Odkształcanie na zimno i ...

Odkształcanie na zimno i wyżarzanie, Politechnika Poznańska, OP

[ Pobierz całość w formacie PDF ]
8
Ćwiczenie 1
ODKSZTAŁCANIE NA ZIMNO I WYŻARZANIE
MATERIAŁÓW
Celem ćwiczenia jest:
- poznanie zjawisk wywołujących umocnienie materiałów,
- poznanie wpływu wyżarzania odkształconego na zimno materiału na jego
właściwości i podatność do obróbki plastycznej,
- ocena wpływy odkształcenia i temperatury na zmiany struktury materiału.
1.
W
PŁYW ODKSZTAŁCENIA NA WŁAŚCIWOŚCII STRUKTURĘ MATERIAŁU
Odkształcenie materiału zachodzi pod wpływem przyłożonego do niego obciąże-
nia. Rozróżnia się
odkształcenie sprężyste
, znikające po usunięciu obciążenia, oraz
odkształcenie plastyczne
, pozostające po odciążeniu materiału. Między odkształce-
niem sprężystym a plastyczny istnieje zasadnicza różnica fizyczna.
Odkształcenie sprężyste
wynika ze zmiany odległości między atomami sieci kry-
stalicznej pod działaniem siły zewnętrznej. Gdy przyczyna wywołująca odkształcenie
– obciążenie – przestaje działać, atomy wracają do poprzednio zajmowanych położeń
równowagi i efekt odkształcenia
sprężystego zanika
.
Odkształcenie plastyczne
jest procesem odmiennym i o wiele bardziej złożonym.
Zachodzi ono w wyniku wzajemnego przemieszczania się warstw atomów. Atomy
zajmują nowe położenia, które są położeniami równowagi, przez to materiał zachowu-
je trwale nadany mu kształt. Wyróżnia się dwa główne mechanizmy odkształcenia
plastycznego:
poślizg dyslokacyjny i bliźniakowanie
. Duże odkształcenia plastycz-
ne, jakie są konieczne do realizowania procesów obróbki plastycznej, uzyskuje się
przede wszystkim przez poślizg, bliźniakowanie bowiem pozwala otrzymać znacznie
mniejsze odkształcenia.
9
Poślizg
jest to przemieszczenie się jednej części kryształu względem drugiej
wzdłuż tzw.
płaszczyzn poślizgu
, bez zmiany budowy krystalicznej obu części krysz-
tału. Poślizgi zachodzące wzdłuż pojedynczych płaszczyzn skupiają się obok siebie,
tworząc
pasma poślizgu
, których grubość wynosi średnio około 100 parametrów sieci
(rys. 1). Przemieszczenie występuje lokalnie, prostopadle do krawędzi dyslokacji,
która przemieszcza się w płaszczyźnie poślizgu jak fala na morzu. Po przejściu dyslo-
kacji materiał jest przesunięty o jeden parametr sieci, dlatego nawet małe plastyczne
odkształcenie wymaga przemieszczenia dużej liczby dyslokacji. Na rysunkach 2 a i b
przedstawiono odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio
dyslokacji krawędziowej i śrubowej
.
Rys. 1. Schemat rozmieszczenia linii i pasm poślizgu
a
Krawędź dyslokacji
Płaszczyzna pośli-
zgu
b
Płaszczyzna pośli-
zgu
Rys. 2. Odkształcenie plastyczne w materiale w wyniku przejścia odpowiednio dyslokacji krawędziowej
(a) i śrubowej (b)
10
Poślizg nie zachodzi jednocześnie we wszystkich możliwych płaszczyznach i kie-
runkach poślizgu. Do procesu odkształcania włączają się kolejno te płaszczyzny i
kierunki poślizgu, które są najbardziej uprzywilejowane względem kierunku działania
sił zewnętrznych. Podczas odkształcania zwiększa się liczba aktywnych płaszczyzn
poślizgu oraz swobodnych dyslokacji, które są generowane w trakcie odkształcenia.
Dochodzi wówczas do krzyżowania się pasm poślizgu co powoduje wzajemne bloko-
wanie się dyslokacji. Dalsze odkształcanie plastyczne wymaga wówczas przyłożenia
większego naprężenia, w celu uruchomienia nowych dyslokacji lub ich wyrwania z
obszarów zablokowanych.
Proces wzrostu naprężenia wraz z odkształceniem na-
zywa się umocnieniem odkształceniowym materiału.
Okazuje się więc, że
naprężnie uplastyczniające
σ
p
zależy od gęstości dyslokacji.
W przypadku małej gęstości, naprężenie uplastyczniające jest duże, ponieważ jest
mało płaszczyzn, w których zachodzi poślizg. Następnie naprężenie zmniejsza się
wraz ze wzrostem gęstości dyslokacji, ale tylko do pewnej granicy. Osiągnąwszy mi-
nimalną wartość przy tzw.
krytycznej gęstości dyslokacji
ρ
kr
, jaką ma wyżarzony
materiał, naprężenie uplastyczniające ponownie zaczyna wzrastać wraz ze wzrostem
gęstości dyslokacji (rys. 3). Dążenie do uzyskanie dużej wytrzymałości poprzez
zmniejszenie gęstości dyslokacji jest technicznie bardzo trudne. Obecnie udało się
uzyskać jedynie kryształy o bardzo małej średnicy, które nie zawierają dyslokacji –
wiskersy – jednakże w momencie pojawienia się w nich dyslokacji następuje gwał-
towne ich rozmnożenie i spadek naprężenia.
σ
p
ρ
kr
ρ
Rys.3. Wpływ gęstości dyslokacji na naprężenie uplastyczniające
Wzrost naprężenia uplastyczniającego wraz ze zwiększeniem gęstości dyslokacji
jest spowodowane przede wszystkim wzajemnym oddziaływaniem dyslokacji oraz ich
blokowaniem na
granicach ziaren, różnych wydzieleniach i wtrąceniach
. Na ry-
sunku 4 przedstawiono kolejne zmiany podstruktury dyslokacyjnej metalu w trakcie
odkształcania. Podczas odkształcania następuje wzrost gęstości dyslokacji od wartości
ρ = 10
10
m
−2
- materiał wyżarzony ( rys. 4a) -do wartości ρ = 10
15
–10
16
m
−2
- materiał
bardzo silnie odkształcony ( rys. 4d).
11
Sploty dyslokacji utworzone przez zablokowanie
tworzących się dyslokacji
Rys. 4. Kolejne stadia zmiany podstruktury dyslokacyjnej podczas odkształcania na zimno
Podstruktura dyslokacyjna może być obserwowana na mikroskopie elektronowym
(rys. 5)
Sploty dyslokacji
Rys. 5. Podstruktura dyslokacyjna podczas odkształcania (mikroskop elektronowy)
Wzrost gęstości dyslokacji podczas odkształcania powoduje zwiększenie
energii
wewnętrznej związanej z deformacją sieci krystalograficznej
. W materiale od-
kształcanym na zimno od 1 do 10 % całej pracy odkształcenia plastycznego jest za-
trzymane w materiale. Reszta pracy odkształcenia plastycznego zamieniana jest na
ciepło, dlatego podczas odkształcania obserwowany jest znaczny
wzrost temperatury
materiału
.
Podczas odkształcania, oprócz wzrostu gęstości dyslokacji, rozdrobnienia ziaren i
powstania podziaren dochodzi, do powstania
tekstury odkształcenia
.
Tekstura ozna-
cza taką budowę materiału, dla której poszczególne ziarna mają zbliżoną orien-
tację krystalograficzną.
Np wydłużenie ziaren w jednym kierunku w wyniku procesu
walcowania powoduje (rys. 6), że uzyskują one podobną orientację krystalograficzną.
W miarę zwiększania się odkształcenia stopień steksturowania staje się coraz większy
i przy bardzo dużych odkształceniach zbliża się do 100%, co oznacza że wszystkie
ziarna mają w przybliżeniu
jednakową orientację krystalograficzną
.
12
Rys. 6. Zmiana kształtu ziaren w trakcie procesu walcowania
Tekstura materiału powoduje
anizotropowość jego własności
, tj. uzależnienie ich
od kierunku badania. Panuje na ogół przekonanie, że materiały anizotropowe są nie-
pożądane. Należy jednak podkreślić, że trzeba raczej dążyć do umiejętnego wykorzy-
stania anizotropowych właściwości materiałów, a nie do ich eliminacji. Na przykład
procesy kształtowania powinny być tak projektowane, aby największe obciążenie
wyrobów podczas eksploatacji pokrywało się z kierunkiem największej wytrzymałości
materiału, bądź kierunek największej plastyczności materiału pokrywał się z kierun-
kiem największych odkształceń w danym procesie. O dużym znaczeniu właściwości-
anizotropowych materiału świadczy między innymi fakt, że blacha charakteryzująca
się dużą anizotropią normalną, która wyraża się stosunkiem średnich odkształceń mie-
rzonych w płaszczyźnie blachy do odkształceń określanych w kierunku grubości bla-
chy, wykazuje lepszą podatność do najczęściej stosowanych operacji tłoczenia.
Odkształcenie plastyczne wytwarza stan naprężenia w materiale, który może
obejmować cały przedmiot lub tylko jego część, naprężenia te nazywane są na-
prężeniami własnymi.
Biorąc pod uwagę obszar występowania naprężenia własne
dzieli się na:
-
Pierwszego rodzaju
– naprężenia równoważące się między poszczególnymi war-
stwami materiału. Na przykład, w pręcie zginanym powyżej granicy plastyczno-
ści warstwy leżące koło warstwy obojętnej odkształcają się tylko sprężycie. Od-
kształcenie sprężyste tych warstw po odciążeniu pręta nie zanika, gdyż jest blo-
kowane przez warstwy zewnętrzne i wewnętrzne, które uległy odkształceniu pla-
stycznemu. Zatem pomiędzy tymi warstwami musi wystąpić naprężenie, pomimo
braku zewnętrznego obciążenia.
-
Drugiego rodzaju
– naprężenia występujące pomiędzy poszczególnymi ziarnami.
Na przykład, w stali perlitycznej odkształcanej nieco powyżej granicy plastycz-
ności, odkształceniu trwałemu podlegać będą głownie płytki ferrytu, płytki ce-
mentytu, jako znacznie twardsze, pozostaną w stanie sprężystym. Po usunięciu
obciążenia płytki cementytu mogłyby powrócić do początkowych wymiarów, ale
odkształcone płytki ferrytu nie dopuszczają do tego. Płytki ferrytu i cementytu
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

happyhour.opx.pl