POWRÓT

Nauka o materiałach

Technologie kształtowania struktury metali i stopów metali - przetwórstwo hutnicze (Opracowano na podstawie M.J Sienko - Chemia, L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie, Skrypt - Metaloznawstwo, Maria Głowacka)


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Krystalizacja
Obróbka plastyczna
Obróbka cieplna
Obróbka cieplna stali

 

Krystalizacja

   

    Metale mogą występować w trzech stanach skupienia: gazowym, ciekłym i stałym. W stanie gazowym wskutek stosunkowo dużych odległości między atomami zanikają przyciągające siły wiązania międzyatomowego, a ruch atomów jest bezładny. W stanie ciekłym, podobnie jak i w stanie stałym, odległości między atomami są rzędu średnic atomów, jednakże, przy stosunkowo swobodnym przemieszczaniu się drgających atomów, ciągle tworzą się i zanikają obszary o uporządkowanym ułożeniu atomów o zasięgu kilku średnic atomów, co nazywa się uporządkowaniem bliskiego zasięgu. W stanie stałym natomiast atomy są uporządkowane w całej objętości metalu i w określonej chwili związane są ze swym położeniem równowagi, co określa się jako uporządkowanie dalekiego zasięgu.
    W warunkach termodynamicznych określonych przez temperaturę i ciśnienie ustala się stan równowagi fazowej, który dla czystego metalu można przedstawić za pomocą wykresu równowagi.

Wykres równowagi faz

    Przemiana ze stanu ciekłego w stan stały (krystalizacja) posiada podstawowe znaczenie w procesie wytwarzania wyrobów i półwyrobów metalowych metodami metalurgicznymi, tzn. przez topienie i krzepnięcie ciekłego metalu w formach odlewniczych lub wlewnicach. Od warunków krystalizacji zależy struktura, a więc i własności materiału w stanie stałym. Z tego względu do przemian fazowych – najbardziej istotnych w metalurgii – należy krystalizacja, tj. szczególny rodzaj krzepnięcia, w którym ciecz metaliczna ulega przemianie w stan stały o budowie krystalicznej.

Mechanizm krystalizacji

Krystalizacja metali następuje w wyniku nakładania się dwóch niezależnych procesów:

  • tworzenia zarodków krystalizacji,
  • rozrostu zarodków.

    Przebieg krystalizacji charakteryzują: szybkość zarodkowania Iz (tj. liczba zarodków krystalizacji tworzących się w jednostce objętości cieczy w jednostce czasu) i szybkość wzrostu zarodków Vr (tj. liniowy wzrost długości kryształu w jednostce czasu). Wielkości te są zależne od przechłodzenia cieczy ΔT, poniżej temperatury Tk, odpowiadającej równowagowemu współistnieniu cieczy i fazy stałej. Zarówno Iz jak i Vr zwiększają się ze wzrostem przechłodzenia ΔT aż do wartości TM. Przy przechłodzeniach większych zmniejsza się ruchliwość atomów, gwałtownie rośnie lepkość cieczy i krystalizacja zostaje zahamowana. Ciecz przechodzi w ciało stałe o strukturze amorficznej (bezpostaciowej), wymaga to jednak w przypadku metali bardzo dużych szybkości chłodzenia.

Zależność szybkości zarodkowania Iz i szybkości wzrostu zarodków Vr w funkcji przechłodzenia ΔT faz

    Przy małych przechłodzeniach, czyli przy powolnym chłodzeniu (np. w temperaturze T1, szybkość wzrostu zarodków jest duża, natomiast szybkość zarodkowania mała. W tych warunkach ułatwione jest powstawanie małej ilości dużych ziarn, powstaje więc materiał gruboziarnisty. Przy dużych przechłodzeniach, czyli przy szybkim chłodzeniu (np. w temperaturze T2), wzrasta ilość zarodków, a szybkość ich wzrostu zwiększa się nieznacznie, czyli powstaje materiał drobnoziarnisty.

Zarodkowanie

    Zarodkami krystalizacji są kilkuatomowe skupiska fazy stałej, o typowej dla niej struktura krystalicznej, powstałe wewnątrz fazy ciekłej, które rozrastając się powodują stopniowe przechodzenie fazy ciekłej w stałą. Zarodkowanie może być homogeniczne, kiedy prawdopodobieństwo utworzenia zarodka jest jednakowe w dowolnym miejscu układu, lub heterogeniczne, gdy funkcje zarodków przejmują obce cząstki faz stałych nie rozpuszczone w ciekłym metalu (np. Al2O3). Zagadnienie zarodkowania homogenicznego można rozpatrywać z punktu widzenia zmian energetycznych układu.

Zmiana energii swobodnej fazy stałej (S) i ciekłej (C) w zależności od temperatury

    Po obniżeniu temperatury od T0 do Tp (przechłodzenie ΔT) faza ciekła C, która była trwała w temperaturach wyższych od T0, staje się nietrwała i przemienia się w fazę stałą S. Siłą napędową tej przemiany jest różnica chemicznej energii swobodnej faz ΔFV, przypadająca na jednostkę objętości.

Wzrost zarodków

    Wzrost zarodka polega na osadzaniu się na jego powierzchni atomów z cieczy, które wobec zmniejszenia ruchliwości są przyłączane siłami wiązania międzyatomowego w położeniach odpowiadających pozycjom w sieci przestrzennej. Prawdopodobieństwo przyłączenia atomu do zarodka wzrasta w kolejności położeń: ściana — 1, krawędź — 2, naroże — 3, ponieważ wymienionym pozycjom odpowiada działanie wiązań: jedno-, dwu- trójkierunkowych.

Pozycje przyłączania atomów do rosnącego zarodka: 1 — ściana, 2 — krawędź, 3 — naroże

    Szybkość procesu krzepnięcia jest uzależniona od:

  • szybkości zarodkowania, tj. od liczby zarodków krystalizacji tworzących się w ciągu jednostki czasu w jednostce objętości cieczy, metalicznej,
  • liniowej szybkości krystalizacji, tj. szybkości przesuwania się frontu krystalizacji, mierzonej w jednostkach długości na jednostkę czasu.

Krystalizacja stopów metali

    Krystalizacja stopów jest procesem bardziej złożonym, ponieważ:

  • skład fazy ciekłej i stałej są różne i zmieniają się w czasie krzepnięcia,
  • krystalizacja przebiega przeważnie w zakresie temperatur, którego górną granicę nazywa się likwidusem, a dolną solidusem.

   Składniki stopu na ogół różnią się temperaturami krzepnięcia. Składnik stopowy B (metal lub niemetal) dodawany do metalu podstawowego A będzie obniżał temperaturę krzepnięcia stopu, jeżeli jego temperatura krzepnięcia TB jest niższa od TA (rysunek poniżej).

Krystalizacja stopu dwuskładnikowego

   Krystalizacja stopu, o średnim stężeniu składnika B równym Co, rozpoczyna się w temperaturze TL, przy której stężenie składnika B w fazie stałej wynosi CS. Wraz z obniżaniem temperatury skład fazy stałej zmienia się od CS do CL. Przy wolnym chłodzeniu dyfuzja składników powoduje wyrównanie stężenia w fazie stałej. Jednak pewne różnice w składzie chemicznym pozostają nadal (od C'S do C'L). Zjawisko to nazywa się segregacją. Różnica składu chemicznego może wystąpić zarówno w skali mikro, obejmując poszczególne kryształy fazy stałej (mikrosegregacja, czyli segergacja dendrytyczna), jak również w skali makro, obejmując cały wlewek - makrosegregacja, czyli segregacja strefowa.

Do góry


 

Obróbka plastyczna

   

   Pod działaniem naprężeń mniejszych od granicy sprężystości zachodzi sprężyste odkształcenie sieci w kierunku działania naprężenia. Wychylenie atomów z pozycji równowagi zwiększa energię potencjalną kryształu. Po usunięciu naprężeń atomy powracają do pozycji równowagi, zmniejszają swoją energię i następuje zanik odkształcenia.
   Jeżeli na metal działają naprężenia większe od granicy sprężystości, następuje odkształcenie plastyczne metalu. Zjawisko to polega na przemieszczeniu się części kryształu względem siebie. Po usunięciu naprężeń kryształ nie wraca już do wyjściowego kształtu.
Zdolność do odkształceń plastycznych jest jedną z najbardziej charakterystycznych cech metali wykorzystywaną do kształtowania wyrobów w przeróbce plastycznej.
Dzięki plastyczności możliwa jest obróbka plastyczna metali, polegająca m.in. na:

  • walcowaniu,
  • kuciu,
  • prasowaniu,
  • ciągnieniu.

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie gotowych produktów i półproduktów hutniczych, takich jak:

  • pręty,
  • kształtowniki,
  • rury,
  • druty,
  • blachy,
  • odkuwki.

W zależności od wymaganych własności produktów hutniczych oraz rodzaju obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się:

  • na zimno,
  • na gorąco.

Obróbka plastyczna na zimno jest wykonywana w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji, a na gorąco – powyżej tej temperatury

Odkształcenie plastyczne monokryształów

Odkształcenie plastyczne metali następuje przez poślizg i bliźniakowanie.
   Odkształcenie przez poślizg polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych, za pośrednictwem ruchu dyslokacji, części kryształu przesuwają się względem siebie wzdłuż płaszczyzn i kierunków krystalograficznych najgęściej obsadzonych atomami, zwanych płaszczyznami i kierunkami łatwego poślizgu. Wzajemne przesuwanie się części kryształu powoduje zniekształcenie sieci krystalicznej, co hamuje ruch poślizgowy tak, że przerzuca się on na drugą płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. Tworzące się stopniowo nowe płaszczyzny poślizgu są oddzielone nieodkształconymi warstwami kryształu o grubości 20—500 średnic atomowych. Wyjście płaszczyzny poślizgu na powierzchnię kryształu tworzy na mej uskok zwany linią poślizgu.

Schemat mechanizmu odkształcenia plastycznego metali na zimno przez poślizg

   Bliźniakowanie polega na jednorodnym ścinaniu o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach bliźniakowania. Zbliźniaczonaczęść kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w taki sposób, że ich struktury krystaliczne są symetryczne osiowo względem płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).
   Naprężenie potrzebne do bliźniakowania jest znacznie większe niż naprężenie niezbędne dla poślizgu. Wpływ temperatury na bliźniakowanie jest natomiast słaby.

Schemat zbliźniaczonego kryształu o sieci regularnej ściennie centrowanej

   Bliźniakowanie tzw. mechaniczne – podobnie jak poślizg – jest dyslokacyjnym mechanizmem odkształcenia plastycznego, a bliźniaki mechaniczne wykazują koherentną granicę z nieodkształconą osnową. W czasie wyżarzania w temperaturze powyżej temperatury rekrystalizacji mogą się tworzyć tzw. bliźniaki żarzenia – bardzo często w kształcie soczewek, wykazujące półkoherentną granicę bliźniaczą.

Schemat zmian podstruktury dyslokacyjnej metalu podczas a÷d) odkształcenia plastycznego na zimno,
e÷h) zdrowienia statycznego przy wyżarzaniu metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno,
i÷l) zdrowienia dynamicznego przy odkształceniu plastycznym na gorąco; a), i) struktura nieodkształcona o małej gęstości dyslokacji,
e) struktura metalu odkształconego plastycznie na zimno (według L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)

   Stan strukturalny spowodowany odkształceniem plastycznym na zimno jest nazywany zgniotem. Znaczne odkształcenie plastyczne powoduje uprzywilejowaną orientację krystalograficzną ziarn względem kierunku i płaszczyzny obróbki plastycznej, zwaną teksturą zgniotu. Tekstura zgniotu decyduje o anizotropii własności mechanicznych i fizycznych metali obrobionych plastycznie na zimno. Metale odkształcone plastycznie na zimno z dużym stopniem gniotu wykazują strukturę włóknistą o znacznej wartości stosunku długości ziarn do ich średnicy.

Do góry


 

Obróbka cieplna

   

Rekrystalizacja metali

   Rekrystalizacją nazywa się proces przywracania zgniecionemu metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz własności, które posiadał on przed przeróbką plastyczną. Metal odkształcony plastycznie ma większą gęstość dyslokacji, a stąd większą energię wewnętrzną od metalu nie odkształconego. Dąży on więc do wyzwolenia nadmiaru energii, czyli przejścia ze stanu metastabilnego w stan równowagi termodynamicznej. W temperaturze pokojowej proces ten przebiega powoli, natomiast wzrost temperatury znacznie go przyśpiesza. Tylko niektóre odkształcone plastycznie metale, jak cynk, ołów, cyna, kadm stanowią w tym względzie wyjątek i już w temperaturze pokojowej może w nich z czasem nastąpić stan równowagi.
Powrót odkształconego plastycznie metalu do stanu równowagi można podzielić na zachodzące na siebie następujące etapy:

  • zdrowienie,
  • rekrystalizacja pierwotna,
  • rozrost ziaren,
  • rekrystalizacja wtórna.

   Do zainicjowania rekrystalizacji w czasie wyżarzania metalu uprzednio odkształconego plastycznie na zimno niezbędny jest pewien minimalny stopień odkształcenia, zwany gniotem krytycznym. Po odkształceniu ze stopniem gniotu mniejszym od krytycznego rekrystalizacja nie występuje. Rekrystalizacja zachodzi przez:

  • zarodkowanie,
  • wzrost ziarn.

Schematy mechanizmów zarodkowania podczas rekrystalizacji a) przez migrację granic podziarn, b) w wyniku koalescencji podziarn A, B i C (AB i ABC — połączone podziarna), c) przez migrację odcinków szerokokątowych granic ziarn pierwotnych (według L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)

   Rekrystalizacja przebiega w temperaturze wyższej od temperatury rekrystalizacji. Temperatura rekrystalizacji jest pojęciem umownym i nie opisuje własności fizycznej metali, jest bowiem uzależniona między innymi od stopnia gniotu, sposobu, temperatury i szybkości odkształcenia plastycznego, czasu wyżarzania, wielkości ziarna odkształconego metalu.
   W przypadku niektórych metali lub stopów niskotopliwych temperatura rekrystalizacji jest zbliżona do temperatury pokojowej. Praktycznie za temperaturę rekrystalizacji przyjmuje się temperaturę, w której dany metal odkształcony plastycznie na zimno całkowicie ulega rekrystalizacji po wyżarzaniu trwającym 1 h.
   Teoria odkształcenia plastycznego i rekrystalizacji metali ma duże znaczenie praktyczne w produkcji. Przeróbką plastyczną na zimno wytwarza się wyroby metalowe o dokładnych kształtach i wymiarach bez strat metalu, a występujące przy tym umocnienie daje zwiększenie wytrzymałości wyrobów. Niekiedy jednak końcowe ukształtowanie wyrobu wymaga dużych gniotów, które umacniały by metal tak dalece, że wskutek utraty plastyczności zamiast odkształcać się uległyby pękaniu. Aby temu zapobiec stosowane są gnioty stopniowe z międzyoperacyjnym wyżarzaniem rekrystalizującym, które usuwa skutki zgniotu na zimno i umożliwia dalszą przeróbkę plastyczną.


Do góry


 

Obróbka cieplna stali

   

    Obróbka cieplna jest dziedziną technologii obejmującą zespół zabiegów wywołujących polepszenie własności mechanicznych i fizyczno–chemicznych metali i stopów, powodowane zmianami struktury w stanie stałym w wyniku zmian temperatury, czasu oraz działania ośrodka.

Klasyfikacja obróbki cieplnej zwykłej (według L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)

    Ze względu na czynniki wpływające na kształtowanie struktury i własności metali i stopów można wyróżnić następujące rodzaje obróbki cieplnej:

  • obróbkę cieplną zwykłą,
  • obróbkę cieplno–mechaniczną (zwaną także obróbką cieplno–plastyczną),
  • obróbkę cieplno–chemiczną,
  • obróbkę cieplno–magnetyczną.

W przypadku obróbki cieplnej zwykłej zmiany struktury i własności są spowodowane głównie zmianami temperatury i czasu.
W obróbce cieplno–mechanicznej (cieplno–plastycznej) na własności obrabianego materiału wpływa ponadto odkształcenie plastyczne.
Podczas obróbki cieplno–chemicznej istotny wpływ na skład chemiczny, strukturę i własności warstwy wierzchniej wywiera także ośrodek, w którym odbywa się obróbka.
W obróbce cieplno–magnetycznej istotne znaczenie odgrywa natomiast pole magnetyczne.

Klasyfikacja innych rodzajów obróbki cieplnej metali (według L.A. Dobrzański - Materiały inżynierskie)


Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved