samego pierwiastka zajmuje pozycję między węzłami, powodując rozsunięcie sąsiednich atomów z ich położeń równowagi,

- atomy domieszek w położeniach międzywęzłowych, czyli łukach, są to atomy o średnicach znacznie mniejszych od atomów osnowy, np. węgiel, wodór, azot, bor,

- atomy domieszek znajdujące się w węzłach sieci i zastępujące atomy osnowy (substytucyjne), są to atomy o średnicach zbliżonych do atomów osnowy,

- defekty złożone, np. atom domieszki związany z wakancją, podwójną wakancją itp.

Drugim rodzajem nieprawidłowości sieci przestrzennej są defekty liniowe. Posiadają one jeden wymiar znacznie większy od pozostałych i zwane są dyslokacjami. Pola naprężeń wywołane ich obecnością sięgają kilkudziesięciu odległości atomowych.

Dyslokacje powstają w krysztale w wyniku przyłożenia naprężeń powodujących odkształcenie plastyczne. Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje dyslokacji, a mianowicie krawędziową i śrubową.

Dyslokację krawędziową uzyskamy, jeżeli kryształ o doskonałej budowie zostanie rozcięty wzdłuż określonej płaszczyzny atomowej na pewną głębokość, a następnie między płaszczyzny atomowe zostanie wsunięta dodatkowa półpłaszczyzna. Krawędź półpłaszczyzny jest linią dyslokacyjną. Dyslokacja śrubowa ma inny charakter i powstaje, gdy wszystkie atomy na części płaszczyzny poślizgu zostaną przesunięte o jedną odległość atomową w tym samym kierunku, to znaczy równolegle do granicy tego przesunięcia. Powstaje wówczas defekt sieciowy, którego osią jest linia ograniczająca przesunięcie.

Położenie każdego odcinka dyslokacji wyraża wektor t, który jest styczny do linii dyslokacyjnej, natomiast charakter odcinka określa wektor Burgersa b. Wektor Burgersa tej samej dyslokacji ma wartość stałą, charakteryzuje kierunek i wielkość przesunięcia atomów przy ruchu dyslokacji. a zatem wielkość i energię zaburzenia sieci w wyniku powstania dyslokacji.

Do trzeciego rodzaju defektów sieciowych zaliczamy defekty powierzchniowe. Jednym z najczęściej spotykanych defektów są granice ziarn. Każde ziarno łączy się z otaczającymi je ziarnami we wszystkich punktach powierzchni, tworząc wspólną granicę.

Ziarno w procesie krystalizacji rośnie niezależnie i dlatego przebieg granicy między ziarnami nie jest związany z ich orientacją krystalograficzną. Dla czystych metali grubość granic jest najmniejsza, sięga kilku odległości atomowych. Jeżeli kąt dezorientacji pomiędzy ziarnami wynosi powyżej 15⁰, granice między nimi nazywamy granicami dużego kąta.

ad. 2. Dyslokacyjny mechanizm odkształcenia plastycznego.

Odkształcenie plastyczne może przebiegać poprzez poślizg, lub poprzez bliźniakowanie.

Odkształcenie poprzez poślizg następuje według systemu poślizgu, czyli kombinacji płaszczyzny i kierunku poślizgu, które to związane są z płaszczyznami najgęściej upakowanymi.

Bliźniakowaniem mechanicznym nazywamy skręcenie pewnej objętości sieci krystalograficznej o stały określony kąt wzgl. płaszczyzny nieodkształconej. Bliźniak porusza się w metalu z prędkością dźwięku, a w wyniku zderzenia dwóch metali powstaje mikropęknięcie. Odkształcenie poprzez bliźniakowanie zachodzi łatwiej wtedy, gdy opory odkształcenia są duże, czyli np. w niskich temperaturach.

ad. 3. Odkształcenie polikryształu - wpływ na własności mechaniczne.

Odkształcenie polikryształu pojawia się podczas deformacji na zimno, powoduje znaczną zmianę jego własności fizycznych i mechanicznych. Zmiana ta objawia się przede wszystkim wzrostem twardości i wytrzymałości przy jednoczesnym spadku własności plastycznych, oraz obniżeniem przewodności elektrycznej i gęstości. Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wzrost gęstości dyslokacji. Cześć dyslokacji zostaje utwierdzona w kryształach wywołuje wewnętrznych naprężeń, które przeciwdziałają przemieszczaniu się innych dyslokacji.

ad. 4. Wielkość ziarna po rekrystalizacji.

Rozrost ziarn rozpoczyna się natychmiast po zakończeniu rekrystalizacji. Siłą napędową tego procesu jest dążenie układu do zmniejszenia energii powierzchniowej granic ziarn poprzez wzrost przeciętnej wielkości ziarna w czasie. Z rozrostem ziarn jest związane pojęcie wtórnej rekrystalizacji, zwanej również anormalnym lub przyspieszonym rozrostem ziarn. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem otaczających je sąsiadów. Wtórna rekrystalizacja rozpoczyna się po pierwotnej, po czasie, który jest konieczny do rozrostu niektórych ziarn do wielkości ok. dwa razy większej od ziarn sąsiednich. Sprzyja temu rozpuszczenie wydzieleń obcych faz, co umożliwia selektywny rozrost niektórych ziarn, stanowiących zarodki wtórnej rekrystalizacji. Na kinetykę rozrostu ziarn wpływa szereg czynników. Domieszki na ogół zmniejszają ruchliwość granic ziarn, a tym samym hamują rozrost ziarn. Ze wzrostem temperatury atmosfery atomów domieszek ulegają rozproszeniu, co zmniejsza ich wpływ na rozrost ziarn. Również obecność wtrąceń innych faz lub porów wpływa hamująco na migrację granic ziarn. Ze wzrostem temperatury cząstki ulegają rozpuszczeniu lub koagulują, co sprzyja lokalnemu rozrostowi ziarn, stanowiących zarodki wtórnej rekrystalizacji. W miejscu wyjścia granicy na powierzchnię próbki tworzą się w wysokiej temperaturze, tzw. rowki termiczne, które wstrzymują granice. W cienkich próbkach ma to istotny wpływ na zahamowanie rozrostu ziarn. Obecność w próbce uprzywilejowanej orientacji może również wpływać hamująco na rozrost ziarn, ponieważ migracja granic ziarn zachodzi z trudem, gdy różnica orientacji ziarn jest niewielka. Zagadnienie rozrostu ziarn jest bardzo istotne w praktyce przemysłowej, gdyż wielkość ziarn ma duży wpływ na własności metali i stopów.

ad. 5. Mechanizmy rekrystalizacji pierwotnej.

Zdrowienie jest etapem przemian zachodzących w zakresie temp. poniżej temp. rekrystalizacji i polega na zaniku defektów punktowych: wakancji i atomów międzywęzłowych. W wyniku tego następuje spadek naprężeń. Zanik defektów punktowych wywołuje odnowienie takich własności, jak odporność elektryczna i własności magnetyczne, oraz powoduje częściowe uwolnienie zmagazynowanej energii odkształcenia, mniejsze jednak niż w procesie rekrystalizacji.

Rekrystalizacja jest procesem zasadniczo różnym od zdrowienia, gdyż w tym okresie powstają zarodki nowych, nie odkształconych ziarn, które następnie się rozrastają, podobnie jak podczas krystalizacji z fazy ciekłej. Proces ten zachodzi w temp. wyższych niż zdrowienie, powyżej temp. rekrystalizacji. W tym okresie następuje również uwolnienie zmagazynowanej energii, większe nawet niż przy zdrowieniu. Jest to spowodowane głównie zanikiem dyslokacji, których gęstość spada w tym okresie o kilka rzędów wielkości. Wywołuje to zmniejszenie umocnienia, a więc obniżenie twardości i wytrzymałości i wzrost własności plastycznych. Równocześnie obserwuje się istotne zmiany struktury polegające na zarodkowaniu i stopniowym rozroście nowych nieodkształconych ziarn wolnych od dyslokacji.

ad. 6. Metody pomiaru twardości HB, HV, HRC, skala Mohsa.

Metoda Brinella

Metoda ta wykorzystuje wgłębnik ,który jest kulką o pewnej średnicy. Twardość obliczana tą metodą jest to stosunek siły obciążającej wgłębnik i działającej prostopadle do powierzchni badanego materiału , do pola powierzchni odcisku powstałego w wyniku działania tejże siły . Dla określenia warunków próby należy podać średnicę kulki , siłę obciążającą , i czas działania tej siły . Twardość zmierzoną metodą Brinella oznacza się jako HB .

Metoda Vickersa

Metoda ta różni się od poprzedniej rodzajem wgłębnika i sposobem pomiaru odcisku. W tej metodzie wgłębnikiem jest ostrosłup diamentowy o podstawie kwadratowej i kącie wierzchołkowym 136⁰. Twardość wg. tej metody to stosunek siły do powierzchni odcisku i oznaczamy ją jako HV.

HRC

Metoda Rockwella polega na pomiarze głębokości wcisku dokonanego wzorcowym stożkiem diamentowym dla skali hartownych. Metoda ta jest łatwa w użyciu i szybka, gdyż stosuje się przy niej specjalne przyrządy, które same odczytują głębokość wgniecenia i określają twardość, bez konieczności dokonywania dodatkowych pomiarów i obliczeń. Dodatkową jej zaletą jest to, że jest ona nieniszcząca i pozostawia na badanym przedmiocie tylko niewielką skazę.

Skala Mohsa

Jest to zestaw dziesięciu minerałów o wzrastającej twardości, służący do porównawczego określenia twardości badanych ciał.
Stopnie twardości:

1 - talk,

2 - sól kamienna,

3 - kalcyt,

4 - fluoryt,

5 - apatyt,

6 - ortoklaz,

7 - kwarc,

8 - topaz,

9 - korund,

10 - diament.

---