Zgniot i rekrystalizacja - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology
pixel_80
pixel_8014 March 2013

Zgniot i rekrystalizacja - Notatki - Materiałoznastwo, Notatki'z Materiałoznastwo. Warsaw University of Technology

PDF (429.1 KB)
9 strona
898Liczba odwiedzin
Opis
W notatkach omawiane zostają zagadnienia z materiałoznastwa: zgniot i rekrystalizacja.
20punkty
Punkty pobierania niezbędne do pobrania
tego dokumentu
Pobierz dokument
Podgląd3 strony / 9
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
34

282

Opracowa³: Stanis³aw Rudnik

Æwiczenie 34

ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA

1. CEL ÆWICZENIA

Celem æwiczenia jest poznanie wp³ywu nagrzewania na zmianê w³asnoœci mecha- nicznych i strukturê metalu poddanego uprzednio odkszta³ceniu plastycznemu na zimno.

2. WIADOMOŒCI PODSTAWOWE

Metale jako cia³a plastyczne ulegaj¹ pod dzia³aniem si³ zewnêtrznych odkszta³ce- niu, które polega na zmianie ich wymiarów, kszta³tu i objêtoœci, nie ulegaj¹c przy tym zniszczeniu.

Rozró¿niamy odkszta³cenia sprê¿yste i plastyczne.

2.1. Odkszta³cenia sprê¿yste

Odkszta³cenia sprê¿yste s¹ to odkszta³cenia przemijaj¹ce, które zanikaj¹ po odci¹- ¿eniu; odkszta³cony element metalowy powraca do swego pierwotnego kszta³tu i wy- miarów. Pod wp³ywem przy³o¿onego obci¹¿enia nastêpuje zmiana odstêpów pomiê- dzy atomami w sieci krystalicznej; w przypadku dzia³ania si³ rozci¹gaj¹cych, komórki sieciowe wyd³u¿aj¹ siê w kierunku dzia³ania tych si³, zaœ w przypadku dzia³ania si³ œciskaj¹cych, nieznacznie siê skracaj¹. W wyniku wzajemnego oddzia³ywania pomiê- dzy wysuniêtymi ze swych po³o¿eñ równowagi atomami powstaj¹ wewn¹trz odkszta³- conego materia³u si³y wewnêtrzne, które d¹¿¹ do przywrócenia stanu równowagi i pod wp³ywem tych si³ element metalowy po odci¹¿eniu powraca do swego pierwotnego kszta³tu.

2.2. Odkszta³cenia plastyczne

Obci¹¿enie metalu powy¿ej granicy sprê¿ystoœci powoduje odkszta³cenie plastyczne, tj. odkszta³cenie trwa³e; odci¹¿ony element metalowy wykazuje trwa³¹ zmianê kszta³tu.

Odkszta³cenie plastyczne zachodzi w drodze poœlizgu oraz bliŸniakowania. Odkszta³cenie przez poœlizg polega na tym, ¿e pod wp³ywem si³ zewnêtrznych

nastêpuj¹ przesuniêcia wzglêdem siebie czêœci kryszta³u wzd³u¿ okreœlonych p³asz- czyzn krystalograficznych, które nosz¹ nazwê p³aszczyzn ³atwego poœlizgu. Wzajem- ne przesuwanie siê warstw kryszta³u wzglêdem siebie powoduje pewne zniekszta³cenia

docsity.com

283

sieci krystalicznej w s¹siedztwie p³aszczy- zny poœlizgu, co wp³ywa hamuj¹co na ruch poœlizgowy tak, ¿e przerzuca siê on na drug¹ z kolei p³aszczyznê o tej samej orientacji krystalograficznej. Na tej drodze tworz¹ siê stopniowo nowe p³aszczyzny poœlizgu, od- dzielone nie odkszta³conymi warstwami krystalograficznymi. Gruboœæ tych warstw, czyli odleg³oœæ pomiêdzy p³aszczyznami po- œlizgowymi jest rzêdu 10-4cm. Mechanizm powstawania poœlizgów w monokrysztale przedstawiono na rys. 34.1.

P³aszczyznami ³atwego poœlizgu, w któ- rych metal stawia najmniejszy opór od- kszta³ceniu, s¹ p³aszczyzny z najgêstszym u³o¿eniem atomów. P³aszczyzny ³atwych poœlizgów w uk³adach krystalograficznych typu A1, A2 oraz A3 przedstawia rys. 34.2.

Jak widaæ, najmniej p³aszczyzn i kierunków ³atwego poœlizgu wystêpuje w uk³adzie heksagonalnym A3, tote¿ metale krystalizuj¹ce w tym uk³adzie, jak np. magnez i cynk odznaczaj¹ siê mniejsz¹ plastycznoœci¹, zaœ najwiêksz¹ – w uk³adzie regularnym A1.

Rys. 34.1. Poœlizgi w monokrysztale cynku

∆L

P

P

β

α+βα

Przedstawiony wy¿ej mechanizm odkszta³cenia plastycznego nie jest œcis³y; w rze- czywistoœci poœlizg przy odkszta³ceniu plastycznym jest procesem przemieszczania siê dyslokacji, jak to schematycznie przedstawiono na rys. 34.3.

O ile na kryszta³ o idealnej sieci krystalicznej dzia³a si³a zewnêtrzna P, to pocz¹tko- wo wyst¹pi¹ przesuniêcia sprê¿yste atomów w pionowych rzêdach 1, 2 oraz 3 nad p³aszczyzn¹ poœlizgu A–A (rys. 34.3a). Przy dalszym wzroœcie si³y P drugi rz¹d ato- mów wytworzy ekstra-p³aszczyznê, tj. powstanie dyslokacja (rys. 34.3b); teraz wy- starczy przy³o¿yæ niedu¿¹ si³ê zewnêtrzn¹, a¿eby spowodowaæ przesuwanie siê po- szczególnych pionowych rzêdów atomów nad p³aszczyznê poœlizgu A–A. Przesuniêcia

Rys. 34.2. P³aszczyzny ³atwego poœlizgu

A1 A2 A3

docsity.com

284

te jednorazowo nie s¹ wiêksze ni¿ jedna odleg³oœæ miêdzyatomowa (rys. 34.3c). W ten sposób dyslokacja bêdzie siê przenosi³a na dalsze rzêdy atomów (4, 5 itd.), jak gdyby pewnego rodzaju sztafeta, wychodz¹c w koñcu na powierzchniê kryszta³u (rys. 34.3d). W ten sposób na powierzchni kryszta³u wytworzy siê uskok o wielkoœci jednej sta³ej sieciowej, a dyslokacja zanika. Koñcowym wynikiem opisanego wy¿ej ruchu dyslo- kacji jest przesuniêcie czêœci kryszta³u wzd³u¿ p³aszczyzny poœlizgu o jedn¹ odleg³oœæ miêdzyatomow¹. Wed³ug tego mechanizmu odkszta³cenia do wytworzenia dyslokacji niezbêdna jest jedynie dosyæ du¿a si³a pocz¹tkowa P. O ile dyslokacja ju¿ powsta³a to do wywo³ania odkszta³cenia potrzebne s¹ znacznie mniejsze si³y.

Rys. 34.3. Dyslokacyjny schemat przebiegu poœlizgu

Odkszta³cenie plastyczne mo¿e zachodziæ tak¿e w drodze bliŸniakowania. Tego ro- dzaju odkszta³cenie zachodzi szczególnie ³atwo u metali krystalizuj¹cych w uk³adzie re- gularnym p³askocentrycznym A1 i heksagonalnym zwartym A3, jak: miedŸ, cynk, z³oto. Tworzenie siê kryszta³ów bliŸniaczych polega na tym, ¿e czêœæ kryszta³u przyjmuje po³o- ¿enie bêd¹ce zwierciadlanym odbiciem pozosta³ej czêœci kryszta³u, jak to przedstawia rys. 34.4. Przesuniêcie poszczególnych warstw atomowych jest proporcjonalne do ich odleg³oœci od p³aszczyzny bliŸniaczej.

Rys. 34.4. Odkszta³cenia w drodze bliŸniakowania

A

B C

C’

D

D’

a/ b/ c/ P

P

1 1 11 A A AA

P P P P

A A AA

1’ 1’ 1’1’

2 2 22

2’ 2’ 2’2’

3 3 33

3’ 3’ 3’3’

4 4 44

4’ 4’ 4’4’

5 5 55

5’ 5’ 5’5’

6 6 66

6’ 6’ 6’6’

a/ b/ c/ d/

docsity.com

285

Przebieg odkszta³cenia cia³a polikrystalicznego, jakim s¹ metale, jest bardziej z³o- ¿ony. S¹siedztwo ziarn o ró¿nej orientacji krystalicznej, jak równie¿ wystêpowanie zanieczyszczeñ na ich granicach wp³ywa hamuj¹co na przebieg poœlizgów w poszcze- gólnych ziarnach.

2.3. Umocnienie

Zmiany, które zachodz¹ w strukturze i w³asnoœciach metali pod wp³ywem odkszta³- cenia plastycznego na zimno obejmuje siê pojêciem zgniotu. Za miarê zgniotu przyjêto stopieñ odkszta³cenia, wyra¿ony ubytkiem przekroju w procentach w oparciu o wzór:

(1)

gdzie: z – stopieñ zgniotu w procentach, F0 – powierzchnia przekroju przed odkszta³ceniem, F1 – powierzchnia przekroju po odkszta³ceniu.

W czasie odkszta³cenia plastycznego nastêpuje stopniowe zahamowanie ruchów poœlizgowych w p³aszczyznach poœlizgu, skutkiem czego opór przeciwko odkszta³ceniu stopniowo wzrasta. Aby je dalej kontynuowaæ trzeba stosowaæ coraz to wiêksze si³y. Zjawisko to zwi¹zane jest ze wzrostem iloœci dyslokacji, utrudnionym przejœciem dys- lokacji przez przeszkody oraz wzrostem wewnêtrznego stanu naprê¿enia wywo³ane- go przez wzajemne oddzia³ywanie ziarn. Zachodzi ono w monokryszta³ach, jak i w cia- ³ach polikrystalicznych, przy czym w tym ostatnim przypadku nale¿y jeszcze uwzglêdniæ wp³yw granic ziarn. W wyniku umocnienia, w³asnoœci wytrzyma³oœciowe metali wzra- staj¹, natomiast w³asnoœci plastyczne ulegaj¹ obni¿eniu; zmieniaj¹ siê tak¿e w³asnoœci fizyczne i chemiczne metalu.

2.4. Wp³yw nagrzewania na strukturê i w³asnoœci odkszta³conego metalu

Odkszta³cony plastycznie na zimno metal znajdowaæ siê bêdzie w stanie równo- wagi nietrwa³ej. Dla wiêkszoœci metali stan ten mo¿e utrzymywaæ siê w normalnych temperaturach dowolnie d³ugu bez ¿adnych zmian, gdy¿ ruchliwoœæ atomów bêdzie zbyt ma³a, aby usun¹æ naprê¿enia panuj¹ce w sieci przestrzennej i przywróciæ jej prawid³ow¹ budowê. Dopiero po nagrzaniu, w zwi¹zku ze zwiêkszon¹ ruchliwoœci¹ atomów, skutki zgniotu zostaj¹ usuniête i metal odzyskuje prawid³ow¹ strukturê kry- staliczn¹ i odpowiednie w³asnoœci, jak to przedstawiono na rys. 34.5.

docsity.com

286

Ca³oœæ zjawisk zachodz¹cych podczas nagrzewania zgniecionego metalu mo¿na podzieliæ na nastêpuj¹ce etapy:

1) zdrowienie, 2) poligonizacja, 3) rekrystalizacja pierwotna, 4) rozrost ziarn, 5) rekrystalizacja wtórna.

Przy nagrzewaniu metalu do niewysokich temperatur nastêpuje jedynie czêœciowe usuniêcie naprê¿eñ sieci krystalicznej zgniecionego metalu, który to proces nazywa- my zdrowieniem.

W mikrostrukturze metalu w czasie zdrowienia nie zachodz¹ ¿adne zmiany. W³a- snoœci mechaniczne zmieniaj¹ siê w tym okresie bardzo nieznacznie; wiêkszym zmia- nom podlegaj¹ niektóre w³asnoœci fizyczne (przewodnictwo elektryczne) oraz che- miczne (odpornoœæ na korozjê). Przy nieco wy¿szych temperaturach nastêpuje proces poligonizacji. Dyslokacje, które w zgniecionym metalu rozmieszczone s¹ w sposób nieuporz¹dkowany, jak to przedstawia rys. 34.6a, przemieszczaj¹ siê wzd³u¿ p³asz- czyzn ³atwego poœlizgu, grupuj¹c siê w rzêdach, jak to widaæ na rys. 34.6b. Proces ten prowadzi do powstania granic subziarn (bloków), tj. obszarów o nieznacznie ró¿ni¹cej

Rys. 34.5. Wp³yw nagrzewania na strukturê i w³asnoœci zgniecionego metalu

temperatura wy¿arzania

zdrowienie

wielkoϾ zrekrystalizowanych ziarn

plastycznoϾ

wytrzyma³oœæ

naprê¿enia szcz¹tkowe

gêstoœæ

n a p rê

¿ e n

ie s

z c z¹

tk o w

e ,

g ê s to

Ͼ w

y tr

z y m

a ³o

œ æ ,

p la

s ty

cz n o œ æ

w ie

lk o œ æ

z ia

rn a

rozrost ziarn

rekrysta- lizacja

pierwotna

rekrysta- lizacja wtórna

docsity.com

287

siê orientacji krystalograficznej. W ten sposób ziarna zgniecionego metalu rozpadaj¹ siê na szereg subziarn skrêconych wzglêdem siebie o niewielkie k¹ty paru minut.

Pe³ne usuniêcie naprê¿eñ istniej¹cych w sieci przestrzennej i przywrócenie zgnie- cionemu metalowi prawid³owej struktury krystalicznej oraz odpowiednich w³asnoœci nastêpuje dopiero po nagrzaniu go powy¿ej okreœlonej temperatury, zwanej tempera- tur¹ rekrystalizacji. W tej temperaturze, w miejsce odkszta³conych ziarn krystalicz- nych z zaburzon¹ sieci¹ przestrzenn¹, powstaj¹ nowe ziarna krystaliczne o prawid³o- wej strukturze sieciowej, w wyniku czego zanika umocnienie metalu – nastêpuje spadek wytrzyma³oœci i twardoœci, a wzrost plastycznoœci metalu. Temperatura rekrystaliza- cji zale¿y przede wszystkim od temperatury topnienia metalu, co zosta³o przez Bo- czwara wyra¿one wzorem:

(2)

gdzie: Tr – bezwzglêdna temperatura rekrystalizacji, Tt – bezwzglêdna temperatura topnienia, a – wspó³czynnik wahaj¹cy siê zwykle w granicach 0,35 - 0,60.

Zrekrystalizowane ziarna rozrastaj¹ siê. Proces ten przebiega samorzutnie wsku- tek naturalnego d¹¿enia uk³adu do zmniejszenia zasobu swej energii wewnêtrznej. Du¿e ziarno, maj¹ce wiêksz¹ powierzchniê przypadaj¹c¹ na jednostkê swej objêtoœci, z punktu widzenia termodynamiki jest bardziej trwa³e ni¿ ziarno drobne. Du¿e ziarna rozrastaj¹ siê kosztem ziarn drobnych, a¿ do zupe³nego zaniku. Rekrystalizacja wtór- na zachodzi w czasie wygrzewania po rekrystalizacji pierwotnej w temperaturach znacznie przewy¿szaj¹cych temperaturê rekrystalizacji. Polega ono na szybkim roz- roœcie niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych. Ziarna wtórne mog¹ w krótkim cza- sie osi¹gn¹æ bardzo du¿e wymiary, nawet wielkoœæ kilkuset mm2.

2.5. WielkoϾ ziarna po zgniocie i rekrystalizacji

Wielkoœæ ziarna po przeróbce plastycznej na zimno i nastêpnej rekrystalizacji zale- ¿y przede wszystkim od dwóch czynników, a to: stopnia zgniotu oraz temperatury wy¿arzania rekrystalizuj¹cego. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna po rekrystalizacji od stop- nia uprzedniego zgniotu przedstawia rys. 34.7 – widoczne jest, ¿e przy ma³ym stopniu

Rys. 34.6. Schemat przebiegu poligonizacji

a) b)

docsity.com

288

odkszta³cenia nie obserwuje siê ¿adnych zmian w œrednim rozmiarze ziarna.

Po osi¹gniêciu pewnego stopnia od- kszta³cenia, zwanego krytycznym stop- niem zgniotu, w wyniku rekrystalizacji powstaj¹ ziarna bardzo du¿ych rozmiarów. Dopiero dalsze podwy¿szanie stopnia zgniotu powoduje silne zmniejszanie siê ziarna po rekrystalizacji i to tym wiêksze, im wiêkszy by³ stopieñ odkszta³cenia pla- stycznego na zimno. Wielkoœæ krytyczne- go stopnia zgniotu jest niedu¿a i dla wiêk- szoœci metali waha siê w granicach 5-10%. Oprócz stopnia zgniotu na wielkoœæ ziar- na wp³ywa równie¿ temperatura rekrystalizacji. Czym wy¿sza temperatura rekrysta- lizacji, tym wiêksze otrzymuje siê ziarno, gdy¿ szybkoœæ rozrastania siê kryszta³ów roœnie ze wzrostem temperatury. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna od stopnia zgniotu i tem- peratury rekrystalizacji mo¿na przedstawiæ na modelu przestrzennym, jak to dla ¿ela- za podaje rys. 34.8.

stopieñ odkszta³cenia

w ie

lk o œ æ z

ia rn

a

Rys. 34.7 Zale¿noœæ wielkoœci ziarna po rekrystalizacji od uprzedniego stopnia agniotu

Rys. 34.8. Zale¿noœæ wielkoœci ziarna od stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji

400

5 10 15 20 30 50 75

500

600

700

800

900

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3800

4000

w ie

lk o œ æ z

ia rn

a ,

m m

2

stopieñ zgniotu, %

docsity.com

289

3. MATERIA£Y I URZ¥DZENIA

W celu przeprowadzenia przedmiotowego æwiczenia potrzebne s¹ nastêpuj¹ce materia³y i urz¹dzenia:

1. Wy¿arzone aluminiowe paski o wymiarach 150 x 10 x 0,3 w iloœci 6 sztuk. 2. Dwa odcinki drutu z mosi¹dzu CuZn30 o œrednicy 4mm i d³ugoœci 200 m, poddane

uprzednio 60% odkszta³ceniu drog¹ ci¹gnienia. 3. Rysik. 4. Suwmiarka. 5. Mikromierz. 6. Znacznik odleg³oœci. 7. Rêczna rozci¹garka. 8. Maszyna wytrzyma³oœciowa. 9. Piec Oporowy. 10. Lupa 5 x. 11. Odczynnik trawi¹cy (5% HF).

4. PRZEBIEG ÆWICZENIA

W ramach æwiczenia nale¿y:

1. Przygotowaæ paski aluminiowe do rozci¹gania, zaznaczaj¹c rysikiem w œrodku bazê pomiarow¹ o d³ugoœci l0 = mm.

2. Poddaæ rozci¹ganiu na rêcznej rozci¹garce poszczególne paski aluminiowe, wywo- ³uj¹c odkszta³cenie: 2; 3; 5; 8; 10% liczone wzglêdem d³ugoœci pomiarowej wg wzoru:

(3)

3. Poddaæ wy¿arzaniu odkszta³cone paski aluminiowe i jeden odcinek drutu w tempe- raturze 580°C przez okres 0,5 godziny.

4. Na drutach zaznaczyæ znacznikiem granice d³ugoœci pomiarowej oraz dzia³ki po- mocnicze.

5. Poddaæ rozci¹ganiu na maszynie wytrzyma³oœciowej drut wy¿arzony i nie wy¿arzo- ny, celem okreœlenia: a) wytrzyma³oœci na rozci¹ganie, b) wyd³u¿enia, c) przewê¿enia.

6. Poddaæ trawieniu wy¿arzone paski aluminium tak d³ugo, a¿ wyst¹pi¹ wyraŸne ziarna. 7. Okreœliæ iloœæ ziarn na powierzchni cm2 dla ka¿dego paska. 8. Obliczyæ wielkoœæ ziarna poszczególnych pasków.

docsity.com

290

5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA

Sprawozdanie winno zawieraæ:

1. Opis czynnoœci przy wykonywaniu æwiczenia. 2. Okreœlenie temperatury rekrystalizacji. 3. Wyniki badañ przedstawione w formie tabelarycznej. 4. Wykres wielkoœci ziarna od stopnia odkszta³cenia z zaznaczeniem zgniotu krytycz-

nego. 5. Wnioski.

6. LITERATURA

[1] Dobrzañski L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd. Pol. Œl., Gliwice 1953.

[2] Gulajew A.P.: Metaloznawstwo. „Œl¹sk”, Katowice 1967. [3] Katarzyzñski S., Kocañda S., Zakrzewski M.: Badanie w³asnoœci mechanicz-

nych metali. WNT, Warszawa 1967. [4] Przyby³owicz K.: Metaloznawstwo. Wydawnictwo NT, Warszawa 1992. [5] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1986. [6] Staub F.: Metaloznawstwo. Œl. Wyd. Techn., Katowice 1994. [7] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.

docsity.com

komentarze (0)
Brak komentarzy
Bądź autorem pierwszego komentarza!
To jest jedynie podgląd.
Zobacz i pobierz cały dokument.
Docsity is not optimized for the browser you're using. In order to have a better experience we suggest you to use Internet Explorer 9+, Chrome, Firefox or Safari! Download Google Chrome