Sprawozdanie

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest ustalenie wpływu wielkości odkształcenia na wielkość ziarna

po rekrystalizacji.

2. Wykonanie ćwiczenia

1. Rekrystalizacja aluminium

Do wykonania ćwiczenia używa się 6 próbek aluminiowych o długości l=120[mm]. Na każdej z nich oznacza się początkową długość pomiarową l₀=50[mm]. Poszczególnym próbkom, oznaczonym numerami od 1 do 6, nadaje się wydłużenia: 2, 4, 7, 10, 15 i 20%. Odkształcone próbki umieszcza się w piecu o temperaturze ok. 500[°C] na okres 30[min]. Próbki po ostudzeniu w powietrzu trawi się odczynnikiem w celu ujawnienia makrostruktury.

Próbka 1 (2%) Próbka 2 (4%) Próbka 3 (7%)

Próbka 4 (10%) Próbka 5 (15%) Próbka 6 (20%)

Rysunek 1. Badane fragmenty próbek

Nr próbki
1	2	1	8	12,5
2	5	2	10,5	9,52
3	7	3,5	49,5	2,02
4	10	5	140	0,71
5	15	7,5	784	0,13
6	20	10	1849	0,05
Tabela 1. Obliczenia liczby ziarn i średnich średnic ziarn

Wykres 1. Wykres zależności średniej powierzchni ziarna od wielkości odkształcenia

2. Rekrystalizacja stali niskowęglowej

Do badań używa się 6 próbek o średnicy d=10[mm] i długości l=15[mm]. Próbki oznacza się numerami od 1 do 6. Próbkom od 1 do 6 nadaje się im odkształcenia 5, 10, 30, 30, 30%. Przy użyciu twardościomierza Rockwella mierzy się twardość wszystkich próbek.

	Wielkość odkształcenia
	0%	5%	10%	30%
Twardość HRB	62	70	70	89
		65	69	74	83
		65	71	72	87
		Wartości średnie
		64	70	72	86

Tabela 2. Twardość próbek po odkształceniu

Wykres 2. Wykres zależności twardości próbek od wielkości ich odkształcenia

Próbki o numerach 4, 5 i 6 umieszcza się w piecach o temperaturach

odpowiednio: 300, 500 i 650^oC. Dla każdej z próbek czas nagrzewania wynosi 1 godzina. Następnie próbki chłodzi się w powietrzu i dokonuje pomiaru twardości.

		Temperatura wygrzewania
Odkształc. 30%		300[^oC]	500[^oC]	650[^oC]
Twardość [HRB]	89	82	83	43
		83	88	84	53
		87	84	78	56
		Wartości średnie
		86	85	82	52

Tabela 3. Twardość próbek poddanych wygrzewaniu

Wykres 3. Wykres zależności twardości próbek od temperatury ich wygrzewania

Dyskusja wyników

• Wykres 1

Wraz ze wzrostem odkształcenia, średnia powierzchnia ziarna po rekrystalizacji maleje. Jest to spowodowane tym, że przy większych odkształceniach powstaje więcej pasm poślizgu, a także pasm ścinania. Miejsca pomiędzy ziarnami, pasmami poślizgu i pasmami ścinania są miejscami o podwyższonej energii i jednocześnie miejscami powstawania zarodków podczas rekrystalizacji.

Linia trendu pokazuje, że wykres przebiega logarytmicznie. Dla argumentów zbliżających się od góry do liczby 2% wartości gwałtownie rosną do nieskończoności. Oznacza to, że wielkość odkształcenia około 2% jest wielkością odkształcenia krytycznego.

• Wykres 2

Przy odkształcaniu próbek stali niskowęglowej do 30% wykres przebiega liniowo. Jest to spowodowane tym, że podczas zgniotu próbka ulega stopniowo utwardzeniu.

Wg Rockwella w strukturze wewnętrznej stali na skutek ruchu dyslokacji tworzą się bariery hamujące odkształcenia (tzw. umocnienie przez zgniot na zimno)

• Wykres 3

Próbka po odkształceniu 30% ma twardość większą niż próbka nieodkształcona. Gdy poddamy ją działaniu temperatury następuje tzw. proces zdrowienia czyli następuje zmniejszenie koncentracji defektów punktowych (wakancji i atomów w pozycjach międzywęzłowych) poprzez ich dyfuzję i anihilację. Powoduje to zmniejszenie naprężeń, a co za tym idzie również zmagazynowanej w materiale energii. W takim wypadku twardość materiału może nieznacznie spaść. Widać to na próbkach wygrzewanych w temp. 300^oC oraz 500^oC.

W próbce ostatniej nastąpiła wtórna rekrystalizacja, powstały nowe ziarna o dużej powierzchni przez co próbka ta zmniejszyła swoją twardość.

Wnioski

• Wskutek rozciągania aluminiowych próbek taśm oraz wygrzewania ich w temperaturze 500^oC wraz ze wzrostem odkształcenia liczba ziaren przypadająca na jednostkę powierzchni rośnie, a średnia powierzchnia ziarna maleje w sposób logarytmiczny.

• Dla aluminium wielkość odkształcenia krytycznego jest w przybliżeniu równa 2%

• Próbka wykonana ze stali niskowęglowej poddana zgniotowi zwiększa swoją twardość proporcjonalnie do procentowej wielkości odkształcenia

• Temperatura wpływa na twardość badanych próbek w następujący sposób:

• W temperaturze mniejszej od temperatury rekrystalizacji następuje proces zdrowienia, twardość próbki w niewielkim stopniu spada

• W temperaturze większej od temperatury rekrystalizacji następuje rekrystalizacja oraz może wystąpić (jak to było w przypadku ostatniej próbki) rozrost ziarn oraz rekrystalizacja wtórna powodując duży spadek twardości próbki

Dodatek

• Rola defektów liniowych w odkształceniu plastycznym

Aby przesunąć względem siebie dwie płaszczyzny krystaliczne potrzeba siły wyrażonej w [GPa] (rzędu 1·10⁹[Pa]). Dzięki dyslokacji wystarczy użyć siły wyrażonej w [MPa] (rzędu 1·10⁶[Pa]). Jest to możliwe dzięki temu, że linia dyslokacji leżąca w danej płaszczyźnie poślizgu oddziela obszar płaszczyzny, w którym nastąpiło przemieszczenie górnej części kryształu względem dolnej od obszaru, w którym to przemieszczenie jeszcze nie nastąpiło. Dyslokacja postępując przez całą płaszczyznę poślizgu powoduje ścięcie kryształu czyli odkształcenie plastyczne.

• Warunki niezbędne do zajścia rekrystalizacji

Istnieją dwa główne warunki, które są niezbędne do zajścia procesu rekrystalizacji. Jest to odpowiednia temperatura oraz odkształcenie krytyczne. Pierwszy warunek jest spełniony, gdy materiał osiągnie temperaturę minimalną, zwaną temperaturą rekrystalizacji T_R i umownie równą T_R=0.4·T_T gdzie T_T jest temperaturą topnienie danego materiału. W rzeczywistości wartość współczynnika przy T_T waha się od 0,2 (dla stali czystych) poprzez 0,3-0,4 (dla stali technicznych) oraz 0,4 - 0,6 (dla stopów), aż do 0,8 (dla materiałów złożonych). Odkształcenie plastyczne, któremu poddana jest próbka powoduje spadek minimalnej temperatury rekrystalizacji. Odkształcenie krytyczne, to minimalne odkształcenie, po którym możliwa jest rekrystalizacja.

• Przebieg rekrystalizacji pierwotnej

Rekrystalizacja następuje po pewnym czasie od włożeniu materiału do pieca. Na początku następuje powstawanie zarodków - małych obszarów o doskonałej strukturze krystalicznej. Zarodki powstają w miejscach podwyższonej energii wewnętrznej, czyli pomiędzy ziarnami odkształconymi, na granicach pasm poślizgu i pasm ścinania. Następnie zarodki rozrastają się kosztem odkształconej osnowy. Rekrystalizacja wstępna dobiega końca, gdy nowopowstałe ziarna zetkną się ze sobą i osnowa zostanie wyczerpana.

5 | Strona

Imię i nazwisko Łukasz Blacha	Grupa 3	WIMiIP II rok Informatyka Stosowana	Data 08 kwietnia 2008	Ocena
Temat 1. Odkształcenie plastyczne i rekrystalizacja tworzyw metalicznych

1 | Strona

---