MATERIAŁY KONSTRUKCYJNE W BUDOWIE MASZYN

Ćwiczenie laboratoryjne nr 5

L5

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

Opracował: mgr inż. Wojciech Polkowski

5.1. Wstęp teoretyczny

5.1.1. Zgniot

Skutkiem odkształcenia plastycznego jest zaburzenie sieci krystalicznej - atomy zostają wytrącone ze swoich położeń równowagi, a także następuje wzrost energii wewnętrznej materiału w postaci zwiększonej gęstości defektów sieciowych (liniowych i punktowych). Ilość zmagazynowanej energii zależy od właściwości odkształcanego metalu (czystość, energia błędu ułożenia EBU), a także warunków w jakich przeprowadzona jest obróbka (temperatura, szybkość oraz stopień odkształcenia). Im niższa jest EBU i temperatura procesu, a większa szybkość i stopień odkształcania, tym większa ilość energii zostaje zgromadzona w materiale (zazwyczaj ok. 10% całkowitej energii zużytej na odkształcenie)

Samo odkształcenie jak również powstałe zmiany strukturalne nazywamy zgniotem.

Wartość zgniotu, wyrażoną jako względne odkształcenie trwałe, można wyznaczyć poprzez:

• procentową zmianę długości próbki (rozciąganie lub ściskanie):

- początkowa długość próbki

- zmiana długości próbki

• procentową zmianę przekroju próbki (walcowanie, przeciąganie)

- początkowy przekrój próbki

- zmiana przekroju próbki

Zmiany właściwości jakie zachodzą w materiale pod wpływem odkształcenia związane są z generacją i wzajemnym oddziaływaniem defektów sieciowych. Na właściwości fizyczne silniej wpływa wzrost koncentracji błędów punktowych (zwiększenie rezystancji elektrycznej czy pętli histerezy magnetycznej), natomiast właściwości mechaniczne ulegają zmianie w wyniku zwiększenia ilości defektów liniowych - dyslokacji.

Podatność materiału od odkształcenia plastycznego jest więc silnie uwarunkowana gęstością dyslokacji ς [m^-2] (rys.5.1.). Najłatwiej odkształcają się metale w stanie wyżarzonym, gdy ς wynosi ok. 10¹⁰÷10¹² m^-2. Wzrost gęstości dyslokacji (o 4÷5 rzędów wielkości) w wyniku odkształcenia plastycznego, powoduje umocnienie materiału, gdyż maleją odległości pomiędzy dyslokacjami, a tym samym rosną siły ich wzajemnego oddziaływania. Na skutek zmniejszenia odległości, dyslokacje blokują się wzajemnie, a do ich dalszego ruchu (dalszego odkształcania materiału) potrzebne jest przyłożenie większego naprężenia zewnętrznego - zjawisko to nazywane jest umocnieniem odkształceniowym. Materiał w stanie odkształconym cechuje więc wzrost właściwości wytrzymałościowych (twardość, granica plastyczności) z jednoczesnym obniżeniem własności plastycznych (wydłużenie, przewężenie) (rys. 5.2.)

Rys. 5.2. Zmiana właściwości mechanicznych mosiądzu (35% Zn) w funkcji stopnia odkształcenia plastycznego

Efektem odkształcenia plastycznego jest stopniowe wyciagnięcie się ziaren materiału w kierunku maksymalnego wydłużenia próbki. Przyjęcie pewnej określonej, uprzywilejowanej orientacji ziaren w wyniku obróbki plastycznej nazywane jest teksturą odkształcenia i skutkuje wytworzeniem w materiale anizotropii właściwości (tzn. różnych właściwości w różnych kierunkach). W przypadku procesów obróbki plastycznej anizotropia jest zjawiskiem niepożądanym gdyż wiąże się z niejednorodnością odkształcenia, czasami jednak wytwarzana jest celowo np. aby poprawić właściwości magnetyczne blach transformatorowych.

5.1.2. Przemiany wywołane nagrzewaniem po zgniocie

Atomy w odkształconej sieci krystalicznej znajdują się w stanie metastabilnym, o podwyższonej energii swobodnej . Stan ten jest trwały tylko wtedy gdy panujące warunki nie umożliwiają aktywacji procesów dyfuzyjnych. Dostarczanie energii do materiału (w postaci ciepła) umożliwia powrót atomów do ich położeń równowagi, w których energia swobodna jest minimalna. W wyniku tego zanikają powstałe wcześniej defekty struktury, a także wydziela się zmagazynowana energia odkształcenia. Wraz z odbudową struktury przywrócone zostają również właściwości jakie materiał posiadał przed odkształceniem. Omawiane przemiany przebiegają w trzech kolejnych etapach:

• zdrowienie

• rekrystalizacja

• rozrost ziarna

5.1.2.1. Zdrowienie

Zdrowienie jest najniżej temperaturowym procesem odbudowy struktury. Polega na częściowym uporządkowaniu oraz zanikaniu defektów punktowych i liniowych. Zmiany te mają charakter substrukturalny (tzn. zachodzą „wewnątrz” ziarna) i nie są widoczne pod mikroskopem świetlnym (mogą natomiast być obserwowane za pomocą elektronowej mikroskopii transmisyjnej TEM lub aparatury dyfrakcyjnej - wyostrzenie pików).

Procesy występujące na etapie zdrowienia polegają głównie na rekombinacji i dyfuzji defektów punktowych oraz na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o niższej energii swobodnej. Obniżenie energii osiągane jest poprzez ruch dyslokacji (poślizg i wspinanie się), w czasie którego defekty o przeciwnych znakach znoszą się wzajemnie (ulegają anihilacji) oraz tworzą granice podziaren. Proces, w którym dyslokacje krawędziowe wspinając się przyjmują konfigurację granic niskokątowych dzielących pojedyncze ziarno na podziarna nazywamy poligonizacją (rys.5.3).

Rys. 5.3. Schematyczne przedstawienie procesu poligonizacji

Kolejnym krokiem do obniżenia energii podczas zdrowienia jest proces koalescencji czyli zrastania się podziaren i ziaren o małym kącie dezorientacji (rys. 5.4).

Rys. 5.4.Możliwy zrost ziaren podczas zdrowienia

Zanik defektów punktowych oraz zmiana układu dyslokacji powoduje częściowe wydzielenie energii odkształcenia (mniejsze jednak niż w przypadku rekrystalizacji), a tym samym częściowa relaksacje naprężeń oraz przywrócenie niektórych właściwości fizycznych np. przewodności elektrycznej.

5.1.2.2. Rekrystalizacja (pierwotna)

Proces rekrystalizacji zawdzięcza swoja nazwę analogii do krystalizacji z fazy ciekłej, gdyż polega na zarodkowaniu nowych, nieodkształconych ziaren, a następnie ich rozroście aż do wypełnienia całej objętości. Zastąpienie silnie zdefektowanych ziaren skutkuje przywróceniem właściwości jakie materiał posiadał przed zgniotem (rys. 5.5).

Rys. 5.2. Zmiana właściwości mechanicznych odkształconego na zimno mosiądzu (35% Zn) w funkcji temperatury wygrzewania

Rekrystalizacja rozpoczyna się w temperaturze zwanej temperaturą rekrystalizacji T_r (wyższej niż zdrowienie) a jej wartość nie jest stałą cechą materiału lecz zależy od wielu czynników, głównie od czystości materiału, zmagazynowanej energii odkształcenia oraz warunków wygrzewania.

Znając czystość materiału można wyznaczyć z pewnym przybliżeniem jego T_r, wykorzystując empiryczną zależność Boczwara:

- temperatura topnienia [K]

Gdzie
jest współczynnikiem określającym czystość materiału i wynosi:

• dla czystych metali 0,4; (dla bardzo czystych nawet 0,1÷0,2)

• dla stopów o strukturze roztworu stałego 0,6

• dla stopów wielofazowych 0,8

Doświadczalnie stwierdzono także że temperatura rekrystalizacji T_r jest tym niższa im:

• większy zgniot

• większa szybkość odkształcenia

• mniejsze ziarno wyjściowe

• mniejsza szybkość nagrzewania po zgniocie

Ze względu na niejednoznaczność wartości temperatury rekrystalizacji, w praktyce przemysłowej wprowadzono pojęcie progowej temperatury rekrystalizacji, która jest najniższą temperaturą rekrystalizacji przy dużych odkształceniach (60÷70%) i czasie wygrzewania 1÷2 godziny. Temperatura rekrystalizacji jest ważnym parametrem technologicznym, gdyż oddziela obróbkę plastyczną na zimno (poniżej T_r) od obróbki plastycznej na gorąco (powyżej T_r).

Przebieg rekrystalizacji warunkowany jest szybkością tworzenia zarodków nowych ziaren
oraz szybkością ich wzrostu
.

• Jeżeli
  >
  to w wyniku rekrystalizacji powstanie drobne ziarno

• Jeżeli
  <
  to w wyniku rekrystalizacji powstanie duże ziarno

Zarodki nowych ziaren powstają w miejscach o podwyższonej energii np. granicach ziaren czy skupiskach dyslokacji. Energia potrzebna do zarodkowania jest wyższa niż do wzrostu ziarna. Dlatego też, przy stosunkowo niewielkich zgniotach, skutkiem dalszego wygrzewania może być zamiast tworzenia nowych ziaren, rozrost ziaren pierwotnych, co skutkuje otrzymaniem struktury gruboziarnistej. Efekt ten zwany zgniotem krytycznym Z_k jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż odbija się niekorzystnie na właściwościach mechanicznych i technologicznych materiału. Dla większości metali wartość zgniotu krytycznego zawiera się w przedziale 1÷10%.

Rys.5.6. Zjawisko zgniotu krytycznego

5.1.2.3. Rozrost ziarna

Wygrzewanie materiału, już po zakończeniu rekrystalizacji, prowadzi do stopniowego rozrostu nowopowstałych ziaren. Efekt ten jest konsekwencją dążenia materiału do dalszego obniżania energii swobodnej poprzez eliminowanie nieuporządkowanych elementów struktury jakimi są granice ziaren.

Rozrostowi ziarna często towarzyszy zjawisko rekrystalizacji wtórnej, które polega na przyśpieszonym (anomalnym) wzroście niektórych ziaren kosztem otaczających je sąsiadów. Rekrystalizacja wtórna jest zjawiskiem niepożądanym, gdyż wytworzoną w jej wyniku strukturę cechuje silne zróżnicowanie wielkości ziarna, co z kolei powoduje dodatkowe naprężenia wewnątrz materiału na granicy osnowy i nadmiernie rozrośniętych ziaren.

5.1.3. Praktyczne znaczenie rekrystalizacji

Znajomość zjawisk zachodzących podczas zgniotu i rekrystalizacji znajduje swoje praktyczne zastosowanie głównie w procesach kształtowania na drodze wielowariantowej obróbki plastycznej, półfabrykatów takich jak rury, blachy, druty itp. Ponieważ podczas odkształcenia plastycznego materiał umacnia się, tracąc jednocześnie właściwości plastyczne, często aby kontynuować jego obróbkę, konieczne jest zastosowanie wyżarzania rekrystalizującego zmiękczającego i uplastyczniającego metal.

Poprzez dobór warunków odkształcania i kontrolę rekrystalizacji można w szerokim zakresie sterować właściwościami mechanicznymi materiału (relacją wytrzymałość/plastyczność), co umożliwia uzyskiwanie elementów wykonanych z tego samego metalu (bądź stopu) w różnym stanie umocnienia.

Z drugiej strony, w związku z katastroficznymi skutkami nadmiernego rozrostu ziarna, projektowanie materiałowe należy prowadzić tak ,aby element wykonany z danego materiału pracował poniżej jego temperatury rekrystalizacji. Unikać należy także zgniotów krytycznych, które często mogą wystąpić przy niejednorodnym odkształcaniu metalu (np. podczas tłoczenia).

5.2. Przebieg ćwiczenia

Ćwiczenie będzie polegało na zmierzeniu twardości próbek po dużym zgniocie, a także próbek po wygrzewaniu i porównaniu wyników z materiałem w stanie wyjściowym. Dodatkowo, korzystając z Polskiej Normy zmierzona zostanie wielkość ziarna w próbkach odkształconych i zrekrystalizowanych metodą porównawczą.

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów możliwe będzie wyznaczenie:

- temperatury rekrystalizacji ( oraz porównanie jej z wartościa teoretyczna wyznaczona na podstawie wzoru Boczwara)

Dodatkowo możliwe będzie wyznaczenie wpływu:

- wielkości zgniotu na twardość

- wielkości zgniotu na twardość po rekrystalizacji

- wielości zgniotu na wielkość ziarna po rekrystalizacji

- wielkości ziarna na twardość

1. Sprawdzenie obecności

2. Krótkie omówienie przebiegu ćwiczenia

3. Studenci piszą wejściówkę 10 minut. Potem zabieram ich na salę badań wytrzymałościowych.

4. Materiałem badawczym wykorzystanym w ćwiczeniu jest miedź. Dostarczam studentom zestaw próbek:

- próbkę w stanie pierwotnym (wyjściową)

- próbkę odkształconą „małym zgniotem”

- próbkę odkształconą „średnim zgniotem”

- próbkę odkształconą „dużym zgniotem”

5. Dzielę studentów na dwie podgrupy.

6. Obie podgrupy zostają poinstruowane w wykonywaniu pomiarów twardości na twardościomierzu Vickers/Brinell. Do badań dostają zestaw próbek:

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

Wykonują min. po 3 pomiary dla każdej próbki.

7. Następnie, studenci udają się do Sali z mikroskopami. Dostają zestaw zgładów metalograficznych:

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „mały zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „średni zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 200°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 300°C/30 minut

- próbkę „duży zgniot” po wygrzewaniu w temp 700°C/30 minut

Korzystając z Normy PN-84/H-04507/01, metoda porównawczą określają wielkość ziarna.

Tabela. Wszystkie próbki do badań

	Temperatura 0	Temperatura 200	Temperatura 450	Temperatura 600
Zgniot 10	Zgład + pomiar tw	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.
Zgniot 30	Zgład + pomiar tw	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.
Zgniot 60	Zgład + pomiar tw	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.	Zgład + pomiar tw.

+ próbka w stanie wyjściowym: Zgład + pomiar tw.

9. Po skończeniu zajęć zbieram studentów w Sali badań właściwości mechanicznych, sprawdzam stan osobowy, poczym wydaje instrukcje odnośnie sprawozdania.

Sprawozdanie przygotowują wspólnie w podgrupach. Sprawozdanie powinno zawierać:

a) Krótki wstęp teoretyczny - opisać zadane przez prowadzącego zagadnienie problematyczne:

b) Wyniki pomiarów (tabelki ze wszystkimi wynikami oraz policzoną średnią)

- twardość

-wielkość ziarna

c) Wykresy:

- Wpływ zgniotu na twardość

- Wpływ wielkości ziarna na twardość

- Wpływ temperatury na twardość

d) Wnioski.

Omówić wykresy. Dlaczego zgniot wpływa na twardość? Dlaczego twardość zmienia się z temperaturą? Czy obserwacje mikroskopowe i pomiary twardości potwierdzają temperaturę rekrystalizacji obliczona na podstawie zależności Boczwara? (policzyć)

Przykładowe pytania kontrolne:

1. Co nazywamy zgniotem? W jaki sposób wyznacza się stopień odkształcenia plastycznego?

2. Na czym polega zdrowienie?

3. Co to jest rekrystalizacja? Jak zmieniają się właściwości na skutek rekrystalizacji?

4. Opisz praktyczne znaczenie zgniotu i rekrystalizacji.

5. Jak zmieniają się właściwości na skutek odkształcenia plastycznego?

6. Co to jest temperatura rekrystalizacji? Jakie czynniki i w jaki sposób wpływają na jej wartość?

7. Co nazywamy zjawiskiem zgniotu krytycznego? Jakie są jego efekty?

8. Na czym polega zjawisko umocnienia odkształceniowego? (Z czego wynika?)

9. Co nazywamy zjawiskiem rekrystalizacji wtórnej? Jakie są jej efekty?

Literatura:

1. Zbigniew Bojar, Wojciech Przetakiewicz, Henryk Ziencik „Materiałoznawstwo Tom II”, WAT, Warszawa 1995

2. Karol Przybyłowicz „Strukturalne aspekty odkształcania metali”, WNT, Warszawa 2002

3. PN-84/H-04507/01 „Mikroskopowe metody określania wielkości ziarna”

podziarna

---