WYDZIAŁ INŻYNIERII MATERIAŁOWEJ POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ

LABORATORIUM MATERIAŁOZNAWSTWA

Materiały pomocnicze do ćwiczenia nr 3 pt.:

" ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE I REKRYSTALIZACJA”

Opracował dr inż. Andrzej W. Kalinowski

Luty 1994

1. WIADOMOSCI WSTĘPNE

Jedną z cech metalu jest podatność na odkształcenia trwałe pod wpływem działania sił zewnętrznych. Cechę tę nazyw-a się plastycznością a jej wskaźnikami mechanicznymi są: wydłużenie (A), przewężenie (Z). Wykorzystywana jest ona od chwili kiedy człowiek, w swoim rozwoju cywilizacyjnym nauczył się uzyskiwać i stosować metale do wytwarzania przedmiotów użytkowych.. Jedną bowiem z najstarszych technik wytwarzania jest formowanie plastyczne współcześnie nazywane obróbka plastyczną. Posiada ona szereg zalet do których przede wszystkim należą: duży stopień wykorzystania materiału, nieskomplikowany proces technologiczny i możliwość umacniania metali.

Dzięki tym zaletom obróbka plastyczna w zakresie technicznym ma dwa aspekty. Pierwszy jako sposób uzyskiwania wyższych właściwości wytrzymałościowych i sprężystych, po odkształceniu. W określonych temperaturach, nazwany umocnieniem odkształceniowym. Sposób ten ma zastosowanie do metali czystych (pierwiastków metalicznych) np. miedzi (rys. 1 a), z której wykonuje się niektóre elementy sprężyste, druty itp; aluminium w celu uzyskania większej twardości i wytrzymałości Rm (rys. 1 b) oraz stopów jednofazowych (rys. 2), w których nie można wykorzystać innych mechanizmów umocnienia np. przez obróbkę cieplną. Stan umocnienia odkształceniowego wywołuje się nie tylko w całej objętości metalu, ale również w jego części np. przypowierzchniowych warstwach przedmiotu, stosując odpowiednią technikę odkształcenia jak uderzając w powierzchnię z dużą energią kulkami wykonanymi z twardych materiałów.

Drugim aspektem obróbki plastycznej jest formowanie materiałów w użytkowe kształty stanowiące gotowe wyroby lub półprodukty jak pręty, blachy, odkuwki przeznaczone do dalszego przetwarzania.

Nie do pominięcia jest również czynnik ekonomiczny z uwagi na wzrastające ceny materiałów metalowych, spowodowane wyczerpywaniem się ich łatwo dostępnych źródeł.

Rys. 2. Zmiana właściwości mechanicznych mosiądzu jednofazowego wywołana odkształceniem plastycznym. (3)

2. ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE

W metalach występują dwa rodzaje odkształceń: sprężyste i plastyczne. Odkształcenie sprężyste ma charakter nietrwały i następuje pod wpływem działania siły zewnętrznej a po jej usunięciu materiał powraca do stanu wyjściowego. Istotą odkształcenia sprężystego jest to, że obciążenie zewnętrzne powoduje sprężyste przesunięcia atomów z położeń równowagi (obciążenie jest niewystarczające dla przeprowadzenia atomu w nowe położenie równowagowe). Istnieje dla każdego metalu największa wartość siły po przekroczeniu której przedmiot nie powróci do pierwotnego kształtu. Graniczna wartość tej siły odniesiona do pierwotnego pola przekroju, na którym działa jest naprężeniem nazwanym granicą sprężystości.

Odkształcenie trwałe-plastyczne następuje wtedy gdy wartość naprężenia wywołanego siłą przekroczy wartość granicy sprężystości. Wielkość tego naprężenia zależy od wielu czynników, z których najważniejszymi są: siły oddziaływania między atomami w sieci., typu sieci, szybkości i temperatury w jakiej następuje odkształcanie.

Techniczną miarą odkształcenia jest stosunek zmniejszenia pola przekroju poprzecznego (prostopadłego do kierunku odkształcenia), do pola tego przekroju przed odkształceniem, wyrażony w procentach.

gdzie: Ao- pole przekroju przed odkształceniem,

A- pole przekroju po odkształceniu,

Mechanizmami odkształcenia plastycznego j es t poślizg i bliźniakowanie.

Poślizg

Poślizg polega na przemieszczeniu się jednej części kryształu względem drugiej po określonych płaszczyznach krystalograficznych zwanych płaszczyznami poślizgu, dzięki ruchowi dyslokacji poruszających się w tych płaszczyznach sieciowych wzdłuż określonych kierunków. Po przemieszczeniu się tych części kryształu względem siebie ich budową krystaliczna nie ulega zmianie.

Płaszczyzny poślizgu są zwykle płaszczyznami najgęściej upakowanymi atomami. Kombinacja kierunku poślizgu i płaszczyzny poślizgu zawierająca ten kierunek jest systemem poślizgu. W zależności od typu sieci krystalograficznej systemów tych w jednym układzie może być wiele (rys. 3).

W przemieszczeniu się obu części kryształu względem siebie nie biorą jednocześnie udziału wszystkie atomy leżące w płaszczyźnie poślizgu, lecz tylko ich część. Dlatego siły potrzebne do wywołania odkształcenia w metalach są względnie małe. Zawdzięcza się to ruchowi dyslokacji, jak wyżej napisano, które istnieją w rzeczywistych kryształach i generują się pod wpływem sił zewnętrznych (źródło Frank'a-Read'a). Mechanizm poślizgu w sposób uproszczony przedstawia rysunek 4.

W pierwszej fazie pod wpływem siły F następuje odkształcenie sprężyste sieci (rys. 4a). Przy dalszym wzroście siły przemieszczenie rzędów atomów (płaszczyzn krystalograficznych-pionowych) powyżej płaszczyzn poślizgu A-A jest tak duże (zakładając ściśliwość sieci), że naprzeciwko kilku rzędów atomów dolnej części kryształu, znajdzie się o jeden rząd atomów więcej w górnej części kryształu. Utworzy się w ten sposób dodatkowa półpłaszczyzna ( rys.4b ), powodująca liniowy defekt struktury krystalicznej. Innymi słowy powstanie dyslokacja liniowa dodatnia. Powoduje ona stan zakłócenia w ułożeniu sąsiednich atomów. Niewielka już siła spowoduje, że dyslokacja zacznie przemieszczać się w płaszczyźnie A-A (rys. 4c). W końcowej fazie tego ruchu dyslokacja zaniknie wychodząc z kryształu a górna część kryształu przemieszczona zostanie względem dolnej o parametr sieciowy (rys. 4d). Po wielokrotnych takich przemieszczeniach na powierzchni kryształu utworzą się, widoczne gołym okiem, linie zwane pasmami poślizgu.

Metale powszechnie stosowane mają budowę polikrystaliczną, w których ziarna pod względem kąta krystalograficznego są różnie zorientowane w przestrzeni. Obroty ich sieci krystalicznej, wywołane poślizgiem mogą spowodować to, że większość ziarn uzyska wspólną orientację. Taki układ ziarn nazywa się teksturą odkształcenia, której konsekwencją jest anizotropia właściwości mechanicznych i innych fizycznych.

Duże odkształcenia powodują wydłużanie ziarn co prowadzi do utworzenia się budowy włóknistej typowej dla prętów, blach i drutów.

Bliźniakowanie

Drugim mechanizmem odkształcenia plastycznego jest bliźniakowanie mechaniczne. Bliźniakowanie to, w znacznym uproszczeniu, polega na obrocie sieci krystalograficznej jednej części kryształu o pewien kąt względem drugiej w taki sposób, że obie części uzyskają położenie symetryczne (lustrzane odbicie, rys. 6a, b). Płaszczyzna oddzielająca te części -zbliźniaczoną i macierzystą nazywa się płaszczyzną zbliźniaczenia i jest jednocześnie koherentną granicą. Taki mechanizm odkształcenia uruchamiany jest siłami zewnętrznymi. W stopach o znaczeniu technicznym często obserwuje się bliźniaki np. w mosiądzu jednofazowym. Niekiedy bliźniakowaniu w czasie odkształcenia towarzyszy charakterystyczny dźwięk (chrzęst) wydawany przez metal (np. cynk czy cynę).

Rys. 3. Systemy poślizgów w podstawowych typach sieci.

Rys.4. Schemat powstawania i przemieszczania się dyslokacji powodujących odkształcenie trwałe materiału

W mikrostrukturze materiałów polikrystalicznych obserwuje się je w odkształconych ziarnach, gdzie przebiegają zgodnie z kierunkiem płaszczyzn poślizgu (rys. 5).

Rys. 5. Pasma poślizgu: a - w stopie Fe+10%Al., b - w mosiądzu M70

Rys. 6. Schemat tworzenia się kryształu bliźniaczego: a - kryształ nieodkształcony, b - kryształ bliźniaczy po odkształceniu

2.2. UMOCNIENIE METALU

Wspomnianą wcześniej cechą odkształconego metalu jest umocnienie. Praktycznie ujawnia się to wzrostem oporu metalu przy dalszym odkształceniu. Znaczy to, że pragnąc dalej je realizować należy zwiększyć naprężenia powodujące to odkształcenie. Stosunek przyrostu naprężeń odkształcających do przyrostu odkształcenia nazwano współczynnikiem umocnienia:

gdzie: σ - naprężenie, ε - odkształcenie.

Stan umocnienia metalu osiąga się w temperaturach niższych od temperatury określonej zależnością podaną przez Boczwara:

gdzie: T_rek - oznacza temperaturę nazwaną temperaturą rekrystalizacji (w K),

T_top - temperatura topnienia określonego metalu,

a - współczynnik, którego wartości wynoszą:

0,1 - 0,2 dla materiałów czystych,

0,4 - 0,5 dla materiałów o czystości technicznej

0,7 - 0,8 dla stopów jednofazowych

Odkształcenie przeprowadzone powyżej T_rek nie powoduje umocnienia metalu i w technicznym znaczeniu nosi nazwę obróbki plastycznej na gorąco.

W przeciwieństwie do niej odkształcenie poniżej T_rek nazywa się obróbką plastyczną na zimno. Umocnienie wywołane jest zmianami mikrostruktury i stanem naprężeń pod wpływem odkształcenia. Całokształt tych zmian nazywa się zgniotem. W procesie odkształcenia wzrasta w materiale gęstość defektów struktury krystalicznej a głównie dyslokacji. Pod wpływem naprężeń następuje ich generacja. Gęstość ich zwiększa się z przeciętnej ilości 106-108 linii/cm² do 1011-1012 linii/cm² w metalu silnie odkształconym. Dyslokacje, którym istnieniu zawdzięcza się realizację mechanizmu poślizgu, przy wzrastającej gęstości zaczynają sobie nawzajem przeszkadzać, a szczególnie ma to miejsce, gdy w procesie odkształcania uruchomionych jest jednocześnie kilka systemów poślizgu, nie leżących w jednej płaszczyźnie. To wywołuje nierównomierny rozkład dyslokacji. Przy dużych odkształceniach prowadzi to do tworzenia się struktury komórkowej, w której wolne od dyslokacji niewielkie objętości metalu oddzielone są ściankami splątanych dyslokacji. W strukturze takiej swobodne drogi ruchu dyslokacji są już niewielkie i materiał osiąga dość szybko wzrost umocnienia.

W metalach-stopach rzeczywistych, polikrystalicznych przeszkodami dla ruchu dyslokacji są nie tylko same dyslokacje (przy dużej ich gęstości), ale także granice ziarn, na których zachodzi spiętrzanie się i kotwiczenie dyslokacji.

Stąd im drobniejsze jest ziarno w metalu, tym większa jest skuteczność zaporowego działania granicy przeciwko ruchowi dyslokacji i wyższe uzyskuje się wskaźniki wytrzymałościowe (Rm, Re, H). Przeszkodami są także atomy składników stopowych zajmujące miejsca węzłowe i międzywęzłowe w sieci, twarde o dużej dyspersji fazy (np. węgliki) i przypadkowe cząstki znajdujące się w mikrostrukturze. Dla przykładu blokowanie ruchu dyslokacji atomami międzywęzłowymi w stopach żelaza (C, N) wyjaśnić może mechanizm Cottrell'a. Istota jego polega na tym, że atomy np. węgla (ew. N) gromadzą się wokół linii dyslokacji dla zmniejszenia występujących w tych miejscach naprężeń rozciągających, tworząc tzw. atmosfery Cottrell'a. Wywołanie ruchu dyslokacji z takiego obszaru, gdzie utworzyły się te atmosfery wymaga większego naprężenia stycznego.

Zmianom mikrostruktury spowodowanym odkształceniem towarzyszy pojawienie się naprężeń własnych, które z uwagi na zasięg i przyczynę powstania podzielić można na trzy rodzaje:

l. Submikroskopowe, pierwszego rodzaju, tworzące się wewnątrz ziarna w wyniku odkształcenia sieci, w pobliżu granicy, obcych atomów i cząstek,

2. Mikroskopowe, drugiego rodzaju, powstała między sąsiadującymi ziarnami, wywołane odkształceniami sieci, wydłużeniem i obrotem ziarn,

3. Makroskopowe, trzeciego rodzaju - między warstwami metalu spowodowane nierównomiernym odkształceniem sieci, wydłużeniem i obrotem ziarn,

Umocniony materiał posiada wyższy zasób energii swobodnej. Jest w stanie metastabilnym, ale dość trwałym w pewnych zakresach temperatur związanych z rodzajem materiału. Energia zużyta na odkształcenie rozdysponowana została na ciepło, którego wydzielanie towarzyszy odkształceniu i wytworzeniu oraz przemieszczeniu defektów struktury krystalicznej. Różnica energii wydatkowanej W i wydzielonego ciepła Q pozostaje w materiale w jego defektach i nosi nazwę energii zmagazynowanej:

Ez=W-Q

Wartość jej zależy od stopnia odkształcenia, wielkości ziarna i czystości metalu. Przy dużych odkształceniach wartości energii zmagazynowanej wynosi ok. 10% energii wydatkowanej w czasie odkształcenia.

3. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA

Przywrócenie materiałowi właściwości plastycznych, całkowite lub częściowe, takich jakie posiadał przed odkształceniem, a tym samym obniżenie właściwości wytrzymałościowych i naprężeń własnych, które uzyskał dzięki umocnieniu, przebiega w wyniku procesów aktywowanych cieplnie. Metal odkształcony w temperaturze niższej od T_rek uzyskał stan metastabilny. Powrót jego do równowagi następuje dzięki dostarczeniu ciepła (praktycznie przetrzymywania w podwyższonych temperaturach) i wydzielaniu energii zmagazynowanej. W tym czasie w metalu zachodzą procesy zmieniające jego mikrostrukturę, które nazywa się zdrowieniem i rekrystalizacją

Ze względu na technikę wytwarzania przy zastosowaniu obróbki plastycznej, odzyskanie właściwości plastycznych przez metal ma podstawowe znaczenie np. przy produkcji drutów, taśm, folii czy blach. Nie można bowiem stosować bardzo dużych jednorazowych odkształceń w temperaturach niższych od T_rek nawet do metali wyżarzonych charakteryzujących się dużą plastycznością, gdyż wskutek bardzo dużego umocnienia i utraty plastyczności może wystąpić pękanie materiału. Chcąc jednak odzyskać właściwości plastyczne w celu dalszego odkształcenia, należy poddać materiał wygrzewaniu w temperaturze wyższej od T_rek. Obróbka taka nosi nazwę wyżarzania międzyoperacyjnego.

3.1. Zdrowienie

Zdrowienie jest pierwszym stadium powrotu materiału do stanu równowagi. Obejmuje ono procesy zachodzące w odkształconym na zimno metalu, poddanym następnie wygrzewaniu w niezbyt wysokich temperaturach. Istotą procesu zdrowienia jest obniżanie ilości defektów punktowych, zmniejszeniu gęstości dyslokacji i przegrupowanie dyslokacji w konfigurację o niższej energii bez ruchu szeroko kątowych granic ziarn. Proces ten powoduje wydzielenie się części energii zmagazynowanej i obniżenie właściwości wytrzymałościowych i fizycznych metalu oraz naprężeń własnych (rys. 7). Rozpoczyna się on od aktywowanej cieplnie migracji defektów punktowych (atomów międzywęzłowych i wakansów), których stężenie znacznie się obniża. Ułatwia to przemieszczanie się dyslokacji i prowadzi do ich anihilacji, to jest zaniku dyslokacji o przeciwnych znakach oraz do ich przegrupowania. Przegrupowanie rozpoczyna się w miejscach o największej koncentracji dyslokacji (są to miejsca najbardziej odkształcone).

Rys. 7. Wydzielanie energii zmagazynowanej w zależności od temperatury w miedzi technicznej po odkształceniu 33%. Zmiany: ΔEz - energii, HV - twardości, ΔR - oporności elektrycznej (3).

Jedną z prostych form takiego przegrupowania jest poligonizacja. Polega ona na tym, ze utworzone jednoimienne dyslokacje w jednej płaszczyźnie poślizgu, przemieszczając się tworzą ścianki prostopadłe do tej płaszczyzny (rys. 8a).

Rys. 8. Przegrupowanie dyslokacji podczas zdrowienia: a - tworzenie ścianek poligonalnych, b - łączenie się ścianek, c - zanik ścianek przez wspinanie się dyslokacji, 1 - 3 kolejne stadia (3).

Utworzenie ścianek poligonalnych doprowadza do powstania struktury mozaikowej (bloczkowej), w której ścianki stają się granicami wąsko kątowymi, oddzielającymi obszary materiału praktycznie wolne od dyslokacji. Obszary te nazwano subziarnami (a strukturę złożoną z nich substrukturą). Ścianki poligonalne łączą się stopniowo w stabilne szeregi (rys. 8b), bądź zanikają przez wspinanie się dyslokacji (rys. 8c). W efekcie tych przegrupowań następuje rozrastanie się subziarn w uprzywilejowanych kierunkach krystalograficznych czemu sprzyja wyższa temperatura zdrowienia i małe odkształcenie.

3.2. REKRYSTALIZACJA

Rekrystalizacją nazywa się zespół procesów związanych z ruchem szeroko kątowych granic ziarn, wzrostem ziarn i zmianą ich orientacji, zachodzących w metalu uprzednio odkształconym na zimno a następnie wygrzewanym w odpowiedniej temperaturze. Z uwagi na pewne cechy zmian mikrostruktury zachodzące podczas rekrystalizacji podzielono ją na: rekrystalizację pierwotną, rozrost ziarn i rekrystalizację wtórną.

Rekrystalizacja pierwotna

Po okresie zdrowienia zwykle w materiale pozostaje jeszcze część energii zmagazynowanej, stanowiącej nadmiar energii swobodnej związanej z defektami struktury krystalicznej. Będzie ona stanowiła siłę napędową uruchamiającą proces rekrystalizacji. Pod wpływem dostarczonej z zewnątrz energii cieplnej ( stąd konieczność wygrzewania metalu) możliwe jest dyfuzyjne przemieszczenie się atomów co sprzyja zmianom w strukturze dyslokacyjnej, migracji granic ziarn itp.

Po okresie zdrowienia w materiale istnieją subziarna (bloczki, mozaiki) utworzone w wyniku przegrupowania (poligonizacji) i zaniku częściowemu dyslokacji. Upraszczając bardzo tę część mechanizmu procesu rekrystalizacji można przyjąć, że te subziarna które uzyskają granice szeroko kątowe stają się zarodkami rekrystalizacji.

Jedna z hipotez tworzenia się granicy szeroko kątowej (koniecznej aby subziarno stało się zarodkiem), przedstawia się następująco: powstałe w wyniku poligonizacji subziarna mogą się zrastać i łączyć granice wąsko kątowe. Nowo powstałe w ten sposób granice tworzą coraz częściej rozmieszczone dyslokacje co prowadzi do zwiększenia kąta dezorientacji i przejścia w granicę szeroko kątową skłonną do ruchu.

Zarodki rosną tworząc nowe ziarna, orientacja których jest niezależna od otaczającej je osnowy. Wzrost odbywa się w wyniku przemieszczania się atomów z odkształconej osnowy do ziarn nowo utworzonych przez granicę, która zaczyna się przemieszczać. Ruch jej powoduje w znacznym stopniu likwidację napotkanych defektów punktowych i liniowych struktury krystalicznej.

Na przebieg i wyniki rekrystalizacji wpływa szereg czynników. Do najważniejszych należy stopień odkształcenia plastycznego na zimno. Im on jest większy tym więcej powstaje zarodków krystalizacji, a w materiale po rekrystalizacji uzyskuje się drobne ziarno (rys. 9).

Rys. 9. Zależność wielkości ziarna po rekrystalizacji od stopnia odkształcenia na zimno

Natomiast po małych stopniach odkształcenia w czasie rekrystalizacji tworzy się mała ilość zarodków. Wtedy ziarno w materiale uzyskuje się bardzo duże, niepożądane w materiałach konstrukcyjnych. W szczególności w przypadku wielostopniowego odkształcenia (np. głębokiego tłoczenia), kiedy konieczne są międzyoperacyjne wyżarzania rekrystalizujące dla przywrócenia zdolności do odkształcenia plastycznego, grube ziarno w miejscach, w których wystąpił krytyczny stopień odkształcenia, mogą wystąpić pęknięcia w czasie następnego etapu odkształcenia. Mały stopień odkształcenia, po którym w wyniku rekrystalizacji otrzymuje się bardzo duże ziarno nazywa się odkształceniem krytycznym. Wartość tego odkształcenia dla wielu metali zawiera się w granicach 1%-10%, np. dla żelaza o czystości technicznej wynosi 4,5% a dla aluminium 4%.

Drugim ważnym czynnikiem decydującym o przebiegu rekrystalizacji jest temperatura. Zależność między odkształceniem a temperaturą rekrystalizacji jest następująca: im większy stopień odkształcenia układ bardziej odchylony od równowagi) tym niższa jest temperatura rekrystalizacji (potrzebny mniejszy bodziec do sprowadzenia układu do równowagi) (rys. 10). Przedłużenie czasu wygrzewania obniża temperaturę rekrystalizacji. Jak wynika z rysunku 10 od pewnej wartości odkształcenia (ok. 50%) nie następuje obniżenie temperatury rekrystalizacji.

Boczwar stwierdził, ze jest ona proporcjonalna do temperatury topnienia, przy czym współczynnik proporcjonalności zależy od czystości metalu. Im metal jest czysty tym mniejsza jest wartość współczynnika a (wcześniej podano wzór Boczwara).

Rys. 10. Schemat zależności temperatury początku rekrystalizacji od stopnia odkształcenia na zimno.

Wyjaśnić to można tym, ze atomy pierwiastków stopowych i zanieczyszczenia utrudniają ruch granicy. Zależność temperatury rekrystalizacji od wielu czynników, z których najważniejsze wymieniono, oznacza, że nie jest ona stałą materiałową, a pojęciem umownym. Praktycznie za temperaturę rekrystalizacji przyjmuje się taką temperaturę, w której materiał odzyska właściwości takie jakie miał przed odkształceniem w ciągu jednej godziny.

Skutki doboru T_rek poprzedzonej odkształceniem plastycznym na zimno, przedstawia się często w postaci wykresów przestrzennych (rys. 11).

Rys. 11. Wykres przestrzenny rekrystalizacji aluminium o czystości 98,5% Al.

Jak wcześniej napisano odkształcenie przeprowadzone powyżej temperatury rekrystalizacji określa się jako obróbkę plastyczną na gorąco. Cechą charakterystyczna odkształcenia w takich temperaturach jest to, że nie uzyskuje się efektu umocnienia materiału. Bowiem odkształcaniu towarzyszą jednocześnie procesy zdrowienia i rekrystalizacji nazywane zdrowieniem dynamicznym i rekrystalizacją dynamiczną.

Praktyczną, szeroko wykorzystywaną zaletą takiego sposobu odkształcenia jest uzyskiwanie jednorazowo bardzo dużych odkształceń, ponieważ w tych temperaturach opór plastyczny jest mniejszy, a jednocześnie ma wartość stałą (brak umocnienia).

Rozrost ziarna (rekrystalizacja równomierna)

Istotą tego procesu jest wzrost średniej wielkości ziarna (rys. 12) w uprzednio całkowicie zrekrystalizowanej osnowie w taki sposób, że ziarna większe rosną kosztem ziarn mniejszych. Siłą napędową rozrostu ziarna jest dążność metalu do osiągnięcia niższej energii swobodnej, co zrealizowane zostaje przez skrócenie i wyprostowanie granic ziarn (zmniejszenie w ten sposób energii powierzchniowej granic ziarn).

Rys. 12. Wpływ temperatury na wielkość ziarna: a - schemat wzrostu ziarna w zależności od temperatury wygrzewania, b - ziarno mosiądzu M70 po rekrystalizacji pierwotnej; c - ziarno mosiądzu M70 w fazie rozrostu

Rekrystalizacja wtórna

Polega na selektywnym rozroście niektórych ziarn w wysokich temperaturach. Proces ten następuje po rekrystalizacji pierwotnej. Skutkiem rekrystalizacji wtórnej jest utworzenie się struktury o bardzo zróżnicowanej wielkości ziarna. Zmiany zachodzące w mikrostrukturze i właściwościach mechanicznych odkształconego na zimno metalu i następnie wygrzewanego w różnych temperaturach, schematycznie pokazano na rys. 13. Ogólny przebieg tych zmian jest taki, że wraz ze wzrostem temperatury obniżają się właściwości wytrzymałościowe a plastyczne rosną. Praktycznie można więc dobierając odpowiednie warunki odkształcenia i następnie wygrzewania kształtować mikrostruktury metalu i uzyskiwać wymagane właściwości mechaniczne.

Rys. 13. Schemat zmian mikrostruktury i właściwości mechanicznych odkształconego metalu, w zależności od temperatury wygrzewania.

Rekrystalizacja jest również pożądana dla uzyskania lepszego przewodnictwa elektrycznego tam gdzie ma ono istotne znaczenie: w stanie zrekrystalizowanym droga elektronów między jonami atomów jest mniej zakłócona niż w przypadku sieci odkształconej w wyniku obróbki plastycznej na zimno (rys. 14).

Rys 14. Zależność temperaturowa oporu właściwego od zawartości domieszek, oraz odkształcenia na zimno. (5)

4. PYTANIA KONTROLNE

l. Podać definicję dyslokacji.

2. Krótko wyjaśnić mechanizm odkształcenia plastycznego.

3. Co to jest energia zmagazynowana Ez ?

4. Co to jest tekstura obróbki plastycznej ?

5. Dlaczego ze wzrostem odkształcenia na zimno wzrasta stopień umocnienia materiału ?

6. Od czego zależy stopień umocnienia materiału ?

7. N a czym polega proces zdrowienia ?

8. Jakie zmiany zachodzą w strukturze materiału podczas zdrowienia ?

9. Krótko omówić zmiany zachodzące w mikrostrukturze materiału podczas rekrystalizacji pierwotnej.

10. Wyjaśnić pojęcie: temperatura rekrystalizacji.

11. Co jest siłą napędową rozrostu ziarna ?

12. Dlaczego w podwyższonych temperaturach ziarno ulega rozrostowi ?

13. Jakie czynniki wpływają na wartość temperatury rekrystalizacji ?

14. Obliczyć temperaturę rekrystalizacji Cu ( T_top 1083°C) posługując się zależnością Boczwara: T_rek= aT_top zakładając wartość współczynnika a=0,4.

15. Co znaczą pojęcia: obróbka plastyczna na zimno i obróbka plastyczna na gorąco ?

16. Co to jest odkształcenie krytyczne ?

17. Dlaczego przy odkształceniu krytycznym wielkość ziarna jest duża ?

18. Czy z ołowiu można wykonać sprężynę (temp. topnienia ołowiu wynosi 327°C) ?

19. jakimi sposobami można spowodować wzrost R_m i R_O2 (lub R_e) w miedzi i aluminium ?

20. Podać przykłady w jakich wyrobach (elementach) umacniamy materiał korzystające z obróbki plastycznej na zimno.

21. W jakich przypadkach konieczne jest przeprowadzenie rekrystalizacji materiału >

5. LEKTURA

1. K. Wesołowski - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna” Wyd. WNT 1972 Warszawa

2. R. Haimann - „Metaloznawstwo” Wyd Politechnika Wrocławska 1974

3. St. Prowans - „Struktura stopów” Wyd. PWN 1991 Warszawa

4. L. Dobrzański - „Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali” Wyd. Politechnika Śląska, Gliwice 1995

5. K. Przybyłowicz - „Metaloznawstwo” WNT Warszawa 1996

---