Kształtowanie struktury i właściwości materiałów metalowych metodami technologicznymi, Prezentacje z Materials Physics

Pobierz Kształtowanie struktury i właściwości materiałów metalowych metodami technologicznymi i więcej Prezentacje w PDF z Materials Physics tylko na Docsity! Kształtowanie struktury i właściwości materiałów metalowych metodami technologicznymi 1. Odlewanie 2. Obróbka plastyczna 3. Obróbka cieplna 1. ODLEWANIE METALI Odlewanie polega na wlaniu ciekłego metalu lub stopu do formy, która ma kształt gotowego wyrobu lub półwyrobu. W ten sposób otrzymuje się gotowe wyroby – odlewy lub półwyroby – wlewki. Wlewki są następnie obrabiane plastycznie. Klasyczne metody odlewania: · W formach piaskowych (ceramicznych) · W formach metalowych Przedmioty wykonane wyłącznie na drodze odlewania są najtańsze, lecz mają więcej wad i gorsze właściwości mechaniczne niż przedmioty wytworzone innymi metodami. Przykłady elementów odlewanych: klocki hamulcowe, pierścienie tłokowe, cylindry silników, korpusy maszyn, duże panewki, pomniki. •Krystalizacja przebiega przez zarodkowanie i wzrost zarodków krystalizacji •Zarodki krystalizacji – zespoły bliskiego uporządkowania w fazie ciekłej o wielkości większej od krytycznej, do których przyłączają się kolejno następne atomy •Szybkość krystalizacji zależy od: –szybkości zarodkowania, tj. liczby zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy –liniowej szybkości krystalizacji, tj. szybkości przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu PRZECHŁODZENIE, AT | z Zależność szybkości zarodkowania i liniowej szybkości krystalizacji od przechłodzenia cieczy metalicznej (według G. Tammanna) • Przy nieznacznym przechłodzeniu (małej szybkości chłodzenia) metal ma strukturę gruboziarnistą • Ze zwiększeniem szybkości przechłodzenia liniowa szybkość krystalizacji wzrasta wolniej od szybkości zarodkowania, metal ma strukturę drobnoziarnistą • Maksimum szybkości zarodkowania odpowiada większemu przechłodzeniu niż maksimum liniowej szybkości krystalizacji, a więc metal osiąga w tym zakresie najmniejszą wielkość ziarna • Przy bardzo dużych szybkościach chłodzenia szybkość zarodkowania i liniowa szybkość krystalizacji są równe zeru i metal posiada amorficzną strukturę szkła. Schemat dendrytu Dendrytyczna budowa czystego metalu Kierunek wzrostu dendrytów i ich rozgałęzień jest zwykle zgodny z kierunkami najgęściej obsadzonymi atomami w tworzących się kryształach, np. w sieci RPC A2 jest to kierunek <111> Krystalizacja stopów metali o strukturze roztworów stałych • W porównaniu z czystymi metalami warunki krystalizacji stopów różnią się, głównie stężeniami faz ciekłej i stałej w strefie frontu krystalizacji • Może mieć miejsce wzrost komórkowy i dendrytyczny • Szybkość wzrostu dendrytycznego w przypadku stopów jest mniejsza niż w czystych metalach, gdyż wzrastające stężenie składnika rozpuszczonego w cieczy powoduje obniżenie temperatury równowagi, co zmniejsza przechłodzenie decydujące o wzroście kryształów Materiał plastyczny poddany wzrastającemu obciążeniu na zimno przechodzi przez następujące stadia: • odkształcenie sprężyste (odwracalne) • odkształcenie plastyczne (nieodwracalne) • zerwanie (dekohezja) a) τ τ θ1 τ τ γ θ2 τ τ ττ b) τ τ Odkształcenie może realizować się poprzez wydłużenie (a) lub ścięcie (b). Odkształcenie sprężyste jest to takie 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. 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. Poślizg polega na równoległym przesunięciu jednej części kryształu względem drugiej. Schemat odkształcenia plastycznego monokryształu przez poślizg 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. Odkształcenie plastyczne na zimno realizuje poprzez poślizg dyslokacji. pasmo poślizgu — 100 średnic linia poślizgu — 100 atomowych średnic atomowych Rysunek 4.22 Schemat linii i pasm poślizgu na powierzchni kryształu odksztatconego płastycznie (według S$. Kalpakjiana) Po wyczerpaniu możliwości poślizgu 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 (Fea, Mo, W), w których naprężenia krytyczne poślizgu są większe ze względu na brak płaszczyzn tak gęsto upakownych atomami, jak w RSC (Cu, Al, Ni). 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 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. •Górna granica plastyczności σg (Reg) wywołana odrywaniem dyslokacji od atmosfer atomów obcych •Dolna granica plastyczności σd (Red) – zależna od wielkości ziarna, zgodnie z równaniem Halla-Petcha Red = σ0 + kd(-1/2) d – wielkość ziarna, k – stała, σ0 - naprężenie tarcia sieci Odkształcenie plastyczne metalu powoduje zmiany: •kształtu i wymiarów elementu, •mikrostruktury, •stanu naprężeń, •właściwości. Całokształt zmian określa się mianem zgniotu. Struktura włóknista - wydłużone ziarna, ułożone w jednym kierunku Tekstura zgniotu – uprzywilejowana orientacja krystalograficzna ziaren względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej, decydująca o anizotropii właściwości mechanicznych i fizycznych metali obrobionych plastycznie na zimno (różnicy właściwości w zależności od kierunku) a) b)50 µm 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) Zmiany właściwości fizycznych i chemicznych metali wywołanych odkształceniem plastycznym: spadek przewodności elektrycznej, przenikalności i podatności magnetycznej wzrost histerezy magnetycznej spadek odporności na korozję Gniot na zimno powoduje powstanie naprężeń: I rodzaju - submikroskopowych, występujących wewnątrz ziaren, spowodowanych odkształceniami wewnątrz 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, ponieważ mogą powodować niepożądane odkształcenia wyrobu, a nawet pękanie oraz przyczyniają się do obniżenia odporności na korozję wyrobu. 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. Przegrupowania dyslokacji: a) tworzenie ścianek poligonalnych, b) łączenie się ścianek, c) zanik ścianek przez wspinanie dyslokacji (1-3 kolejne stadia) a) 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. (b) Układ dyslokacji utworzony przez poślizgi w wielu systemach prowadzi do powstania subziaren o dużym stopniu dezorientacji, stanowiących zarodki rekrystalizacji. Zdrowienie powoduje wyzwolenie całości (a) lub części (b) energii zmagazynowanej, zanik całkowity lub częściowy naprężeń i zmiany właściwości materiału przeciwne wywołanym odkształceniem – całkowite przy braku rekrystalizacji lub małe przy dalszej rekrystalizacji. Rekrystalizacja – procesy zachodzące w uprzednio odkształconym metalu, związane z migracją szerokokątowych granic ziaren. Szybkość rekrystalizacji jest tym większa, im wyższa jest temperatura i stopień gniotu. Rodzaje rekrystalizacji: pierwotna równomierna wtórna Rekrystalizacja równomierna – po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej, polega na wzroście wielkości ziaren. Rekrystalizacja wtórna – po zakończeniu rekrystalizacji pierwotnej w wysokich temperaturach, polega na szczególnie silnym wzroście niektórych ziaren, co prowadzi do bardzo dużego zróżnicowania wielkości ziaren 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. Temperatura rekrystalizacji TR zależy w pewnym stopniu od temperatury topnienia TT, co wyraża empiryczna zależność Boczwara: TR = (0,35÷0,60)TT [K] Wpływ stopnia odkształcenia na temperaturę rekrystalizacji i wielkość ziarna po rekrystalizacji Al 99,99% (wygrzewanie 1 godzina). 1 – temperatura rekrystalizacji, 2 – wielkość ziarna 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 Kształtowanie zaworu silnika samochodowego: A - surowy pręt, B – trzonek (wyciąganie na gorąco), C – głowa (spęczanie na gorąco), D – obróbka końcowa (skrawanie) Obróbka plastyczna na zimno Temperatura procesu jest niższa od temperatury rekrystalizacji Umocnienie materiału. Przykład blachy stalowej walcowanej na zimno: Stan Rm Półtwardy (Z = 25 %) 500 N/mm2 Twardy (Z = 50 %) 650 N/mm2 Wyżarzony 300 N/mm2 Metody: walcowanie, kucie, wyciąganie, spęczanie, gięcie Wyroby: taśmy, blachy i pręty o dokładnym wykończeniu powierzchni i podwyższonej wytrzymałości Obróbka cieplna zwykła: zmiany właściwości metali osiąga się głównie przez zmiany temperatury w czasie procesu. Obejmuje ona operacje wyżarzania, hartowania, odpuszczania, przesycania, starzenia. 1 'vuNnivuaduaL Zabiegi obróbki cieplnej  CZAS NAGRZEWANIA (min) o 40 BO ŚREDNICA PRZEDMIOTU (mm) Rysunek 4.72 Zależność czasu nagrzewania od temperatury grzania i średnicy wsadu w piecach a) elektrycznym, b) gazowym muflowym, ©) elektrodowym solnym, d) elektrycznym wgłębnym o wymuszonym obiegu powietrza (według O. Pattermana) 3200 c 8 2800 3 2400 2000 | zi 1600 zh | 8 1200 8 CHŁODZENIA W OŚRODKU (*C/s) [ej ao 8 8 200 800 100 400 0 0 800 700 600 500 400 300 200 100 TEMPERATURA ŚRODKA PRÓBKI ('C) Rysunek 4.74 Zdolność chłodząca: a) wody spokojnej, b) wody z cyrkulacją, c) 15% wodnego roztworu NaCI, d) oleju hartowniczego OH-70 świeżego, e) oleju hartowniczego OH-70 eksploatowanego przez 7 miesięcy, 0) emulsji wodno-olejowej zawierającej 10% oleju Obróbka cieplno-chemiczna: zabieg cieplny lub zespół zabiegów prowadzonych dla uzyskania zmiany składu chemicznego i struktury, a przez to właściwości warstwy wierzchniej stopu w wyniku oddziaływania chemicznego środowiska i temperatury. Oprócz przekazywania ciepła, ma miejsce transport masy Cel obróbki: wytworzenie warstw wierzchnich o zwiększonej odporności na ścieranie, zmęczenie, korozyjne działanie środowiska Najczęściej stosowane zabiegi obróbki cieplno-chemicznej: nawęglanie, azotowanie, węgloazotowanie i azotonawęglanie, krzemowanie, metalizowanie dyfuzyjne (aluminiowanie, chromowanie, cynkowanie itp.) Procesy składowe transportu masy w obróbce cieplno- chemicznej 1. Reakcje w ośrodku nasycającym, związane z utworzeniem aktywnych wolnych atomów składnika nasycającego, np. CH4 ⇔ 2H2 + C 2. Dyfuzja w ośrodku nasycającym, m.in. dopływ atomów składnika nasycającego do powierzchni metalu 3. Adsorpcja, czyli osadzanie wolnych atomów składnika nasycającego na granicy fazy stałej w postaci warstewki o grubości jednego atomu 4. Dyfuzja – aktywowany cieplnie proces zachodzący wskutek ruchu atomów w sieci przestrzennej metalu w kierunku wyrównania stężenia składników. Warunkiem przebiegu dyfuzji jest rozpuszczalność w stanie stałym pierwiastka nasycającego w osnowie metalicznej obrabianego materiału. Dyfuzję opisują prawa Ficka. Prawa Ficka opisujące dyfuzję Pierwsze prawo Ficka opisuje szybkość dyfuzji J (strumień atomów, tj. ilość atomów składnika nasycającego na jednostkę powierzchni i czasu [1/cm2s]) J = - D · dc/dx; D = D0 · exp(-Q/RT) D – współczynnik dyfuzji [cm2/s], c- stężenie [1/cm3], x – odległość [cm], dc/dx – gradient stężenia pierwiastka dyfundującego, Q – energia aktywacji dyfuzji, R - stała gazowa 8,314 J/mol · K (stała fizyczna równa pracy wykonanej przez 1 mol gazu doskonałego podgrzewanego o 1 kelwin (stopień Celsjusza) podczas przemiany izobarycznej), D0 – stała zależna od struktury krystalicznej metalu, T – temperatura w skali bezwzględnej c x ∆ x ∆ c Drugie prawo Ficka opisuje przebieg dyfuzji w czasie dc/dτ = d/dx (D · dc/dx) τ - czas procesu Drogi dyfuzji: 1. Wzdłuż powierzchni – najłatwiej 2. Wzdłuż granic ziaren – trudniej 3. Wewnątrz ziaren – najtrudniej Pierwiastek dyfundujący Metal 1 23