S P R A W O Z D A N I E

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

Prowadzący: mgr. Romański

Michał Pająk

IMiR gr.9

Grupa ćwiczeniowa II

Zajecia: poniedziałek 16.00-18.15

Tematyka:

1.) Układy i sieci krystalograficzne,

2.) Defekty punktowe, liniowe, powierzchniowe,

3.) Zjawisko zgniotu,

4.) Mechanizmy odkształcenia plastycznego,

5.) Struktura materiału odkształcona na zimno,

6.) Zdrowienie, rekrystalizacja pierwotna, rozrost ziarn,

7.) Zgniot krytyczny.

ad. 1) Układy i sieci krystalograficzne.

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

- ukł. regularny prymitywny (8 atomów rozmieszczonych na wierzczhołkach sześcianu),

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

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

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

ad. 2) Defekty sieciowe kryształów.

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 nieobsadzenia 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 lukach, 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 zwiazany 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 15, granice między nimi nazywamy granicami dużego kąta.

ad. 3) Zjawisko zgniotu

Pod pojęciem zgniotu rozumie się całokształt zmian zachodzących w strukturze i własnościach metali pod wpływem odkształcenia plastycznego na zimno.

Za miarę zgniotu przyjmuje się stopień odkształcenia (walcowanie, ciągnienie) wyrażony zmianą przekroju w procentach, gdzie zmiana przekroju jest wprost proporcjonalna natomiast przekrój początkowy odwrotnie proporcjonalny, dla próbek odkształconych na drodze rozciągania lub ściskania.

ad. 4) Mechanizmy odkształcenia plastycznego

Odkształcenie plastyczne może przebiegać poprzez poślizg, lub poprzez bliźniakowanie.

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

Bliźniakiem mechanicznym nazywamy skręcenie pewnej objętości sieci krysttalograficznej 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, czli n.p. w niskich temp.

ad. 5) Struktura materiału odkształconego na zimno

Proces odkształcenia plastycznego wywołuje w metalu wzrost gęstości defektów sieci krystalicznej. W wyniku tego opór przeciwko odkształceniu stopniowo wzrasta i aby je dalej kontynuować, trzeba stosować coraz większe siły. Zjawisko to nosi nazwę umocnienia. Umocnienie powoduje podwyższenie takich własności wytrzymałościowych, jak: granica plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie i twardości. Ulegają natomiast obniżeniu własności plastyczne matalu takie jak: wydłużenie, przewężenie, udarność.

Jednocześnie wraz z własnościami mechanicznymi zmieniają się także własności fizyczne i chemiczne zgniecionego metalu. Wzrost stopnia zgniotu powoduje zmniejszenie przewodnictwa elektrycznego, przenikalności magnetycznej, natomiast wzrost siły koercji i magnettyzmu szczątkowego. Oprócz tego nieznacznie zwiększa się objętość właściwa, a maleje ciężar właściwy. Kryształy o idealnej strukturze, nie posiadające defektów sieciowych, mają bardzo wysokie własności wytrzymałościowe, jednak w miarę wzrostu gęstości dyslokacji wytrzymałość ich obniża się. Minimalna wartość osiągająca dla stanu wyżarzonego, kiedy gęstość dyslokacji w tym stanie osiąga wartość 106-108 cm.Dalszemu zwiększaniu gęstości towarzyszy ponowny wzrost wytrzymałości. Związane to jest z podniesieniem energii wewnętrznej układu, zwanej energią zmagazynowaną. Ilość zmagazynowanej energii zależy od czystości metalu, stopnia, temperatury oraz szybkości odkształcenia, sposobu jego realizowania oraz od energii błędu ułożenia. Podczas silnego odkształcenia gęstość dyslokacji wzrasta do wartości 1012 cm².

ad. 6.) Zdrowienie, rekrystalizacja pierwotna, rozrost ziarn

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.

Temperatura rekrysatlizacji nie może być jednoznacznie określona gdyż zależy od wielu czynników, jak: temperatura topnienia i czystość metalu, skład stopu, wielkość zmagazynowanej energii odkształcenia, a również czasu wyżarzania.

Podczas obróbki plastycznej na gorąco zdrowienie lub rekrystalizacja następuje jednocześnie z odkształceniem lub z niewielkim opóźnieniem. Takie procesy nazywamy dynamicznymi, a ich cechą jest w przybliżeniu stała siła napędowa. Przebieg procesów dynamicznych zależy od wielu czynników zewnętrznych tj. parametrów odkształcenia (temperatura, stopień zgniotu, szybkość odkształcenia) oraz wewnętrznych związanych z własnościami materiału, głównie energią błędu ułożenia. Zdrowienie łatwiej zachodzi w materiałach o dużej EBU - przy niższych temperaturach i mniejszej zmagazynowanej energii odkształcenia, rekrystalizacja na odwrót. W wyniku zdrowienia uzyskuje się strukturę poligonalną o wyższych parametrach wytrzymałościowych i niższych plastycznych, podczas gdy rekrystalizacja związana z utworzeniem nowych ziarn prowadzi do zwiększenia plastyczności kosztem zmniejszenia wytrzymałości. Dynamiczną rekrystalizację cechują: niejednorodna podstruktura w objętości metalu, a nawet wewnątrz poszczególnych ziarn, zębatość granic ziarn, zarodki nowych ziarn na byłych granicach ziarn oraz równoosiowość ziarn.

Przez przyspieszone chłodzenie po obróbce plastycznej można przerwać proces rekrystalizacji lub rozrostu ziarn. Ostatnio celowo dąży się do tego, w celu uzyskania wyższych własności wytrzymałościowych walcowanych wyrobów, co nazywamy kierowanym walcowaniem.

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 otaczjących 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.

Cześć doświadczalna

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z budową krystaliczną metali, oraz ze zmianami strukturalnymi jakie zachodzą podczas zgniotu i rekrystalizacji.

Ćw. 1.) W ćwiczeniu pierwszym wykorzystujemy 5 próbek aluminiowych w postaci cienkich pasków o tych samych wymiarach 50 x 10 mm. Każdą z próbek numerujemy, a następnie rozciągamy o określoną wartość; dla próbki 1 - 2%, 2 - 4%, 3 - 7%, 4 - 10%, 5 - 15%.

Następnie próbki wstawiamy do pieca o temp. 480°C. Po 20 minutach wyjmujemy próbki, które studzimy w powietrzu, a następnie trawimy następującym odczynnikiem: 9 cz. HCl, 3 cz. HNO₃, 2 cz. HF, 5 cz. H₂O. Trawienie odczynnikiem ma na celu ujawnienie makrostruktury, co z kolei umożliwia określenie wielkości ziarn i ich liczby. Przy obliczaniu wielkości ziarn korzystamy ze wzoru:

P(w) - Liczba przecięć odcinka z granicami ziaren

L( - długość tego odcinka

 - średnia długość cięciwy ziarna

Nr próbki	Odkształcenie [ % ]	Długość próbki po rozciąganiu [ mm ]	PL [cm]	
1	2	51	0,5	2
2	4	52	1	1
3	7	53,5	5,5	0,18
4	10	55	7	0,14
5	15	57,5	17	0,06

Ćw. 2. )

Ćwiczenie to wykonujemy na pięciu ponumerowanych próbkach stali niskowęglowych o średnicy 10 mm i długości najdłuższej z nich równej 15 mm. Pozostałe próbki są odkształcone wzgl. wzorcowej o następujące wartości: 5% ,10%, 30%, 30%, 30% .

Wykonujemy pomiar twardości próbek 1 .. 5 przy pomocy aparatu Rockwell'a.

Po wykonaniu pomiarów próbki 2, 3, 5 wkładamy do pieca na okres 1 godz. Próbkę nr 2 wyrzażamy rekrystalizująco w temp. 300°C, nr 3 w temp. 500 °C, nr. 5 w temp. 650 °C , po czym dokonujemy powtórnego pomiaru twardości tych próbek.

Nr próbki	Twardość przed zgniotem [HRB]	Odkształcenie [%]	Twardość po zgniocie [HRB]	Temperatura wyrzażania [^OC]	Twardość po wyrzażaniu [HRB]
1	40	5	53	-	-
2	35	30	63	300	81
3	36	30	66	500	68
4	40	10	62	-	-
5	34	30	67	650	67

Wnioski.

Na podstawie wyników uzyskanych w pierwszym ćwiceniu można stwierdzić, że im większe jest odkształcenie próbki, tym większa jest liczba ziarn prypadających na jednostkę powierzchni. Przy małym stopniu zgniotu szybkość zarodkowania jest równa w przybliżeniu zero, a więc liczba ziarn jest znikoma. Po przekroczeniu pewnej minimalnej wartości odkształcenia zwanej zgniotem krytycznym zaczyna powstawać niewielka liczba zarodków, co prowadzi do utworzenia gruboziarnistej struktury.Natomiast po znacznym przekroczeniu wart. zgniotu krytycznego i rosnącej wartości odkształcenia można zaobserwować coraz większe rozdrobnienie ziarn w procesie rekrystalizacji. Na podstawie pomiarów twardości dokonanych na próbkach w drugim ćwiczeniu można stwierdzić, że im bardziej badana próbka została odkształcona, tym większa jest jej twardość.Jest to spowodowane tym, że odkształcenie plastyczne powoduje w metalu wzrost gęstości defektów sieci krystalicznej, a poprzez to wzrost własności wytrzymałościowych w tym między innymi twardości . Z pomiarów twardości w drugim etapie ćwiczenia wynika, że twardość badanych próbek, które zostały wcześniej odkształcone, jest zależna od temp. wyrzarzania. Ze wzrostem temp. wyrzarzania następuje spadek ich twardości.Wynika to z tego, że wygrzewanie po zgniocie tworzyw metalicznych wywołuje proces zdrowienia, a po przekroczeniu temp. rekrystalizacji zjawisko rekrystalizacji. W wyniku pierwszego z procesów następuje spadek ilości defektów punktowych, a drugi powoduje obniżenie twardości próbek. Jej obniżenie jest tym wyższe im bardziej przekroczymy temp. rekrystalizacji.

---