Obróbka cieplno-plastyczna - Stalnierdzewna.com - Największa w Polsce strona informacyjna o stali nierdzewnej

Obróbka plastyczna

Na ile artykuł jest pomocny? (9 głosów)

Przeróbka plastyczna metali i stopów prowadzona jest w celu nadania materiałom żądanego kształtu i odpowiednich własności.

Rodzaje obróbki plastycznej:

Obróbka laserowa

Procesy zachodzące podczas obróbki plastycznej

Na własności wykonanego przedmiotu ma wpływ nie tylko materiał ale także sposób i warunki kształtowania.

Podczas procesów plastycznego kształtowania w materiale zachodzi szereg procesów, które mają wpływ na naprężenia niezbędne do plastycznego kształtowania, naprężenia własne, strukturę materiału, własności mechaniczne wyrobu i stan warstwy wierzchniej.
Do najważniejszych zjawisk zachodzących w materiale należą:

- Zgniot
- Poślizg dyslokacyjny
- Bliźniakowanie
- Pełzakowanie dyslokacyjne
- Zdrowienie
- Rekrystalizacja (pierwotna)
- Poligonizacja
- Dynamiczne zdrowienie i rekrystalizacja
- Poślizg po granicach ziarn
- Umocnienie przez odkształcenie (dyslokacyjne)
- Umocnienie przez rozdrobnienie ziarna
- Umocnienie roztworowe
- Umocnienie wydzieleniowe
- Umocnienie dyspersyjne

Zgniot

Zgniotem nazywamy całość zmian własności fizycznych i mechanicznych metali i stopów wywołanych odkształceniem plastycznym na „zimno”, tzn. poniżej pewnej granicznej temperatury (temp. rekrystalizacji).

Miarą wielkości zgniotu jest względne odkształcenie (%), które może być obliczone jako względna zmiana długości lub jako redukcja przekroju.

Odkształcenie plastyczne wywołuje w metalu zniekształcenie struktury krystalicznej poprzez wprowadzenie różnych defektów sieci, wprowadzeniu ich towarzyszy wzrost energii wew. układu. W wyniku nagrzewania metalu po zgniocie zachodzą w nim przemiany w kierunku odnowienia własności jakie miał przed odkształceniem. Zachodzą one w etapach: zdrowienie, rekrystalizacja i rozrost ziaren.

Poślizg dyslokacyjny

Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg. Polega on na wzajemnym przemieszczaniu się jednej części kryształu względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku poślizgu.

Podczas poślizgu budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje niezmieniona. Przemieszczanie się dyslokacji podczas poślizgu odbywa się w określonych systemach poślizgu {hkl}, 〈uvw〉, tzn. w płaszczyznach poślizgu {hkl} kierunkach poślizgu 〈uvw〉.
Płaszczyznami i kierunkami poślizgu są najczęściej płaszczyzny sieciowe i kierunki o najgęstszym ułożeniu atomów. W przypadku zablokowania poślizgu w tych płaszczyznach poślizg może zachodzić w płaszczyznach o mniej gęstym ułożeniu atomów.

W wyniku poślizgu przemieszczeniu ulegają warstwy metalu oddalone o 10 ÷ 1000 średnic atomowych, tworząc tzw. linie poślizgu.

Dalsze odkształcenie plastyczne jest związane z tworzeniem nowych linii poślizgu, nie zaś z dalszym poślizgiem wzdłuż linii istniejących.
W wyniku odkształcenia plastycznego przez poślizg w temperaturze podwyższonej powstają pasma poślizgu złożone z kilku do kilkunastu równoległych linii poślizgu oddalonych od siebie o około 100 średnic atomowych. W niektórych kryształach, najczęściej o sieci typu A2, występuje pofałdowanie linii poślizgu, świadczące o jednoczesnym poślizgu w różnych systemach. W wyniku działania mechanizmu poślizgu następuje odkształcenie plastyczne metali na zimno i na gorąco. W niskiej temperaturze mechanizm ten jest ograniczony, przede wszystkim w metalach o sieci typu A2.

Bliźniakowanie

W przypadku zahamowania poślizgu, zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i A3, mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu może być bliźniakowanie.

Bliźniakowanie polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania.

Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).

Pełzanie dyslokacyjne

Mechanizmem odkształcenia plastycznego o dużym znaczeniu dla obróbki plastycznej na gorąco jest pełzanie dyslokacyjne. W procesie tym w ślad za odkształceniem plastycznym na gorąco przebiegają dynamiczne procesy aktywowane cieplnie, usuwające częściowo lub niemal całkowicie skutki umocnienia zgniotowego, tj:

zdrowienie dynamiczne,
rekrystalizacja dynamiczna.

Zdrowienie

Zdrowienie - I stadium przemian materiału poddanego zgniotowi, które obejmuje wszystkie zmiany z wyjątkiem powstawania nowych, wolnych od defektów, ziarn.

Zachodzi poniżej Tk. Obejmuje zanik defektów punktowych i naprężeń, a w metalach o dużej energii wewnętrznej także porządkowanie dyslokacji zwane poligonizacją.

W wyniku zdrowienia zmieniają się własności fizyczne które są uzależnione od obecności defektów punktowych a więc oporność elektryczna i koercja. W metalach w których zachodzi poligonizacja, następuje zmiana własności mechanicznych: spadek wytrzymałościowych i wzrost plastycznych. Własności wytrzymałościowe ulegają także obniżeniu w wyniku rozrostu podziarn.

Rekrystalizacja (pierwotna)

Rekrystalizacja (pierwotna) – w procesie tym tworzą się nowe nie odkształcone ziarna drogą powstawania zarodków i ich rozrostu.

Zachodzi ona przy temperaturach wyższych niż zdrowienie, powyżej temperatury rekrystalizacji. Następuje większe niż w zdrowieniu uwolnienie zmagazynowanej energii, głównie dzięki zanikowi dyslokacji.
Wywołuje to zmniejszenie umocnienia, a więc obniżenie twardości i wytrzymałości oraz wzrost własności plastycznych . Obserwujemy istotne zmiany struktury, gdyż powstają nowe ziarna.

Poligonizacja

Poligonizacja – zwana także wysokotemperaturowym zdrowieniem, polega na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o mniejszej energii.

Siłą napędową tego procesu jest zmniejszanie energii, które następuje dzięki kompensowaniu się pól naprężeń przeciwnego znaku. Poligonizacja może także zachodzić w materiałach polikrystalicznych po złożonych sposobach odkształcenia (walcowanie, kucie, wyciskanie). Polega ona wtedy na przekształceniu się komórkowych układów dyslokacji w granice ziarn małego kąta.
Przy dużych stopniach odkształcenia i niskich temperaturach wyżarzania sploty dyslokacji mogą się od razu przekształcić w granice ziarn dużego kąta, co nazywamy rekrystalizacją „in situ”.
Zdrowienie jest procesem kontrolowanym przez szybkość samodyfuzji. Z tego powodu temperatura odgrywa w tym przypadku istotną rolę. Im niższa jest temp. zdrowienia tym wolniej maleje szybkość uwalniania zmagazynowanej energii z czasem i tym większy jest ułamek resztkowego zgniotu pozostałego w materiale.

Dynamiczne zdrowienie i rekrystalizacja

Dynamiczne zdrowienie i rekrystalizacja – są to procesy, które przebiegają przy stałej (w przybliżeniu) sile napędowej.

Jest to możliwe dzięki temu, że zachodzą one jednocześnie z odkształceniem lub z niewielkim opóźnieniem, co występuje podczas obróbki plastycznej na gorąco, np. walcowania.
Przebieg tych procesów zależy od wielu czynników zarówno zewnętrznych tj. parametrów odkształcenia: temperatury, stopniu zgniotu, szybkości odkształcenia jak i wewnętrznych związanych z własnościami materiału.

Proces starzenia odkształceniowego polega na dyfuzji atomów pierwiastków rozpuszczonych w metalu w kierunku dyslokacji i prowadzi w przeciwieństwie do procesów zdrowienia i rekrystalizacji do wzrostu naprężeń uplastyczniających.
W metalach starzenie odkształceniowe objawia się wzrostem granicy plastyczności. Występujące w stali atomy pierwiastków obcych (węgiel, azot, wodór), które zajmują położenia międzywęzłowe stanowią przeszkodę na drodze ruchu dyslokacji. Znajdujące się w pobliżu dyslokacji luki międzywęzłowe ulegają powiększeniu w skutek sprężystych odkształceń sieci i do tak powiększonych luk dostają się obce atomy tworząc atmosferę Cottrela. Ruch takiej dyslokacji wraz z atmosferą jest utrudniony gdyż atomy metalu są blokowane przez atomy obce i następuje dopiero w momencie gdy naprężenie osiągnie wartość górnej granicy plastyczności.

Oprócz procesów starzenia odkształceniowego istnieje jeszcze starzenie wydzieleniowe, które może wystąpić w stopach.
W wyniku starzenia wydzieleniowego pojawiają się nowe fazy w postaci rozproszonej, które mogą stanowić przeszkody na drodze ruchu dyslokacji. Starzenie wydzieleniowe występuje w kwasoodpornych stalach austenitycznych, w których wydziela się martenzyt powodujący wzrost, powodując znaczny wzrost naprężenia uplastyczniającego.

Przy wzroście odkształcenia narastają procesy starzenia wydzieleniowego, które utrudniają w sposób trwały ruch dyslokacji. Natomiast procesy starzenia odkształceniowego wpływają tylko na początkowe wartości naprężeń uplastyczniających.

Poślizg po granicach ziarn

Poślizg po granicach ziarn polega na przesuwaniu się i obrotach ziarn wzdłuż ich granic szerokokątowych.

Poślizg po granicach ziarn w polikryształach odkształcanych plastycznie na gorąco jest wyłącznie skutkiem ruchu wzdłuż granic ziarn dyslokacji, granic ziarn lub dyslokacji sieciowych. Dyslokacje sieciowe zablokowane przez granice ziarn wywołują ruch dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji sieciowych, które uszły do granicy.
Dyslokacje sieciowe spiętrzają się przed granicami ziarn, szczególnie w niższej temperaturze homologicznej. Naprężenie efektywne wywołujące zmianę stężenia wakansów wokół spiętrzeń dyslokacji oraz dyslokacji granic ziarn jest równe σn”, nie zaś σ. Wartość wskaźnika n” w obszarze spiętrzenia dyslokacji zależy od średniej wielkości podziarn, których wielkość również jest zależna od przyłożonego naprężenia, nie zależy natomiast od wielkości ziarn.

Umocnienie przez odkształcenie (dyslokacyjne)

Umocnienie to realizowane jest poprzez odkształcenie plastyczne metali (zgniot). Podczas odkształcania materiału, wzrasta gęstość dyslokacji.

Dyslokacje zaczynają się wzajemnie przecinać i hamować ruch poślizgowy, a to prowadzi do ich spiętrzania i gromadzenia się. Rezultatem takiego zjawiska jest silne umocnienie.

Umocnienie to jest skuteczne jeżeli po odkształceniu, w czasie eksploatacji temperatura materiału nie przekroczy 0,3Tt. W temperaturach wyższych następuje zdrowienie które obniża wytrzymałość. Zjawisko to jest niekorzystne podczas walcowania cienkich blach gdyż prowadzi do szybkiej utraty plastyczności przez blachę, oraz do wzrostu energii potrzebnej do walcownia.

Umocnienie przez rozdrobnienie ziarna

Granice ziaren są dużą przeszkodą w czasie ruchu dyslokacji.

Dyslokacje w czasie przemieszczania się, spiętrzają się na granicach ziaren a to prowadzi do koncentracji naprężeń. Rozładowanie naprężeń jest możliwe dzięki lokalnemu poślizgowi wielokrotnemu.

Rozdrobnienie ziarna, powoduje wzrost powierzchni granic ziaren, a to bezpośrednio wpływa na umocnienie materiału. Granica plastyczności jest odwrotnie proporcjonalna do pierwiastka kwadratowego z wielkości ziarna: Re=p+kpD-1/2
Re – granica plastyczności,
p- naprężenie przy którym materiał o dużym ziarnie zaczyna się odkształcać plastycznie,
kp – współczynnik zależny od oporności granic ziarn przy ruchu dyslokacji.
W stali uzyskiwane jest w skutek
rekrystalizacji lub na drodze przemiany fazowej austenitu w ferryt.

Umocnienie roztworowe

Przykładam umocnienia roztworowego jest dodanie cynku do miedzi. Atomy cynku które są większe od atomów miedzi wytwarzają naprężenia w strukturze miedzi.

Naprężenia te oddziałują z polem naprężeń dyslokacji, i utrudniają ich poślizg. Efekt ten jest tym większy im większe są różnice w średnicach atomów osnowy i domieszki.

Dyslokacje oddziałują z atomami rozpuszczonymi ponieważ wokół występują pola odkształceń sprężystych. Jeżeli odkształcenia są tego samego znaku to defekty się odpychają, przy przeciwnych znakach defekty się przyciągają. Oba typy oddziaływań zmniejszają ruchliwość dyslokacji.

Umocnienie wydzieleniowe

Przykładem umocnienia wydzieleniowego mogą być:
• w stalach - cząstki węglików lub azotków,
• w stopach aluminium z miedzią – stabilne tlenki lub cząstki bogate w miedź.

Często do umacniania metali wykorzystuje się cząstki innej fazy, które tworzą się podczas wydzielania z roztworu stałego lub w wyniku uporządkowania dalekiego zasiągu.
Umacniać wydzieleniowo można stopy, które w stanie stałym w wysokiej temperaturze mają strukturę jednofazową, natomiast w niskiej dwufazową, i w których można uzyskać roztwór przesycony. Najbardziej rozpowszechnionymi stopami utwardzanymi wydzieleniowo są stopy aluminium.

Umocnienie wydzieleniowe jest najefektywniejsze jeżeli obróbka cieplna stopu składa się z 3 etapów: wytworzenia się roztworu(rozpuszczanie), przesycania i starzenia.

- Rozpuszczanie – stop nagrzewany powyżej linii rozpuszczalności i wytrzymywany w celu rozpuszczenia cząstek  oraz ujednorodnienia roztworu.

- Przesycanie – po uzyskaniu jednorodnego stop jest oziębiany z szybkością zapewniającą zatrzymanie atomów Cu (stop Al. - Cu) w roztworze. Po oziębieniu roztwór stały  zawiera nadmiar atomów Cu.

- Starzenie - wytrzymywanie w temperaturze otoczenia lub podwyższonej w celu wytworzenia się wydzieleń w roztworze. Podczas umocnienia wydzieleniowego wyróżnia się 2 mechanizmy oddziaływania dyslokacji z cząstkami. Wydzielenia koherentne są przecinane przez dyslokacje osnowy. Jeżeli wydzielenia są zbyt twarde to następuje opasanie cząstek i tworzą się tzw. pętle dyslokacyjne.

Umocnienie dyspersyjne

W miękkiej osnowie stopu umacnianego dyspersyjnie znajdują się twarde cząstki innej fazy. Przykłady: Al2O3 w Al.

Materiały te są uzyskiwane metalurgią proszków lub poprzez wewnętrzne utlenianie. Umocnienie to opiera się na mechanizmie Orowana.
Naprężenie konieczne do wygięcia linii dyslokacji w półokrąg o średnicy d równej odstępowi miedzy wydzieleniami przybiera postać τ=2α(Gb/L)

Bibliografia