Procesy zachodzące podczas obróbki plastycznej

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:

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:

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.

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.

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:

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:

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.

Poślizg po granicach ziarn:

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):

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=Rp+kpD-1/2
Re – granica plastyczności,
Rp- 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:

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.

• 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.

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)

Jedną z najczęściej stosowanych metod podwyższenia wytrzymałości tworzyw metalicznych jest umocnienie stopów cząstkami drugiej fazy. Należy tu oczywiście zgodnie z powyższymi informacjami rozróżnić umocnienie wydzieleniowe i dyspersyjne.
Z umocnieniem wydzieleniowym (inne nazwy: utwardzeniem wydzieleniowym, umocnieniem przez starzenie) mamy do czynienia wówczas, gdy cząstki umacniające tworzą się dzięki wydzielaniu z roztworu przesyconego lub w wyniku uporządkowania dalekiego zasięgu. Przykładami umocnienia wydzieleniowego są:

• umocnienie stali czystkami węglików lub azotków,
• stopów aluminium z miedzi – cząstkami bogatymi w miedź.

W stopach umocnionych dyspersyjnie w miękkiej osnowie metalicznej znajdują się twarde nierozpuszczalne cząstki innej fazy.

Występująca w stopie faza ciągła stanowiąca zwykle znaczną jego objętość nazywana jest osnową. Tworzące się w osnowie cząstki innej fazy są nazywane wydzieleniami. Osnowa i wydzielenia umacniające powinny spełniać następujące warunki:

• osnowa powinna być miękka i ciągliwa,
• wydzielenia powinny być twarde,
• twarde wydzielenia nie powinny tworzyć ciągłej błonki po granicach ziarn osnowy, gdyż powstające w takich wydzieleniach pęknięcia mogą szybko rozprzestrzeniać się przez materiał powodując jego zniszczenie,
• cząstki wydzieleń powinny być drobne, o dużej gęstości, równomiernie rozmieszczone w objętości stopu i przynajmniej częściowo koherentne,
• cząstki wydzieleń nie powinny mieć ostrych krawędzi, gdyż wówczas sprzyjają zarodkowaniu pęknięć.

Umacniać wydzieleniowo można tylko takie stopy, które w stanie stałym w wysokiej temperaturze mają strukturę jednofazową, natomiast w niskiej temperaturze – strukturę dwufazową i w których, przy niezbyt dużych szybkościach chłodzenia, można uzyskać roztwór przesycony. Do najważniejszych technicznych stopów umacnianych wydzieleniowo należą stopy aluminium. Utwardzaniu wydzieleniowemu są także poddawane stopy na osnowie innych pierwiastków, np. miedzi, magnezu i tytanu. Mechanizm umocnienia wydzieleniowego wykorzystuje się również w niektórych stalach, np. w stalach typu maraging. Obróbka cieplna prowadząca do optymalnego efektu umocnienia wydzieleniowego składa się z trzech etapów (na przykładzieAl-Cu):

• Wytworzenie roztworu (rozpuszczanie) – stop jest nagrzewany do zakresu powyżej linii rozpuszczalności – miedzy innymi w celu ujednorodnienia roztworu. W celu zwiększenia szybkości ujednorodnienia stop powinien być nagrzewany do temperatury nieznacznie poniżej linii solidus.
• Przesycanie – po uzyskaniu jednorodnego roztworu stop jest oziębiany z szybkością zapewniającą zatrzymanie atomów Cu w roztworze.
• Starzenie – wytrzymywanie stopu w temperaturze otoczenia (starzenie naturalne) lub w podwyższonej temperaturze (starzenie sztuczne) w celu doprowadzenia do utworzenia wydzieleń w przesyconym roztworze.

Procesy wydzielania w niskiej temperaturze są zwykle bardzo złożone, a sekwencja wydzielania zależy od składu przesyconego roztworu i temperatury starzenia. Podczas starzenia w niskiej temperaturze najwcześniej powstają strefy Guiniera – Prestona (tak zwane strefy GP). Tworzą się one w stopach, w których różnice w średnicach atomowych rozpuszczalnika i składnika rozpuszczonego są małe lub gdy występuje duże przesycenie. W stopach Al. – Cu różnice w średnicach atomów rozpuszczalnika i składnika rozpuszczonego wynoszą około 13 [%] i dlatego strefy GP tworzą się tylko przy dużych przesyceniach. Strefy GP mają kształt dysku, zarodkują jednorodnie w osnowie i są one koherentne z osnową, przy czym płaskie powierzchnie są w pełni koherentne, natomiast zachowaniu koherencji w obszarach krawędzi towarzyszą duże odkształcenia sprężyste.

Sekwencje wydzielania w niektórych stopach umacnianych wydzieleniowo:

Do powstania stref GP wystarcza przemieszczenie atomów na względnie niewielkiej odległości, a ich grubość nie przekracza kilku odległości międzyatomowych. Istnieją dwa modele tworzenia się stref GP. Według pierwszego modelu cały nadmiar składnika rozpuszczonego zostaje pochłonięty przez tworzące się strefy w początkowym okresie starzenia naturalnego. W późniejszym okresie starzenia dalszy wzrost zachodzi dzięki koagulacji. W drugim modelu tworzące się strefy są otoczone przez powłoki ubogie w składnik rozpuszczony, a skład osnowy poza powłoką jest niezmieniony. Według tego modelu wzrost stref, w późniejszym okresie starzenia zachodzi dzięki oddyfundowywaniu atomów rozpuszczonych z osnowy, a więc dzięki powiększaniu się grubości powłok, a nie dzięki rozpuszczaniu się mniejszych stref GP.

Zasady ogólne dotyczące wydzielania się faz z przesyconych roztworów stałych są następujące:

• Strefy GP i fazy w pełni koherentne zarodkują jednorodnie w osnowie. Uprzywilejowanymi miejscami do zarodkowania faz częściowo koherentnych są dyslokacje, natomiast faz niekoherentnych – granice ziarn.
• Jeżeli niskoenergetyczna granica faz osnowa / wydzielenie może występować tylko przy jednej orientacji granicy, to wydzielenia mają kształt cienkich pytek lub dysków z mocno rozwiniętymi granicami niskoenergetycznymi.
• Wydzielenia niekoherentne charakteryzują się tym, że energia granicy międzyfazowej nie zależy od orientacji granicy i ich kształt jest w przybliżeniu kulisty. Przy takim kształcie energia powierzchniowa jest minimalna.
• Kształt równowagowy wydzieleń na granicach ziarn, przy założeniu, że energia granic międzyfazowych nie zależy od orientacji, jest warunkowany relacją między energią granic ziarn i energią granicy międzyfazowej.
• Umocnienie przez wydzielenia można wyjaśnić na podstawie teorii dyslokacji. Wyróżnia się dwa przypadki oddziaływania dyslokacji z cząstkami:
  • cząstki są przecinane przez dyslokacje,
  • cząstki są opasywane i omijane przez dyslokacje.

Cząstki przecinane przez dyslokacje:

Wydzielające się podczas starzenia cząstki mogą hamować ruch dyslokacji poprzez rozmaite wzajemne oddziaływania. Należą do nich:

• umocnienie chemiczne, które powstaje w wyniku dodatkowej energii wymaganej do utworzenia dodatkowej powierzchni, gdy cząstka jest przecinana przez dyslokacje (na granicy cząstka – osnowa tworzy się uskok o szerokości równej długości wektora Burgersa lub jego wielokrotności),
• umocnienie powstające w wyniku różnicy w energii błędów ułożenia pomiędzy wydzieleniem i osnową, w przypadku, gdy zarówno wydzielenie, jak i osnowa mają strukturę krystaliczną regularnie ściennie centrowana lub heksagonalną zwartą
• umocnienie powstające w wyniku różnicy w modułach sprężystości pomiędzy wydzieleniem i osnową (energia dyslokacji jest zawsze funkcją modułu sprężystości ośrodka, w którym dyslokacja się porusza),
• umocnienie związane z niedoskonałą koherencją pomiędzy cząstką i osnową i występującymi w związku z tym naprężeniami,
• umocnienie związane z uporządkowaniem struktury krystalicznej cząstki, z czym wiąże się konieczność tworzenia granic antyfazowych przy przecinaniu cząstki przez dyslokację.

Cząstki nie przecinane przez dyslokacje:

Wydzielenia koherentne, zwłaszcza małe, mogą być przecinane przez dyslokacje osnowy. Jeżeli wydzielenia nie mogą być ścięte gdyż są np. duże, niekoherentne lub zbyt twarde to dyslokacje opasują cząstki. W stopach umacnianych dyspersyjnie cząstki nigdy nie są przecinane przez dyslokacje. W procesie omijania takich cząstek przez dyslokacje pozostają wokół cząstek pętle dyslokacyjne. Aby dyslokacja mogła sią przemieszczać naprężenie działające w płaszczyźnie i kierunku poślizgu musi być wystarczająco duże do przepchnięcia dyslokacji między cząstkami.