2. WPAYW ODKSZTAACENIA PLASTYCZNEGO NA ZIMNO
NA ZMIAN WAASNOÅšCI MECHANICZNYCH METALI
2.1. Cel ćwiczenia
Zapoznanie się z możliwością trwałego odkształcenia metalu na zimno oraz z wpływem
tego odkształcenia na jego własności mechaniczne.
2.2. Wprowadzenie
Metale posiadają specyficzną cechę łatwego, trwałego odkształcania się na zimno i gorą-
co pod wpływem działania określonej wielkości siły, bez naruszenia ich wewnętrznej spójno-
ści. Dają się one zatem łatwo kuć, walcować, ciągnąć, tłoczyć, zginać itp. bez wywoływania
rys i pęknięć. Na skutek tej właściwości metali możemy z nich wyrabiać - za pomocą obróbki
plastycznej na zimno - blachy, druty, profile i inne elementy o złożonym kształcie. Przy od-
kształceniu metalu następują zmiany jego struktury, które wywołują zmianę jego własności
mechanicznych. Obróbka plastyczna na zimno stosowana jest głównie do wytwarzania cien-
kich blach i taśm poniżej 1 mm grubości, drutu, rur o grubości ścianki poniżej 2 mm itp. Po-
nadto obróbka taka stosowana jest dla podwyższenia wytrzymałości metalu i jego twardości.
Za pomocą tej obróbki uzyskuje się także wyroby, np.: rury i pręty o dużej dokładności wy-
miarowej.
2.2.1. Ogólne pojęcie zgniotu
Trwałe odkształcenie metali bez naruszania ich spójności nazywamy odkształceniem pla-
stycznym. W czasie odkształcenia plastycznego na zimno, to jest w temperaturze poniżej tzw.
rekrystalizacji zachodzą zmiany w budowie krystalicznej, które powodują zwiększenie wła-
sności wytrzymałościowych i obniżenie własności plastycznych. Całokształt zmian tych wła-
sności nosi nazwę zgniotu. Zjawisko zgniotu występuje jedynie trwale jako skutek przeróbki
plastycznej na zimno, gdyż podczas przeróbki plastycznej na gorąco zgniot zanika w bardzo
krótkim czasie. Dlatego na ogół pomija się jego krótkotrwałe występowanie i przyjmuje się,
że podczas przeróbki plastycznej na gorąco zgniot w ogóle nie występuje.
Wielkość zgniotu określa się za pomocą tzw. stopnia zgniotu. Stopień zgniotu jest to uby-
tek względny przekroju przyjmowany jako wskaznik liczbowego stanu zgniotu, wyrażający
całkowitą zmianę przekroju po wszystkich zabiegach obróbki plastycznej na zimno od ostat-
niej obróbki cieplnej lub plastycznej na gorąco, powodujących rekrystalizację.
S0 - S
z = Å"100% (2.1)
S0
gdzie: S0 - przekrój początkowy,
S - przekrój po obróbce.
81
2.2.2. Mechanizm odkształceń plastycznych
Zdolność metali do odkształceń plastycznych jest ściśle związana z ich krystaliczną
budową. Większość metali krystalizuje w układach: regularnym płaskocentrycznym A1,
regularnym przestrzennie centrycznym A2 i
heksogonalnym zwartym A3 (rys.2.1).
Odkształcenie plastyczne odbywa się po-
przez poślizg w płaszczyznie krystalograficz-
nej (rys.2.2) lub też poprzez blizniakowanie
(rys. 2.3).
Poślizg odbywa się w płaszczyznach krysta-
lograficznych - najgęściej obsadzonych atomami.
Ponieważ poszczególne płaszczyzny krystalogra-
ficzne obsadzone są różną ilością atomów, w
krysztale występuje niejednorodność własności
mechanicznych, badana w różnych kierunkach.
Niejednorodność tę nazywamy anizotropią Ani-
zotropia silnie uwidacznia siÄ™ w monokryszta-
łach. W technice stosowane są przeważnie metale
o budowie polikrystalicznej, w których na ogół
anizotropii nie obserwuje siÄ™. Ujawnia siÄ™ ona
jednak po przeróbce plastycznej. Odkształcenie
plastyczne powoduje wydłużenie poszczególnych
ziarn w kierunku płynięcia materiału (rys. 2.4).
Wydłużaniu się ziarn towarzyszy uporządkowa-
nie ich osi krystalograficznych, charakteryzujÄ…ce
się równoległością określonych płaszczyzn i kie-
Rys. 2.1. PÅ‚aszczyzny i kierunki po-
runków krystalograficznych poszczególnych
ślizgu w sieciach przestrzennych: a)
ziarn. Taka sieć o statystycznie uporządkowanych
regularnej, płaskocentrycznej A1, b)
kierunkach płaszczyzn krystalograficznych na-
regularnej przestrzennocentrycznej
zywana jest teksturą (rys. 2.5). Odkształcenie
A2, c) heksagonalnej A3
ziarn wywołuje zmianę własności mechanicznych
oraz powoduje niejednorodność własności w kierunku podłużnym i poprzecznym do kierun-
ku płynięcia materiału. Szczególnie silna zmiana własności mechanicznych występuje po
obróbce plastycznej na zimno.
Rys. 2.2. Odkształcenie plastyczne wskutek poślizgu: a) sieć kryształu nie odkształcone-
go, b) przemieszczenie na jednej płaszczyznie poślizgu, c) przemieszczenie w trzech sąsied-
nich płaszczyznach poślizgu
82
Poza poślizgiem metale mogą odkształcać się w sposób trwały za pomocą mechanizmu bliznia-
kowania. Mechanizm ten polega na przemieszczeniu bloku sieci krystalicznej wokół płaszczyzny
symetrii w położenie, w którym atomy przemieszczonego kryształu są lustrzanym odbiciem atomów
w części nieodkształconej (rys. 2.3). Blizniakowanie występuje w tych metalach, których sieć krysta-
liczna ma małą liczbę płaszczyzn łatwego poślizgu, np. w metalach o sieci heksagonalnej. Wielkość
przemieszczenia przy blizniakowaniu jest proporcjonalna do odległości tych warstw od płaszczyzny
blizniakowania. Ponieważ przesunięcie to nie może przyjmować znacznych wartości, trwałe odkształ-
cenie plastyczne metali zachodzi poprzez poślizg.
Rys. 2.3. Schemat odkształceń plastycznych w krysztale metalu przez tworzenie kryszta-
łów blizniaczych: a) sieć kryształu nie odkształconego, b) stan przejściowy, c) stan końcowy
Rys. 2.4. Schemat zmiany struktury pod wpływem wzrastającego zgniotu w metalu poli-
krystalicznym: a) struktura w stanie wyżarzonym, b,c) po różnym stopniu zgniotu
Ze wzrostem odkształcenia plastycznego, określonego przez stopień zgniotu, ulegają
zmianie własności mechaniczne metalu. Zmiana tych własności nosi ogólną nazwę umocnie-
nia, gdyż wzrastają wówczas: wytrzymałość na rozciąganie Rm, granica plastyczności Re oraz
twardość HB. Maleje natomiast udarność KC oraz zanika zdolność do odkształceń plastycz-
nych, co wyraża się spadkiem wydłużenia A i przewężenia Z (rys. 2.6a i 2.6b). Oprócz zmian
własności mechanicznych, zgniot wywołuje zmianę niektórych własności fizycznych, np.
przewodności elektrycznej, gęstości itp.
Umocnienie polega na tym, że odkształcenie plastyczne zwiększa liczbę defektów w sie-
ci, a w miarę jego postępowania powoduje coraz silniejsze blokowanie deformacji; aby je
dalej kontynuować, trzeba stosować większe obciążenia. Jasne to jest, jeżeli pamiętamy o
przeszkodach, na jakie napotykają dyslokacje w swoim ruchu. Zjawisko umocnienia występu-
je zarówno w mono - jak i w polikryształach i zależy zarówno od szybkości odkształcenia, jak
i od temperatury. W przypadku polikryształu wzmocnienie przebiega zawsze wyrazniej, gdyż
dodatkowo dochodzi element przeszkody dla ruchu dyslokacji w postaci granic ziarn.
83
Rys. 2.5. Tekstura metalu po zgniocie: a) układ kryształów w stanie wyżarzonym, b) tek-
stura po zgniocie (ukierunkowane osie krystalograficzne w kierunku płynięcia metalu)
Rys. 2.6. Zmiana kształtu krzywych rozciągania dla próbek z różnym stopniem zgniotu
(a) oraz zmiana własności czystego żelaza w zależności od stopnia zgniotu (b)
2.2.3. Plastyczność i spójność metali przy jednoosiowym rozciąganiu
Przebieg procesu technologicznego wytwarzania wyrobu w procesach obróbki plastycz-
nej ma istotny wpływ na końcowe własności mechaniczne materiału które można sprawdzić
w próbie rozciągania. Ten sam materiał poddany różnym zabiegom technologicznym ma
zupełnie inne końcowe własności mechaniczne
Statyczna próba rozciągania jest podstawową próbą w badaniach materiałów a zwłasz-
cza metali. Wyznaczone przy pomocy tej próby własności mechaniczne umożliwiają odbiór
techniczny metali i stopów i pozwalają ocenić skuteczność przeprowadzanych procesów
technologicznych.
Próbki do próby rozciągania w zależności od kształtu i wymiarów materiału wyjściowe-
go pobiera się zgodnie z wymaganiami odpowiednich norm. Kształt i podstawowe wymiary
próbki do rozciągania przedstawia rys. 2.7.
84
Rys. 2.7. Próbka o przekroju okrągłym stosowana w próbie rozciągania
Przy rozciągania próbek rejestruje się siłę oraz wydłużenie próbki, czyli wykreśla się
krzywoliniową zależność w układzie współrzędnych siła - wydłużenie F("l) (rys.2.8). Jak
wynika z powyższych rysunków, przebieg odkształcenia metali w czasie rozciągania może
się odbywać, w zależności od rodzaju metalu, z wykazaniem wyraznej granicy plastyczności
(rys. 2.8 a) oraz bez wyraznej granicy plastyczności (rys. 2.8 b).
Rys. 2.8. Wykresy rozciągania stali z wyrazną granicą plastyczności (a) i bez wyraznej
granicy plastyczności (b)
Na podstawie próby rozciągania można określić dwie grupy własności mechanicznych
własności wytrzymałościowe, których miernikiem jest naprężenie i własności plastyczne
określane przez zmianę wymiarów odkształcanej próbki.
Własności wytrzymałościowe:
a) górna granica plastyczności ReH wartość naprężenia przy pierwszym spadku siły FeH
odniesionej do przekroju początkowego próbki S0:
FeH
ReH = (2.2)
S0
b) dolna granica plastyczności ReL najmniejsze naprężenie podczas płynięcia:
FeL
ReL = (2.3)
S0
85
Górną i dolną granicę plastyczności można wyznaczyć jedynie gdy na wykresie rozciągania jest
wyrazny wzrost wydłużenia próbki przy ustalonej lub nieco zmniejszonej sile rozciągania.
c) naprężenie graniczne przy przyroście nieproporcjonalnym Rp naprężenie określone
przy przyroście nieproporcjonalnym tzn. braku cech wyraznej granicy plastyczności,
równym umownemu procentowi długości pomiarowej np. 0,2 % (rys. 2.9) określanej do
tej pory jako umowna granica plastyczności R0,2:
Fp0,2
Rp0,2 = (2.4)
S0
Rys. 2.9. Naprężenie graniczne przy przyroście nieproporcjonalnym Rp
d) wytrzymałość na rozciąganie Rm naprężenie odpowiadające największej sile Fm od-
niesionej do przekroju początkowego próbki S0:
Fm
Rm = (2.5)
S0
e) naprężenie rozrywające Ru - naprężenie w momencie gdy próbka pęka odniesione do
najmniejszego pola przekroju próbki Su po rozerwaniu:
Fu
Ru = (2.6)
Su
Jednostką własności wytrzymałościowych jest 1 MPa = 1 N/mm2.
86
Własności plastyczne:
a) wydłużenie procentowe po rozerwaniu A trwałe wydłużenie długości pomiarowej po
rozerwaniu (Lu L0) wyrażone w procentach początkowej długości pomiarowej L0
Lu - L0
A = Å"100 (2.7)
L0
Początkowa długość pomiarowa próbki związana jest z początkową powierzchnią prze-
kroju poprzecznego S0 i określana na podstawie równania
L0 = k S0 (2.8)
gdzie k = 5,65 odpowiada długości pomiarowej L0 = 5d w wypadku próbek o przekroju
okrągłym.
b) przewężenie procentowe przekroju Z największa zmiana przekroju poprzecznego która
następuje podczas próby (S0 Su), wyrażona w procentach początkowej powierzchni
przekroju poprzecznego S0
S0 - Su
(2.9)
Z = Å"100
S0
Przy rozciąganiu jednoosiowym gładkich próbek, mierząc naprężenie à oraz odkształce-
nie µ, otrzymujemy wykres rozciÄ…gania (rys. 2.10). Na wykresie przedstawione sÄ… dwie krzy-
we - naprężeÅ„ rzeczywistych Ãpl uplastyczniajÄ…cych, wyznaczonych ze stosunku siÅ‚y
rozciÄ…gania F do chwilowego rzeczywistego przekroju próbki S oraz naprężeÅ„ umownych Ã
(w rzeczywistości nieistniejących), jako stosunek siły rozciągającej F do początkowego
przekroju próbki S0. Naprężenia umowne charakteryzują własności wytrzymałościowe metali
z dokładnością wystarczającą dla potrzeb budowy maszyn i konstrukcji metalowych.
Rys. 2.10. Wykres naprężeń i odkształceń umownych (krzywa1) i rzeczywistych (krzy-
wa2) rozciągania próbek: a) materiał posiadający wyrazną granicę plastyczności, b) nie po-
siadający wyraznej granicy plastyczności
87
Przy rozciąganiu próbki do chwili osiągnięcia granicy plastyczności (ściślej do granicy
sprężystości) w próbce zachodzą wyłącznie odkształcenia sprężyste. Wszystkie stany naprę-
żeń i odkształceń w tym obszarze, zarówno przy wzroście jak i przy obniżaniu naprężeń,
przebiegajÄ… wg. prostej 0A. Po przekroczeniu naprężenia ÃA (granicy sprężystoÅ›ci) w metalu
pojawiają się obok odkształceń sprężystych odkształcenia plastyczne. Wielkość odkształce-
nia sprężystego i plastycznego dla punktu B pokazuje rys. 2.10.
Przy odciążaniu próbki ze stanu naprężenia B, kolejne stany naprężenia i odkształcenia
będą przebiegały wg prostej 01B, równoległej do prostej 0A. Po całkowitym usunięciu obcią-
żenia pozostaje trwaÅ‚e odksztaÅ‚cenie µpl. Przy ponownym obciążaniu próbki naprężenie -
odkształcenie będzie przebiegało wg. prostej 01B aż do punktu B. Dopiero po osiągnięciu
tego punktu dalsze rozciąganie powoduje odkształcenie plastyczne.
Zjawisko wzrostu naprężenia uplastyczniającego po uprzednim odkształceniu plastycz-
nym nazywamy umocnieniem, nastąpił bowiem tu wzrost granicy plastyczności z wartości
Ãpl0 do Ãpl B. Przy dalszym rozciÄ…ganiu w pewnym momencie na próbce zaczyna tworzyć siÄ™
przewężenie (szyjka). W tym momencie siła obciążająca zaczyna maleć. Zjawisko tworzenia
się szyjki nazywane jest utratą stateczności. Po przekroczeniu naprężenia à następuje
plZ
rozerwanie próbki.
Część krzywej powyżej Ãpl0 nazywamy krzywÄ… umocnienia. KrzywÄ… tÄ™ można przed-
stawić wyrażeniem:
Ãpl = Ã o µ n (2.10)
gdzie: Ã0 - staÅ‚a materiaÅ‚owa,
µ - odksztaÅ‚cenie logarytmiczne,
n - współczynnik wzmocnienia zawarty zwykle w granicach 0,1 do 0,3,
Ãpl - jest zależne od wielkoÅ›ci ziarna, wpÅ‚yw wielkoÅ›ci ziarna na naprężenie
uplastyczniające przedstawia zależność Halla - Petcha.
1
-
à = à + dz 2 . k (2.11)
pl o y
gdzie: dz - średnia średnica ziarna,
ky i Ã0 - wielkoÅ›ci staÅ‚e dla danego materiaÅ‚u w okreÅ›lonej temperaturze i
przy określonej szybkości odkształcenia.
2.3. Pomoce i urzÄ…dzenia
" ciÄ…garka,
" maszyna wytrzymałościowa,
" ciągadła,
" pręt do ciągnienia.
2.4. Przebieg ćwiczenia
Do badań wpływu odkształcenia plastycznego na zimno na własności mechaniczne meta-
li zastosujemy drut stalowy w stanie wyżarzonym. Najpierw określamy krzywą rozciągania
dla próbek z drutu w stanie wyżarzonym, określamy Re, Rm, A i Z. Następnie inne próbki wy-
żarzonego drutu przeciągamy na ciągarce stosując różne średnice oczka ciągadła tak, aby
88
uzyskać różne stopnie zgniotu. Następnie z drutu pobieramy próbki do badań twardości i
wytrzymałości. Próbki z drutu po różnym stopniu zgniotu rozciągamy na maszynie wytrzy-
małościowej i określamy podstawowe parametry Re i Rm oraz A, podobnie jak dla próbki
wyżarzonej. Wyniki wpisujemy do tablicy. Na podstawie danych z tablicy 2.1 rysujemy
wykres zależności Re, Rm, A i Z od stopnia zgniotu. Dla narysowania wykresu należy zbadać
minimum cztery próbki o różnym stopniu zgniotu. Na wyciętych próbkach twardość
mierzymy na powierzchni czołowej w różnej odległości od powierzchni, na podstawie
wyników badań robimy wykres.
2.5. Sprawozdanie
W sprawozdaniu zamieścić wyniki pomiarów i obliczeń (tablica 2.1 i 2.2) oraz wykresy
zależności Rm, Re, A, Z od stopnia zgniotu z i HV od odległości od powierzchni drutu
Tablica 2.1.
Wyniki badań
Nr z Re Rm A Z Uwagi
próbki % MPa MPa % %
Tablica 2.2.
Rozkład twardości na średnicy przeciąganego drutu
HB
Stopień zgniotu odległość od zewnętrznej po-
z% wierzchni drutu
Literatura
[23,24,26,25,28,29, 31,32,33,34,35,37,38,40,41]
89
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
1 12f ZGRZEWANIE ZGNIOTOWEid?71Zgniot i rekrystalizacjazgniot i rekrystalizacja1086 Zgniotek cynobrodywięcej podobnych podstron