Odkształcenie i rekrystalizacja metali

ODKSZTAŁCENIE
I REKRYSTALIZACJA METALI
Publikacja współfinansowana
ze środków Unii Europejskiej
w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

ODKSZTAŁCENIE
I REKRYSTALIZACJA METALI
1. ODKSZTAŁCENIE METALI
2. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA
3. TECHNICZNE ASPEKTY ODKSZTAŁCENIA
PLASTYCZNEGO

1. ODKSZTAŁCENIE METALI
Ciało stałe poddane wzrastającemu obciążeniu na
zimno przechodzi przez następujące stadia:
• odkształcenie sprężyste (odwracalne)
• odkształcenie plastyczne (nieodwracalne)
• zerwanie (dekohezja)
3

a)
g
q 1
t
t
t
q
t
2
t
b)
t
t
Odkształcenie może realizować się poprzez ścięcie (a)
lub wydłużenie (b)
4

Odkształcenie sprężyste — odkształcenie materiału
spowodowane przez działanie naprężeń wywołanych przez
siłę zewnętrzną lub naprężeń własnych, które zanika po
zdjęciu naprężeń.
Odkształcenie sprężyste metali zachodzi poprzez
przemieszczanie się atomów na odległości nie większe niż
odległości sieciowe, dzięki czemu nie następują zasadnicze
zmiany w ułożeniu atomów w sieci, zachodzi tylko
zwiększenie energii ciała odkształcanego, np. ściskanego
lub rozciąganego pręta lub sprężyny.
5

t
t
Schemat położenia atomów w odkształconym sprężyście
monokrysztale
6

W metalach odkształcenie sprężyste względne poprzez wydłużenie
= DL/L 0
zwykle nie przekracza 1,5%, dalszy wzrost naprężeń
wprowadza składową plastyczną odkształcenia.
L 0
= DL / L 0 = (L 1 - L 0 ) / L 0
P P P 1 P 1
DL trwałe = L 1 - L 0
L 1
A
B
A) Schemat odkształcenia sprężystego (wydłużenia) pod wpływem siły P
pręta swobodnego, po odjęciu siły pręt wraca do wyjściowych
wymiarów
B) schemat odkształcenia sprężysto-plastycznego pręta pod wpływem siły
P1 — odkształcenie pręta ma dwie składowe — sprężystą i plastyczną,
po odjęciu siły odkształcenie sprężyste zanika, pręt zachowuje
odkształcenie plastyczne (trwałe) — wydłużenie DL trwałe
. 7

Odkształcenie plastyczne jest to takie
odkształcenie materiału
spowodowane przez działanie naprężeń, które pozostaje po zdjęciu
naprężeń.
Odkształcenie plastyczne na zimno w monokryształach może się
realizować przez poślizg lub bliźniakowanie. Podstawowym mechanizmem
odkształcenia plastycznego na zimno jest poślizg, który polega na
równoległym przesunięciu jednej części kryształu względem drugiej.
Schemat odkształcenia plastycznego monokryształu przez poślizg
8

Odkształcenie plastyczne na zimno realizuje poprzez
poślizg dyslokacji.
Poślizg nie zachodzi jednocześnie na całym obszarze płaszczyzny
poślizgowej, bo wymagało by to zbyt dużej siły potrzebnej do
jednoczesnego przezwyciężenia wiązań atomów w całej płaszczyźnie.
Zamiast tego poślizg realizuje się „krok po kroku” przez przesuwanie się
w płaszczyźnie poślizgu dyslokacji.
Przesuwanie się dyslokacji nazywamy poślizgiem dyslokacji.
Dzięki temu w każdym kroku następuje zerwanie sił atomowych i
przemieszczenie atomów tylko lokalnie — w strefie dyslokacji i tylko o
odległości rzędu odległości atomowych. W każdym kroku dyslokacja
przesuwa się o jedną odległość atomową — o parametr sieci.
9

Schemat ruchu dyslokacji krawędziowej w płaszczyźnie poślizgu
Wg.: L.A. Dobrzański, Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo
WNT, Gliwice — Warszawa 2002
10

W każdej sieci krystalicznej istnieją wyróżnione płaszczyzny,
a na nich kierunki, wzdłuż których może zachodzić
łatwiejszy poślizg niż w innych płaszczyznach. Są to tzw.
płaszczyzny łatwego poślizgu, najgęściej obsadzone
atomami. W takich płaszczyznach poślizg dyslokacji jest
najłatwiejszy, gdyż droga przeskoku dyslokacji jest
najkrótsza. Po przesunięciu się o określony wektor poślizg
dyslokacji jest blokowany przez zwiększającą się gęstość
dyslokacji, a dalsze poślizgi w krysztale mogą zachodzić w
płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów.
Płaszczyzna poślizgu oraz kierunek poślizgu tworzą razem
system poślizgu.
11

Typ sieci
Przykłady
metali
Płaszczyzny i kierunki
poślizgu w komórce
strukturalnej
Systemy poślizgu
Oznaczenie Oznaczenie
grupy grupy
płaszczyzn kierunków
równoważnych równoważnych
Ilość
systemów
poślizgu
A1 – RSC
- regularna
ściennie
centrowana
Feg
Ag
Al
Au, Cu
Ni
Pb
{111} 4 3 = 12
Fe
Mo
W
{110} 6 2 = 12
A2 – RPC
– regularna
przestrzennie
centrowana
Fe
Mo
W
{211}
12 1 =
12
Fe
Cr
Nb
{321}
24 1 =
24
A3 – HZ –
heksagonalna
zwarta
Cd
Mg
Ti
Zn
{0001} 1 3 = 3
12

Uruchomienie dyslokacji (poślizgu) następuje w tym systemie poślizgu,
w którym naprężenie ścinające t osiągnie minimalną wartość —
krytyczne naprężenie styczne t kr
.
W sieci RPC nie ma płaszczyzn o zwartym ułożeniu atomów jak
płaszczyzny {111} w RSC lub {0001} w HZ. Mniejsza gęstość ułożenia
atomów w płaszczyznach sprawia, że naprężnie krytyczne t kr
jest duże.
Naprężenie t kr
w monokrysztale Fe a
(sieć RPC) w temperaturze
pokojowej wynosi około 15 MPa. W monokryształach o sieci RSC
naprężnie to jest niższe i dla Al i Cu wynosi 0,55 ÷ 1 MPa, dla Ni — 3,3
÷ 7,5 MPa. W monokryształach o sieci HZ naprężenie to np. dla Cd, Zn
i Mg wynosi odpowiednio 0,13, 0,3 i 0,5 MPa.
Naprężenie teoretyczne t potrzebne do zrealizowania poślizgu przy
nieobecności dyslokacji, czyli przy założeniu przezwyciężenia siły
wiązań atomowych na całej płaszczyźnie poślizgu, jest 10 2 ÷ 10 4 razy
większe od powyższych naprężeń krytycznych.
13

Rozkład sił w rozciąganym monokrysztale walcowym
t = = F/S 0 · cos · cos
Naprężenie styczne osiąga maksymalną wartość, gdy płaszczyzna poślizgu i
kierunek tworzą kąt 45º z osią próbki i w tym systemie zajdzie w pierwszej
kolejności poślizg. Gdy dyslokacje zostaną zablokowane, dalsze odkształcenie
jest możliwe przez wzrost siły F, co powoduje przekroczenie naprężenia
krytycznego dla innych systemów poślizgu lub poprzez obrót sieci krystalicznej
zmieniającej wielkość naprężenia stycznego w innych płaszczyznach poślizgu.
14

Schemat pokazujący powstawanie pasm poślizgu.
Pokazano trzy warstwy (każda ma grubość około 1000 odległości
atomowych) tworzące linię poślizgu.
15

Po wyczerpaniu możliwości poślizgu (zablokowanie
dyslokacji) odkształcenie monokryształu realizuje się poprzez
bliźniakowanie. Bliźniakowanie wymaga znacznie większych
naprężeń niż poślizg, dlatego zachodzi w drugiej kolejności.
Bliźniakowanie występuje przede wszystkim w kryształach o
sieci HZ (Mg, Ti, Zn), które mają mniejszą liczbę systemów
poślizgu od sieci RSC i w kryształach o sieci RPC (Fe a
, Mo,
W), w których naprężenia krytyczne poślizgu są większe ze
względu na brak płaszczyzn zwarcie wypełnionych atomami,
jak w RSC (Cu, Al, Ni).
16

Bliźniak jest segmentem
kryształu składającym się z
przesuniętych po sobie warstw.
Dwie skrajne płaszczyzny
ograniczające bliźniak
nazywane są płaszczyznami
bliźniakowania.
Bliźniak ma strukturę sieci
(ułożenie atomów), będącą
lustrzanym odbiciem względem
płaszczyzny bliźniakowania
struktury nieodkształconej
części kryształu.
Schemat odkształcenia plastycznego
monokryształu przez bliźniakowanie
17

Odkształcenie plastyczne w materiale polikrystalicznym
realizuje się przez poślizg w wielu różnych ziarnach
jednocześnie.
Ziarna są pojedynczymi kryształami różnie zorientowanymi w
przestrzeni, nawzajem ograniczają się i odkształceniu
jednego ziarna musi towarzyszyć jednoczesne odkształcenie
ziaren sąsiednich.
Z tego powodu poślizgom w jednym ziarnie w określonym
systemie poślizgu towarzyszą poślizgi w ziarnach sąsiednich,
w tym samym lub innym systemie.
18

trwałe = L 1 /L 0
= DL/L 0
= P/S
P - siła
S - przekrój pręta
B
spr
A
C
Zależność między odkształceniem względnym , a naprężeniem w
czasie rozciągania pręta polikrystalicznego.
Odcinek prostoliniowy — od współrzędnych (0,0) do ( spr
, spr
) reprezentuje
sprężyste odkształcenie pręta, zgodne z zależnością — prawem Hooke’a:
= / E
gdzie: - naprężenia, = P/S = siła rozciągająca / przekrój pręta, = DL /
L 0
, E — moduł sprężystości podłużnej (moduł Younga)
spr
19

Materiał sprężysto-plastyczny ze
wzmocnieniem nieliniowym, z wyraźną
granicą plastyczności
Początkowy odcinek na
wykresie rozciągania jest
dokładnie prostoliniowy tylko
dla monokryształów.
W materiałach
polikrystalicznych odcinek ten
ma pewną krzywiznę
wynikającą z obecności wielu
ziaren o różnej orientacji oraz
obecności dyslokacji.
R eH
R eL
20
•Górna granica plastyczności (R eH ) — wywołana odrywaniem dyslokacji od
atmosfer atomów obcych
•Dolna granica plastyczności d (R eL ) — zależna od wielkości ziarna,
zgodnie z równaniem Halla-Petcha R ed = 0 + kd (-1/2)
d — wielkość ziarna, k — stała, 0 — naprężenie tarcia sieci

Odkształcenie plastyczne metalu na zimno powoduje zmiany:
• kształtu i wymiarów elementu
• mikrostruktury
• stanu naprężeń
• właściwości.
Zgniot — całokształt zmian w materiale, wywołany odkształceniem
plastycznym.
Gniot (stopień gniotu) = (A 0 – A)/A 0 x 100%, A 0 — początkowe pole
przekroju poprzecznego materiału, A — pole po odkształceniu.
Struktura włóknista — wydłużone ziarna w materiale polikrystalicznym
odkształconym plastycznie, ułożone w jednym kierunku.
Tekstura zgniotu — uprzywilejowana orientacja ziaren w materiale
polikrystalicznym, wywołana odkształceniem plastycznym. Przy dużym
gniocie, np. 40% w metalach o sieci A1, płaszczyzna i kierunki poślizgu
mają tendencję do układania się w kierunku przyłożonego naprężenia.
Tekstura decyduje o anizotropii właściwości mechanicznych i fizycznych
metali (różnicy właściwości w zależności od kierunku).
21

a) b)
50 m
Równoosiowe ziarna w stopie jednofazowym przed odkształceniem
plastycznym (a), wydłużone ziarna i pasma poślizgu w ziarnach
jednofazowego stopu po odkształceniu plastycznym na zimno, struktura
włóknista (b)
22

Gniot na zimno powoduje powstanie naprężeń:
I rodzaju — submikroskopowych, występujących wewnątrz ziaren,
spowodowanych odkształceniami w obrębie ziaren;
II rodzaju — mikroskopowych, występujących między ziarnami, w
wyniku wzajemnych komplementarnych odkształceń ziaren;
III rodzaju — makroskopowych, spowodowanych nierównomiernym
odkształceniem na przekroju wyrobu.
Naprężenia własne są niekorzystne: mogą powodować niepożądane
odkształcenia wyrobu i pęknięcia.
23

Gniot (stopień gniotu) =
(A 0 – A)/A 0 x 100%
A 0 – początkowe pole przekroju
poprzecznego materiału
A – pole przekroju po
odkształceniu
Przykład zmian właściwości mechanicznych (umocnienia) materiału
metalowego w wyniku odkształcenia plastycznego na zimno
24

Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych metali
wywołanych odkształceniem plastycznym:
‣spadek przewodności elektrycznej, przenikalności
i podatności magnetycznej
‣wzrost histerezy magnetycznej
‣spadek odporności na korozję
25

Odkształcenie plastyczne na zimno powoduje wzrost energii wewnętrznej
materiału wskutek zwiększenia ilości defektów sieci krystalicznej —
defektów punktowych, dyslokacji oraz wskutek fragmentacji ziaren.
W zależności od rodzaju materiału i gniotu, 2 ÷ 10 % pracy mechanicznej
włożonej w odkształcenie pozostaje w materiale, reszta zamienia się w
ciepło i jest rozproszona na zewnątrz.
Materiał odkształcony na zimno jest w stanie metastabilnym — dąży do
wydzielenia nadmiaru energii.
Proces ten jest aktywowany cieplnie, tzn. zachodzi tym szybciej, im
wyższa jest temperatura materiału, a dla większości materiałów w
temperaturze pokojowej przebiega na tyle wolno, ze nie daje żadnych
skutków praktycznie zmieniających właściwości materiału przez dowolnie
długi czas.
Proces powrotu materiału odkształconego na zimno do stanu stabilnego
dzieli się na dwa podstawowe stadia — zdrowienie i rekrystalizację.
26

2. ZDROWIENIE I REKRYSTALIZACJA
Zdrowienie — proces wydzielania się z odkształconego plastycznie na
zimno metalu energii zmagazynowanej dzięki wzajemnemu
oddziaływaniu, przegrupowaniu przez wspinanie i anihilacji dyslokacji
bez udziału migracji szerokokątowych granic ziaren.
Przebieg zdrowienia:
1. Aktywowana cieplnie migracja atomów międzywęzłowych i
równoczesna migracja wakansów skutkująca zmniejszeniem stężenia
wakansów.
2. Przegrupowania dyslokacji i anihilacja dyslokacji.
3. Rozrastanie się podziaren w uprzywilejowanych kierunkach.
27

Przegrupowania dyslokacji:
a) tworzenie ścianek poligonalnych
b) łączenie się ścianek
c) zanik ścianek przez wspinanie dyslokacji (1-3 kolejne stadia)
28

Skutki zdrowienia
• Wyzwolenie całości lub części energii zmagazynowanej, zanik całkowity
lub częściowy naprężeń i zmiany właściwości materiału przeciwne
wywołanym odkształceniem — całkowite przy braku rekrystalizacji lub
małe przy dalszej rekrystalizacji.
• Układ dyslokacji utworzony przez poślizgi w jednym systemie, przy
małym stopniu zgniotu, nie skutkuje powstaniem zarodków rekrystalizacji
w ostatnim etapie zdrowienia, a następnie rekrystalizacją metalu.
• Układ dyslokacji utworzony przez poślizgi w wielu systemach prowadzi
do powstania subziaren o dużym stopniu dezorientacji, stanowiących
zarodki rekrystalizacji.
29

Rekrystalizacja
Proces przebiegający w materiale odkształconym plastycznie na zimno, w
temperaturze wyższej niż zdrowienie, polegający na rozroście zarodków
ziaren utworzonych w czasie zdrowienia, aż do całkowitego
przekrystalizowania zgniecionego materiału. Granice rosnących ziaren
migrują w stronę zgniecionej osnowy, pochłaniając dyslokacje i defekty
punktowe. Przed migrującym frontem rekrystalizacji znajduje się materiał
zgnieciony z nadmiarem defektów sieci krystalicznej, za frontem —
materiał o strukturze pozbawionej nadmiaru defektów — o niższej energii
wewnętrznej.
Wyróżnia się:
• rekrystalizację pierwotną
• rekrystalizację równomierną (rozrost ziaren)
• rekrystalizację wtórną
30

Zmiany właściwości metalu w funkcji temperatury wyżarzania po
odkształceniu plastycznym na zimno:
1) naprężenia
2) wielkość ziarna
3) wytrzymałość na rozciąganie
4) wydłużenie
31

Rekrystalizacja pierwotna
Aktywowany cieplnie proces
całkowitego
przekrystalizowania
odkształconego plastycznie
metalu.
Udział ziaren
zrekrystalizowanych i
niezrekrystalizowanych
zmienia się z upływem czasu.
Zanikają całkowicie linie i
pasma poślizgu, pozostają
utwory bliźniacze.
32

Rekrystalizacja równomierna (rozrost ziaren)
Proces wzrostu ziaren po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej. Rosną
ziarna większe kosztem mniejszych. Siłą napędowa procesu jest
zmniejszanie napięcia powierzchniowego granic ziaren. Następuje także
prostowanie granic ziaren poprzez migrację w kierunku środka krzywizny.
Rekrystalizacja wtórna
Selektywny rozrost ziaren o uprzywilejowanej orientacji, co prowadzi do
silnego zróżnicowania rozmiarów ziaren i znacznego udziału w objętości
ziaren dużych. Charakterystyczna cecha materiału o strukturze
gruboziarnistej: wysoka kruchość.
33

Temperatura rekrystalizacji
Właściwość materiału mająca charakter umowny, która zależy od takich czynników
jak: stopień gniotu, szybkość nagrzewania, czystość materiału, wielkość ziarna.
Umownie przyjmuje się, że jest to temperatura, w której dany metal poddany
określonemu odkształceniu zrekrystalizuje się całkowicie w ciągu 1 godziny.
Temperaturę rekrystalizacji T R
można wyznaczyć orientacyjnie ze wzoru Boczwara:
T R = (0,35÷0,60)T TOPNIENIA [K]
34

Wpływ stopnia odkształcenia na temperaturę rekrystalizacji i wielkość
ziarna po rekrystalizacji Al 99,99% (wygrzewanie 1 godzina).
1) temperatura rekrystalizacji
2) wielkość ziarna
35

Gniot krytyczny
Przeważnie w przedziale 2–12%, powoduje po rekrystalizacji szczególnie
gruboziarnistą strukturę. Z tego powodu projektując obróbkę plastyczną
wyrobów, które będą podlegać rekrystalizacji, należy unikać odkształcenia
krytycznego.
Przyczyną silnego rozrostu ziarna jest mała liczba zarodków
rekrystalizacji. Po gniocie mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie
zachodzi, ponieważ odkształcenie było zbyt małe do wytworzenia
zarodków rekrystalizacji, tj. podziaren o szerokokątowych granicach.
36

3. TECHNICZNE ASPEKTY ODKSZTAŁCENIA
PLASTYCZNEGO
Temperatura rekrystalizacji stanowi kryterium zabiegów:
‣Obróbki plastycznej na zimno — obróbka poniżej temperatury
rekrystalizacji. Ma miejsce zgniot.
‣Obróbki plastycznej na gorąco — obróbka powyżej temperatury
rekrystalizacji. Równolegle ze zgniotem zachodzi rekrystalizacja.
Po odkształceniu plastycznym na zimno można stosować:
‣Wyżarzanie odprężające — w przedziale temperatur, w których zachodzi
proces zdrowienia. Cel: usunięcie naprężeń.
‣Wyżarzanie rekrystalizujące — temperatury wyższe o około 200–300 o C od
temperatury rekrystalizacji, a niższe od temperatury rekrystalizacji wtórnej. Cel:
usunięcie umocnienia materiału przed dalszą obróbką plastyczną lub jako efekt
końcowy.
37

Obróbka plastyczna na gorąco
‣Temperatura procesu jest wyższa od temperatury rekrystalizacji,
zwykle o 100ºC
‣ Brak umocnienia
‣Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie
‣Wyroby: blachy, pręty, kształtowniki (np. szyny kolejowe)
Kąt chwytu walców
Schemat walcowania
38

Kształtowanie zaworu silnika samochodowego:
A) surowy pręt
B) trzonek (wyciąganie na gorąco)
C) głowa (spęczanie na gorąco)
D) obróbka końcowa (skrawanie) 39

Obróbka plastyczna na zimno
‣Temperatura procesu jest niższa od temperatury rekrystalizacji
‣Umocnienie materiału. Przykład blachy stalowej walcowanej na
zimno:
Stan
R m
Półtwardy (Z = 25 %) 500 N/mm 2
Twardy (Z = 50 %) 650 N/mm 2
Wyżarzony 300 N/mm 2
‣Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie, gięcie
‣Wyroby: taśmy, blachy i pręty o dokładnym wykończeniu
powierzchni i podwyższonej wytrzymałości
40

Zapory wypychacza
stempel
Kształtowanie śruby — spęczanie na zimno końca pręta
41