282
Ćwiczenie 34
ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie wpływu nagrzewania na zmianę własnoSci mecha-
nicznych i strukturę metalu poddanego uprzednio odkształceniu plastycznemu na zimno.
2. WIADOMORCI PODSTAWOWE
Metale jako ciała plastyczne ulegają pod działaniem sił zewnętrznych odkształce-
niu, które polega na zmianie ich wymiarów, kształtu i objętoSci, nie ulegając przy tym
zniszczeniu.
Rozróżniamy odkształcenia sprężyste i plastyczne.
2.1. Odkształcenia sprężyste
Odkształcenia sprężyste są to odkształcenia przemijające, które zanikają po odcią-
żeniu; odkształcony element metalowy powraca do swego pierwotnego kształtu i wy-
miarów. Pod wpływem przyłożonego obciążenia następuje zmiana odstępów pomię-
dzy atomami w sieci krystalicznej; w przypadku działania sił rozciągających, komórki
sieciowe wydłużają się w kierunku działania tych sił, zaS w przypadku działania sił
Sciskających, nieznacznie się skracają. W wyniku wzajemnego oddziaływania pomię-
dzy wysuniętymi ze swych położeń równowagi atomami powstają wewnątrz odkształ-
conego materiału siły wewnętrzne, które dążą do przywrócenia stanu równowagi i pod
wpływem tych sił element metalowy po odciążeniu powraca do swego pierwotnego
kształtu.
2.2. Odkształcenia plastyczne
Obciążenie metalu powyżej granicy sprężystoSci powoduje odkształcenie plastyczne,
tj. odkształcenie trwałe; odciążony element metalowy wykazuje trwałą zmianę kształtu.
Odkształcenie plastyczne zachodzi w drodze poSlizgu oraz blixniakowania.
Odkształcenie przez poSlizg polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych
następują przesunięcia względem siebie częSci kryształu wzdłuż okreSlonych płasz-
czyzn krystalograficznych, które noszą nazwę płaszczyzn łatwego poSlizgu. Wzajem-
ne przesuwanie się warstw kryształu względem siebie powoduje pewne zniekształcenia
Opracował: Stanisław Rudnik
283
sieci krystalicznej w sąsiedztwie płaszczy-
zny poSlizgu, co wpływa hamująco na ruch
poSlizgowy tak, że przerzuca się on na drugą
z kolei płaszczyznę o tej samej orientacji
krystalograficznej. Na tej drodze tworzą się
stopniowo nowe płaszczyzny poSlizgu, od-
ą
ą+
dzielone nie odkształconymi warstwami
krystalograficznymi. GruboSć tych warstw,
czyli odległoSć pomiędzy płaszczyznami po-
"L
Slizgowymi jest rzędu 10-4cm. Mechanizm
powstawania poSlizgów w monokrysztale
przedstawiono na rys. 34.1.
Płaszczyznami łatwego poSlizgu, w któ-
rych metal stawia najmniejszy opór od-
Rys. 34.1. PoSlizgi w monokrysztale cynku
kształceniu, są płaszczyzny z najgęstszym
ułożeniem atomów. Płaszczyzny łatwych
poSlizgów w układach krystalograficznych typu A1, A2 oraz A3 przedstawia rys. 34.2.
Jak widać, najmniej płaszczyzn i kierunków łatwego poSlizgu występuje w układzie
heksagonalnym A3, toteż metale krystalizujące w tym układzie, jak np. magnez i cynk
odznaczają się mniejszą plastycznoScią, zaS największą w układzie regularnym A1.
Rys. 34.2. Płaszczyzny łatwego poSlizgu
Przedstawiony wyżej mechanizm odkształcenia plastycznego nie jest Scisły; w rze-
czywistoSci poSlizg przy odkształceniu plastycznym jest procesem przemieszczania
się dyslokacji, jak to schematycznie przedstawiono na rys. 34.3.
O ile na kryształ o idealnej sieci krystalicznej działa siła zewnętrzna P, to początko-
wo wystąpią przesunięcia sprężyste atomów w pionowych rzędach 1, 2 oraz 3 nad
płaszczyzną poSlizgu A A (rys. 34.3a). Przy dalszym wzroScie siły P drugi rząd ato-
mów wytworzy ekstra-płaszczyznę, tj. powstanie dyslokacja (rys. 34.3b); teraz wy-
starczy przyłożyć niedużą siłę zewnętrzną, ażeby spowodować przesuwanie się po-
szczególnych pionowych rzędów atomów nad płaszczyznę poSlizgu A A. Przesunięcia
284
a/ b/ c/ d/
PP P P
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
A A A A A A A A
1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6
Rys. 34.3. Dyslokacyjny schemat przebiegu poSlizgu
te jednorazowo nie są większe niż jedna odległoSć międzyatomowa (rys. 34.3c). W ten
sposób dyslokacja będzie się przenosiła na dalsze rzędy atomów (4, 5 itd.), jak gdyby
pewnego rodzaju sztafeta, wychodząc w końcu na powierzchnię kryształu (rys. 34.3d).
W ten sposób na powierzchni kryształu wytworzy się uskok o wielkoSci jednej stałej
sieciowej, a dyslokacja zanika. Końcowym wynikiem opisanego wyżej ruchu dyslo-
kacji jest przesunięcie częSci kryształu wzdłuż płaszczyzny poSlizgu o jedną odległoSć
międzyatomową. Według tego mechanizmu odkształcenia do wytworzenia dyslokacji
niezbędna jest jedynie dosyć duża siła początkowa P. O ile dyslokacja już powstała to
do wywołania odkształcenia potrzebne są znacznie mniejsze siły.
/ / /
P
C
D
C
D
P
Rys. 34.4. Odkształcenia w drodze blixniakowania
Odkształcenie plastyczne może zachodzić także w drodze blixniakowania. Tego ro-
dzaju odkształcenie zachodzi szczególnie łatwo u metali krystalizujących w układzie re-
gularnym płaskocentrycznym A1 i heksagonalnym zwartym A3, jak: miedx, cynk, złoto.
Tworzenie się kryształów blixniaczych polega na tym, że częSć kryształu przyjmuje poło-
żenie będące zwierciadlanym odbiciem pozostałej częSci kryształu, jak to przedstawia
rys. 34.4. Przesunięcie poszczególnych warstw atomowych jest proporcjonalne do ich
odległoSci od płaszczyzny blixniaczej.
285
Przebieg odkształcenia ciała polikrystalicznego, jakim są metale, jest bardziej zło-
żony. Sąsiedztwo ziarn o różnej orientacji krystalicznej, jak również występowanie
zanieczyszczeń na ich granicach wpływa hamująco na przebieg poSlizgów w poszcze-
gólnych ziarnach.
2.3. Umocnienie
Zmiany, które zachodzą w strukturze i własnoSciach metali pod wpływem odkształ-
cenia plastycznego na zimno obejmuje się pojęciem zgniotu. Za miarę zgniotu przyjęto
stopień odkształcenia, wyrażony ubytkiem przekroju w procentach w oparciu o wzór:
(1)
gdzie: z stopień zgniotu w procentach,
F0 powierzchnia przekroju przed odkształceniem,
F1 powierzchnia przekroju po odkształceniu.
W czasie odkształcenia plastycznego następuje stopniowe zahamowanie ruchów
poSlizgowych w płaszczyznach poSlizgu, skutkiem czego opór przeciwko odkształceniu
stopniowo wzrasta. Aby je dalej kontynuować trzeba stosować coraz to większe siły.
Zjawisko to związane jest ze wzrostem iloSci dyslokacji, utrudnionym przejSciem dys-
lokacji przez przeszkody oraz wzrostem wewnętrznego stanu naprężenia wywołane-
go przez wzajemne oddziaływanie ziarn. Zachodzi ono w monokryształach, jak i w cia-
łach polikrystalicznych, przy czym w tym ostatnim przypadku należy jeszcze uwzględnić
wpływ granic ziarn. W wyniku umocnienia, własnoSci wytrzymałoSciowe metali wzra-
stają, natomiast własnoSci plastyczne ulegają obniżeniu; zmieniają się także własnoSci
fizyczne i chemiczne metalu.
2.4. Wpływ nagrzewania
na strukturę i własnoSci odkształconego metalu
Odkształcony plastycznie na zimno metal znajdować się będzie w stanie równo-
wagi nietrwałej. Dla większoSci metali stan ten może utrzymywać się w normalnych
temperaturach dowolnie długu bez żadnych zmian, gdyż ruchliwoSć atomów będzie
zbyt mała, aby usunąć naprężenia panujące w sieci przestrzennej i przywrócić jej
prawidłową budowę. Dopiero po nagrzaniu, w związku ze zwiększoną ruchliwoScią
atomów, skutki zgniotu zostają usunięte i metal odzyskuje prawidłową strukturę kry-
staliczną i odpowiednie własnoSci, jak to przedstawiono na rys. 34.5.
286
g st ć
r e i sz z t e
trz ł ć
l st z ć
iel ć
zre r st liz zi r
re r st - re r st -
liz liz
zdr ie ie r zr st zi r
ier t t r
te er t r rz i
Rys. 34.5. Wpływ nagrzewania na strukturę i własnoSci zgniecionego metalu
CałoSć zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu można
podzielić na następujące etapy:
1) zdrowienie,
2) poligonizacja,
3) rekrystalizacja pierwotna,
4) rozrost ziarn,
5) rekrystalizacja wtórna.
Przy nagrzewaniu metalu do niewysokich temperatur następuje jedynie częSciowe
usunięcie naprężeń sieci krystalicznej zgniecionego metalu, który to proces nazywa-
my zdrowieniem.
W mikrostrukturze metalu w czasie zdrowienia nie zachodzą żadne zmiany. Wła-
snoSci mechaniczne zmieniają się w tym okresie bardzo nieznacznie; większym zmia-
nom podlegają niektóre własnoSci fizyczne (przewodnictwo elektryczne) oraz che-
miczne (odpornoSć na korozję). Przy nieco wyższych temperaturach następuje proces
poligonizacji. Dyslokacje, które w zgniecionym metalu rozmieszczone są w sposób
nieuporządkowany, jak to przedstawia rys. 34.6a, przemieszczają się wzdłuż płasz-
czyzn łatwego poSlizgu, grupując się w rzędach, jak to widać na rys. 34.6b. Proces ten
prowadzi do powstania granic subziarn (bloków), tj. obszarów o nieznacznie różniącej
s
g t ć
ł
i
z t e
st
ć
trz
ć,
r e e sz ,
l z
r
iel ć
zi
287
Rys. 34.6. Schemat przebiegu poligonizacji
się orientacji krystalograficznej. W ten sposób ziarna zgniecionego metalu rozpadają
się na szereg subziarn skręconych względem siebie o niewielkie kąty paru minut.
Pełne usunięcie naprężeń istniejących w sieci przestrzennej i przywrócenie zgnie-
cionemu metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz odpowiednich własnoSci
następuje dopiero po nagrzaniu go powyżej okreSlonej temperatury, zwanej tempera-
turą rekrystalizacji. W tej temperaturze, w miejsce odkształconych ziarn krystalicz-
nych z zaburzoną siecią przestrzenną, powstają nowe ziarna krystaliczne o prawidło-
wej strukturze sieciowej, w wyniku czego zanika umocnienie metalu następuje spadek
wytrzymałoSci i twardoSci, a wzrost plastycznoSci metalu. Temperatura rekrystaliza-
cji zależy przede wszystkim od temperatury topnienia metalu, co zostało przez Bo-
czwara wyrażone wzorem:
(2)
gdzie: Tr bezwzględna temperatura rekrystalizacji,
Tt bezwzględna temperatura topnienia,
= współczynnik wahający się zwykle w granicach 0,35 - 0,60.
Zrekrystalizowane ziarna rozrastają się. Proces ten przebiega samorzutnie wsku-
tek naturalnego dążenia układu do zmniejszenia zasobu swej energii wewnętrznej.
Duże ziarno, mające większą powierzchnię przypadającą na jednostkę swej objętoSci,
z punktu widzenia termodynamiki jest bardziej trwałe niż ziarno drobne. Duże ziarna
rozrastają się kosztem ziarn drobnych, aż do zupełnego zaniku. Rekrystalizacja wtór-
na zachodzi w czasie wygrzewania po rekrystalizacji pierwotnej w temperaturach
znacznie przewyższających temperaturę rekrystalizacji. Polega ono na szybkim roz-
roScie niektórych ziarn kosztem ziarn drobnych. Ziarna wtórne mogą w krótkim cza-
sie osiągnąć bardzo duże wymiary, nawet wielkoSć kilkuset mm2.
2.5. WielkoSć ziarna po zgniocie i rekrystalizacji
WielkoSć ziarna po przeróbce plastycznej na zimno i następnej rekrystalizacji zale-
ży przede wszystkim od dwóch czynników, a to: stopnia zgniotu oraz temperatury
wyżarzania rekrystalizującego. ZależnoSć wielkoSci ziarna po rekrystalizacji od stop-
nia uprzedniego zgniotu przedstawia rys. 34.7 widoczne jest, że przy małym stopniu
288
odkształcenia nie obserwuje się żadnych
zmian w Srednim rozmiarze ziarna.
Po osiągnięciu pewnego stopnia od-
kształcenia, zwanego krytycznym stop-
niem zgniotu, w wyniku rekrystalizacji
powstają ziarna bardzo dużych rozmiarów.
Dopiero dalsze podwyższanie stopnia
zgniotu powoduje silne zmniejszanie się
ziarna po rekrystalizacji i to tym większe,
im większy był stopień odkształcenia pla- st ie d szt ł e i
stycznego na zimno. WielkoSć krytyczne-
Rys. 34.7
go stopnia zgniotu jest nieduża i dla więk-
ZależnoSć wielkoSci ziarna po rekrystalizacji od
szoSci metali waha się w granicach 5-10%.
uprzedniego stopnia agniotu
Oprócz stopnia zgniotu na wielkoSć ziar-
na wpływa również temperatura rekrystalizacji. Czym wyższa temperatura rekrysta-
lizacji, tym większe otrzymuje się ziarno, gdyż szybkoSć rozrastania się kryształów
roSnie ze wzrostem temperatury. ZależnoSć wielkoSci ziarna od stopnia zgniotu i tem-
peratury rekrystalizacji można przedstawić na modelu przestrzennym, jak to dla żela-
za podaje rys. 34.8.
4000
3800
3200
2800
2400
900
2000
800
1600
700
1200
600
800
500
400
5 10 15 20 30 50 75
st ie zg i t ,
Rys. 34.8. ZależnoSć wielkoSci ziarna od stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji
ć
r
iel zi
ć zi r
iel
,
289
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
W celu przeprowadzenia przedmiotowego ćwiczenia potrzebne są następujące
materiały i urządzenia:
1. Wyżarzone aluminiowe paski o wymiarach 150 x 10 x 0,3 w iloSci 6 sztuk.
2. Dwa odcinki drutu z mosiądzu CuZn30 o Srednicy 4mm i długoSci 200 m, poddane
uprzednio 60% odkształceniu drogą ciągnienia.
3. Rysik.
4. Suwmiarka.
5. Mikromierz.
6. Znacznik odległoSci.
7. Ręczna rozciągarka.
8. Maszyna wytrzymałoSciowa.
9. Piec Oporowy.
10. Lupa 5 x.
11. Odczynnik trawiący (5% HF).
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W ramach ćwiczenia należy:
1. Przygotować paski aluminiowe do rozciągania, zaznaczając rysikiem w Srodku bazę
pomiarową o długoSci l0 = mm.
2. Poddać rozciąganiu na ręcznej rozciągarce poszczególne paski aluminiowe, wywo-
łując odkształcenie: 2; 3; 5; 8; 10% liczone względem długoSci pomiarowej wg
wzoru:
(3)
3. Poddać wyżarzaniu odkształcone paski aluminiowe i jeden odcinek drutu w tempe-
raturze 580C przez okres 0,5 godziny.
4. Na drutach zaznaczyć znacznikiem granice długoSci pomiarowej oraz działki po-
mocnicze.
5. Poddać rozciąganiu na maszynie wytrzymałoSciowej drut wyżarzony i nie wyżarzo-
ny, celem okreSlenia:
a) wytrzymałoSci na rozciąganie,
b) wydłużenia,
c) przewężenia.
6. Poddać trawieniu wyżarzone paski aluminium tak długo, aż wystąpią wyraxne ziarna.
7. OkreSlić iloSć ziarn na powierzchni cm2 dla każdego paska.
8. Obliczyć wielkoSć ziarna poszczególnych pasków.
290
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać:
1. Opis czynnoSci przy wykonywaniu ćwiczenia.
2. OkreSlenie temperatury rekrystalizacji.
3. Wyniki badań przedstawione w formie tabelarycznej.
4. Wykres wielkoSci ziarna od stopnia odkształcenia z zaznaczeniem zgniotu krytycz-
nego.
5. Wnioski.
6. LITERATURA
[1] Dobrzański L.A.: Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali. Wyd. Pol.
Rl., Gliwice 1953.
[2] Gulajew A.P.: Metaloznawstwo. Rląsk , Katowice 1967.
[3] Katarzyzński S., Kocańda S., Zakrzewski M.: Badanie własnoSci mechanicz-
nych metali. WNT, Warszawa 1967.
[4] Przybyłowicz K.: Metaloznawstwo. Wydawnictwo NT, Warszawa 1992.
[5] Rudnik S.: Metaloznawstwo. PWN, Warszawa 1986.
[6] Staub F.: Metaloznawstwo. Rl. Wyd. Techn., Katowice 1994.
[7] Wendorff Z.: Metaloznawstwo. WNT, Warszawa 1971.
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
zgniot i rekrystalizacja1 12f ZGRZEWANIE ZGNIOTOWEid?7106 rekrystalizujaceOdkształcenie plastyczne i rekrystalizacja sprawka8 ODKSZTAŁCENIE PLASTYCZNE I REKRYSTALIZACJAC2Wplyw zgniotu6 rekrystalizacja, krystalizacja IIM(1)4 Odkształcenie i rekrystalizacjarekrystalizacja11086 Zgniotek cynobrodywięcej podobnych podstron