Odkształcanie na zimno i wyżarzanie.pdf

Ćwiczenie 1

ODKSZTAŁCANIE NA ZIMNO I WYŻARZANIE

MATERIAŁÓW

Celem ćwiczenia jest:

- poznanie zjawisk wywołujących umocnienie materiałów,

- poznanie wpływu wyżarzania odkształconego na zimno materiału na jego

właściwości i podatność do obróbki plastycznej,

- ocena wpływy odkształcenia i temperatury na zmiany struktury materiału.

1. W PŁYW ODKSZTAŁCENIA NA WŁAŚCIWOŚCII STRUKTURĘ MATERIAŁU

Odkształcenie materiału zachodzi pod wpływem przyłożonego do niego obciąże-

nia. Rozróżnia się odkształcenie sprężyste , znikające po usunięciu obciążenia, oraz

odkształcenie plastyczne , pozostające po odciążeniu materiału. Między odkształce-

niem sprężystym a plastyczny istnieje zasadnicza różnica fizyczna.

Odkształcenie sprężyste wynika ze zmiany odległości między atomami sieci kry-

stalicznej pod działaniem siły zewnętrznej. Gdy przyczyna wywołująca odkształcenie

– obciążenie – przestaje działać, atomy wracają do poprzednio zajmowanych położeń

równowagi i efekt odkształcenia sprężystego zanika .

Odkształcenie plastyczne jest procesem odmiennym i o wiele bardziej złożonym.

Zachodzi ono w wyniku wzajemnego przemieszczania się warstw atomów. Atomy

zajmują nowe położenia, które są położeniami równowagi, przez to materiał zachowu-

je trwale nadany mu kształt. Wyróżnia się dwa główne mechanizmy odkształcenia

plastycznego: poślizg dyslokacyjny i bliźniakowanie . Duże odkształcenia plastycz-

ne, jakie są konieczne do realizowania procesów obróbki plastycznej, uzyskuje się

przede wszystkim przez poślizg, bliźniakowanie bowiem pozwala otrzymać znacznie

mniejsze odkształcenia.

Poślizg jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej

wzdłuż tzw. płaszczyzn poślizgu , bez zmiany budowy krystalicznej obu części krysz-

tału. Poślizgi zachodzące wzdłuż pojedynczych płaszczyzn skupiają się obok siebie,

tworząc pasma poślizgu , których grubość wynosi średnio około 100 parametrów sieci

(rys. 1). Przemieszczenie występuje lokalnie, prostopadle do krawędzi dyslokacji,

która przemieszcza się w płaszczyźnie poślizgu jak fala na morzu. Po przejściu dyslo-

kacji materiał jest przesunięty o jeden parametr sieci, dlatego nawet małe plastyczne

odkształcenie wymaga przemieszczenia dużej liczby dyslokacji. Na rysunkach 2 a i b

przedstawiono odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio

dyslokacji krawędziowej i śrubowej .

Rys. 1. Schemat rozmieszczenia linii i pasm poślizgu

Krawędź dyslokacji

Płaszczyzna pośli-

zgu

Płaszczyzna pośli-

zgu

Rys. 2. Odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio dyslokacji krawędziowej

(a) i śrubowej (b)

Poślizg nie zachodzi jednocześnie we wszystkich możliwych płaszczyznach i kie-

runkach poślizgu. Do procesu odkształcania włączają się kolejno te płaszczyzny i

kierunki poślizgu, które są najbardziej uprzywilejowane względem kierunku działania

sił zewnętrznych. Podczas odkształcania zwiększa się liczba aktywnych płaszczyzn

poślizgu oraz swobodnych dyslokacji, które są generowane w trakcie odkształcenia.

Dochodzi wówczas do krzyżowania się pasm poślizgu co powoduje wzajemne bloko-

wanie się dyslokacji. Dalsze odkształcanie plastyczne wymaga wówczas przyłożenia

większego naprężenia, w celu uruchomienia nowych dyslokacji lub ich wyrwania z

obszarów zablokowanych. Proces wzrostu naprężenia wraz z odkształceniem na-

zywa się umocnieniem odkształceniowym materiału.

Okazuje się więc, że naprężnie uplastyczniające σ p zależy od gęstości dyslokacji.

W przypadku małej gęstości, naprężenie uplastyczniające jest duże, ponieważ jest

mało płaszczyzn, w których zachodzi poślizg. Następnie naprężenie zmniejsza się

wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji, ale tylko do pewnej granicy. Osiągnąwszy mi-

nimalną wartość przy tzw. krytycznej gęstości dyslokacji ρ kr , jaką ma wyżarzony

materiał, naprężenie uplastyczniające ponownie zaczyna wzrastać wraz ze wzrostem

gęstości dyslokacji (rys. 3). Dążenie do uzyskanie dużej wytrzymałości poprzez

zmniejszenie gęstości dyslokacji jest technicznie bardzo trudne. Obecnie udało się

uzyskać jedynie kryształy o bardzo małej średnicy, które nie zawierają dyslokacji –

wiskersy – jednakże w momencie pojawienia się w nich dyslokacji następuje gwał-

towne ich rozmnożenie i spadek naprężenia.

σ p

ρ kr

Rys.3. Wpływ gęstości dyslokacji na naprężenie uplastyczniające

Wzrost naprężenia uplastyczniającego wraz ze zwiększeniem gęstości dyslokacji

jest spowodowane przede wszystkim wzajemnym oddziaływaniem dyslokacji oraz ich

blokowaniem na granicach ziaren, różnych wydzieleniach i wtrąceniach . Na ry-

sunku 4 przedstawiono kolejne zmiany podstruktury dyslokacyjnej metalu w trakcie

odkształcania. Podczas odkształcania następuje wzrost gęstości dyslokacji od wartości

ρ = 10 10 m −2 - materiał wyżarzony ( rys. 4a) -do wartości ρ = 10 15 –10 16 m −2 - materiał

bardzo silnie odkształcony ( rys. 4d).

Sploty dyslokacji utworzone przez zablokowanie

tworzących się dyslokacji

Rys. 4. Kolejne stadia zmiany podstruktury dyslokacyjnej podczas odkształcania na zimno

Podstruktura dyslokacyjna może być obserwowana na mikroskopie elektronowym

(rys. 5)

Sploty dyslokacji

Rys. 5. Podstruktura dyslokacyjna podczas odkształcania (mikroskop elektronowy)

Wzrost gęstości dyslokacji podczas odkształcania powoduje zwiększenie energii

wewnętrznej związanej z deformacją sieci krystalograficznej . W materiale od-

kształcanym na zimno od 1 do 10 % całej pracy odkształcenia plastycznego jest za-

trzymane w materiale. Reszta pracy odkształcenia plastycznego zamieniana jest na

ciepło, dlatego podczas odkształcania obserwowany jest znaczny wzrost temperatury

materiału .

Podczas odkształcania, oprócz wzrostu gęstości dyslokacji, rozdrobnienia ziaren i

powstania podziaren dochodzi, do powstania tekstury odkształcenia . Tekstura ozna-

cza taką budowę materiału, dla której poszczególne ziarna mają zbliżoną orien-

tację krystalograficzną. Np wydłużenie ziaren w jednym kierunku w wyniku procesu

walcowania powoduje (rys. 6), że uzyskują one podobną orientację krystalograficzną.

W miarę zwiększania się odkształcenia stopień steksturowania staje się coraz większy

i przy bardzo dużych odkształceniach zbliża się do 100%, co oznacza że wszystkie

ziarna mają w przybliżeniu jednakową orientację krystalograficzną .

Rys. 6. Zmiana kształtu ziaren w trakcie procesu walcowania

Tekstura materiału powoduje anizotropowość jego własności , tj. uzależnienie ich

od kierunku badania. Panuje na ogół przekonanie, że materiały anizotropowe są nie-

pożądane. Należy jednak podkreślić, że trzeba raczej dążyć do umiejętnego wykorzy-

stania anizotropowych właściwości materiałów, a nie do ich eliminacji. Na przykład

procesy kształtowania powinny być tak projektowane, aby największe obciążenie

wyrobów podczas eksploatacji pokrywało się z kierunkiem największej wytrzymałości

materiału, bądź kierunek największej plastyczności materiału pokrywał się z kierun-

kiem największych odkształceń w danym procesie. O dużym znaczeniu właściwości-

anizotropowych materiału świadczy między innymi fakt, że blacha charakteryzująca

się dużą anizotropią normalną, która wyraża się stosunkiem średnich odkształceń mie-

rzonych w płaszczyźnie blachy do odkształceń określanych w kierunku grubości bla-

chy, wykazuje lepszą podatność do najczęściej stosowanych operacji tłoczenia.

Odkształcenie plastyczne wytwarza stan naprężenia w materiale, który może

obejmować cały przedmiot lub tylko jego część, naprężenia te nazywane są na-

prężeniami własnymi. Biorąc pod uwagę obszar występowania naprężenia własne

dzieli się na:

- Pierwszego rodzaju – naprężenia równoważące się między poszczególnymi war-

stwami materiału. Na przykład, w pręcie zginanym powyżej granicy plastyczno-

ści warstwy leżące koło warstwy obojętnej odkształcają się tylko sprężycie. Od-

kształcenie sprężyste tych warstw po odciążeniu pręta nie zanika, gdyż jest blo-

kowane przez warstwy zewnętrzne i wewnętrzne, które uległy odkształceniu pla-

stycznemu. Zatem pomiędzy tymi warstwami musi wystąpić naprężenie, pomimo

braku zewnętrznego obciążenia.

- Drugiego rodzaju – naprężenia występujące pomiędzy poszczególnymi ziarnami.

Na przykład, w stali perlitycznej odkształcanej nieco powyżej granicy plastycz-

ności, odkształceniu trwałemu podlegać będą głownie płytki ferrytu, płytki ce-

mentytu, jako znacznie twardsze, pozostaną w stanie sprężystym. Po usunięciu

obciążenia płytki cementytu mogłyby powrócić do początkowych wymiarów, ale

odkształcone płytki ferrytu nie dopuszczają do tego. Płytki ferrytu i cementytu

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: