Rekrystalizacja metali. - Instytut Inżynierii Materiałowej

Politechnika Łódzka
Wydział Mechaniczny
Instytut Inżynierii Materiałowej
LABORATORIUM
NAUKI O MATERIAŁACH
Ćwiczenie nr 4
Temat: Rekrystalizacja metali.
Łódź 2010
Rekrystalizacja metali Cel ćwiczenia
Celem poniższego ćwiczenia laboratoryjnego jest zapoznanie się z wpływem nagrzewania na
zmianę własności mechanicznych oraz na strukturę metalu uprzednio poddanego odkształceniu
plastycznemu na zimno.
Wstęp teoretyczny
Rekrystalizacja jest to proces polegający na przywróceniu zgniecionemu metalowi poprawnej
struktury krystalicznej, a także własności fizycznych oraz mechanicznych jakimi się charakteryzował
przed przeróbką plastyczną.
Wiele defektów struktury sieciowej oraz duża gęstość dyslokacji sprawia, iż zgnieciony metal
posiada większą energię wewnętrzną aniżeli metal wyżarzony lub odlany. Metal taki usiłuje wyzwolić
nadmiar energii, czyli przejść ze stanu metastabilnego do stanu równowagi termodynamicznej. Dla
większości metali w temperaturze pokojowej proces ten odbywa się bardzo powoli. Podwyższenie
temperatury spowoduje przyspieszenie procesu. Natomiast niektóre plastycznie odkształcone metale,
takie jak ołów, kadm, cyna, cynk są wyjątkiem, gdyż już w normalnych temperaturach ich budowa
odkształconych ziarn może zmienić się z upływem czasu.
Powrót metalu do stanu równowagi można podzielić na następujące etapy:
1. Zdrowienie oraz poligonizacja;
2. Rekrystalizacja pierwotna;
3. Rozrost ziarn;
4. Rekrystalizacja wtórna.
Rys. 1. Wpływ temperatury wyżarzania na zmiany własności metalu po zgniocie:
źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo".
2 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Podczas nagrzewania metalu do niezbyt wysokich temperatur, takich jak 300 - 400°C dla
żelaza występują zjawiska związane z obniżeniem gęstości dyslokacji, a także gęstości defektów
punktowych przy przekształceniu w ich przestrzennym położeniu. Takie zjawiska nazywamy ogólnie
zdrowieniem. W następstwie procesu zdrowienia właściwości mechaniczne metalu takie jak twardość,
plastyczność, czy wytrzymałość na rozciąganie zmieniają się w niewielkim stosunku. Natomiast
większym zmianom ulegają własności fizyczne oraz chemiczne.
Kolejnym etapem procesu rekrystalizacji jest poligonizacja. Proces ten występuje w wyższych
temperaturach, aniżeli zdrowienie. Poligonizacja prowadzi do tworzenia się granic małego kąta
(bloków). Bloki wolne od dyslokacji ulegają spiętrzeniu. W skutek tego zjawiska spada energia
wewnętrzna metalu. Procesy zdrowienia oraz poligonizacji mogą utworzyć strukturę trwałą nawet w
wysokich temperaturach, ale tylko wtedy gdy uprzedni zgniot był niewielki.
Rys. 2. Szkic procesu poligonizacji
a) Dowolne rozmieszczenie dyslokacji;
b) Uszeregowanie dyslokacji krawędziowej na ścianach poligonalnych.
źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo".
Aby zgnieciony metal odzyskał właściwości oraz strukturę krystaliczną jakie posiadał przed
przeróbką plastyczną należy go nagrzać powyżej odpowiedniej temperatury, którą nazywamy
temperaturą rekrystalizacji.
Tr = (0,35 - 0,59) Tt [K]
Tr - zależna od temperatury topnienia Tt
3 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Temperatura [ °C ]
Materiał
T top.
T odprężania
T rekryst.
T wyżarz. rekryst.
T kucia na gorąco
W
3410
800
1200
1200 ÷ 1300
1200 ÷ 1800
Ni
1453
400
620
750 ÷ 850
1100 ÷ 1200
Cu
1083
150
180 ÷ 230
400 ÷ 500
800 ÷ 1000
Al
660
120
150
350 ÷ 400
350 ÷ 450
Sn
230
<0
150 ÷ 170
Pb
327
<0
100 ÷ 150
Stal C10
400 ÷ 450
460
550 ÷ 650
850 ÷ 1200
Mosiądz M90
280 ÷ 350
375
650 ÷ 700
900 ÷ 950
Mosiądz M67
270 ÷ 300
375
500 ÷ 700
750 ÷ 850
Brąz B7
360 ÷ 460
500
650 ÷ 750
750 ÷ 900
Tab. 1. Temperatury charakterystyczne wybranych materiałów.
Można założyć ze temperaturą rekrystalizacji jest temperatura, w której uprzednio poddany
przeróbce plastycznej metal ulega całkowicie rekrystalizacji po wyżarzaniu trwającym 1 h. Dla
niektórych stopów niskotopliwych oraz metali, temperatura rekrystalizacji jest bliska temperaturze
pokojowej.
Temperatura rekrystalizacji jest tym wyższa, im niższy jest stopień zgniotu. W temperaturze
rekrystalizacji w miejscach, gdzie występują ziarna krystaliczne z zaburzoną siecią przestrzenną,
powstają zupełnie nowe ziarna charakteryzującą się prawidłową strukturą sieciową. Taki proces jest
nazywany procesem rekrystalizacji.
4 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Rys. 3. Wpływ temperatury następnego wyżarzania i stopnia gniotu Z na zamianę twardości metalu odkształconego
plastycznie.
źródło: Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie."
Rozrost zrekrystalizowanych ziarn przebiega samorzutnie wskutek parcia układu do
zmniejszenia energii wewnętrznej. Duże ziarna rozrastają sie kosztem mniejszych ziarn, co jest
skutkiem zaniku drobnych ziarn (czyli stop o strukturze jednofazowej będzie się wtedy składał w
większości z dużych ziarn). Wzrost temperatury wpływa na szybkość migracji granic ziarn, natomiast
zanieczyszczenia oraz domieszki obcych atomów w roztworze stopu wpływają hamująco.
Rys. 4. Wpływ zgniotu na rozmiary ziarn po rekrystalizacji metalu.
źródło: Głowacka M. "Metaloznawstwo".
Jeśli podczas nagrzewania, w
temperaturze przewyższającej znacznie temperaturę
rekrystalizacji może dojść do zjawiska nazywanego rekrystalizacją wtórną. Charakteryzuję się
szybkim rozrostem poszczególnych ziarn kosztem drobnych ziarn. Ziarna takie zwane wtórnymi w
bardzo krótkim przedziale czasowym osiągają duże rozmiary, może to być nawet kilkaset mm2.
5 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Głównym czynnikiem jaki musi być spełniony, aby wystąpił proces rekrystalizacji wtórnej jest
przynajmniej częściowe zahamowanie rozrostu ziarn pierwotnych w określonych temperaturach
wyżarzania. Takie zahamowanie może spowodować:

zanieczyszczenia;

obecność faz międzykrystalicznych na granicach ziarn;

dostatecznie duża tekstura rekrystalizacji.
Metale zrekrystalizowane w większości przypadków charakteryzują się uprzywilejowaną
budową krystalograficzną. Dominacja ziarn o jednakowej orientacji wywołana procesem
rekrystalizacji nazywana jest teksturą rekrystalizacji. Powstawanie tekstury rekrystalizacji tłumaczy
się znaczną ruchliwością granic ziarn o kącie dezorientacji 30 - 50° w metalach typu A1 oraz A2 w
skutek obrotu wokół osi <100> lub <111>.
Rozmiary ziarn po procesie rekrystalizacji głownie zależą od stopnia zgniotu, temperatury
oraz czasu wyżarzania, a także od rozkładu i rozmiarów ziarn zanim nastąpiła rekrystalizacja. Wraz ze
zwiększaniem stopnia zgniotu do momentu osiągnięcia wartości zwanej krytyczną, gabaryty ziaren
zwiększają się. Przekroczenie wartości krytycznej silnie zmniejsza gabaryty ziarn, tym bardziej im
większy był stopień zgniotu metalu przed rekrystalizacją. Wartość takiego stopnia krytycznego
zgniotu, ze względu na rodzaj metalu może wynosić 2 - 15%. Taki stopień zgniotu jest niekorzystny i
należy go unikać podczas przeróbki plastycznej na zimno, ze względu na to, że po wyżarzaniu
rekrystalizacyjnym otrzymuje się gruboziarnisty metal, o bardzo niekorzystnych właściwościach
mechanicznych.
Rys. 5. Wpływ stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji na wielkość ziarn żelaza.
źródło: Rudnik S. "Metaloznawstwo".
6 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Proces, w którym metal umacnia się nazywamy zgniotem i mierzy stopniem zgniotu. Wielkość
zgniotu Z mierzy się najczęściej zmianą przekroju poprzecznego:
gdzie: F0 - przekrój początkowy próbki przed odkształceniem,
Z
F0  F
100%
F0
F – przekrój próbki po odkształceniu.
Zgniot można również mierzyć zmianą głównego wymiaru przedmiotu, np. wydłużeniem przy rozciąganiu lub zmianą wysokości przy ściskaniu i walcowaniu : gdzie: l0 ‐ długość początkowa próbki rozciąganej, l ‐ długość końcowa próbki rozciąganej, Z
l  l0
100%
l0
h0 ‐ wysokość (grubość) początkowa próbki ściskanej (walcowanej), h ‐ wysokość ( grubość ) końcowa próbki ściskanej (walcowanej). Z
h0  h
 100%
h0
Metal umocniony w stosunku do metalu nie umocnionego wykazuje podwyższone własności wytrzymałościowe takie jak : • granica plastyczności ( Re ), • wytrzymałość i twardość ( Rm , HB ), zaś własności plastyczne , jak: • wydłużenie ( A ), • przewężenie i udarność ( z , KCU ), maleją ze wzrostem umocnienia . Z cech fizycznych ze wzrostem zgniotu maleje przewodnictwo elektryczne . a.
b.
c.
Rys. 6. Zmiany struktury pod wpływem zgniotu w metalu polikrystalicznym.
a) Przed odkształceniem;
b), c) Po odkształceniu.
7 | S t r o n a Rekrystalizacja metali W przemyśle znajduje zastosowanie obróbka cieplna zwana wyżarzaniem rekrystalizującym,
celem tej obróbki jest przywrócenie plastyczności metalowi poddane wcześniej obróbce plastycznej na
zimno.
Popularna także jest obróbka plastyczna na gorąco, np. kucie, prasowanie, walcowanie. W tym
wypadku rekrystalizacja dynamiczna lub zdrowienie dynamiczne następuje od razu po odkształceniu.
Jeżeli rekrystalizacja usuwa skutki zgniotu spowodowane odkształcenie, nie obserwuje się
umocnienia, jeśli natomiast szybkość odkształcenia jest dość duża, a temperatura niezbyt wysoka,
proces rekrystalizacji nie nadąża zachodzić i metal umacnia się. Taki przypadek może mieć też
miejsce, jeżeli zostało zastosowane szybkie chłodzenie po obróbce plastycznej. Przy walcowaniu
często dąży się do otrzymania takich warunków, w celu otrzymania dostatecznie wysokich własności
wytrzymałościowych wyrobów, taki proces nazywa się kierowanym walcowaniem.
Występujący po procesie rekrystalizacji rozrost ziarn przyczynia się do obniżenia własności
plastycznych. W tym celu za wszelką cenę unika się wytrzymywania materiału w wysokiej
temperaturze nie dłużej niż jest to wymagane do zakończenia procesu rekrystalizacji. Przyczyną
nadmiernego rozrostu ziarn może być kończenie obróbki plastycznej w zbyt wysokiej temperaturze
lub zastosowanie zgniotu krytycznego w ostatniej operacji.
8 | S t r o n a Rekrystalizacja metali Zadania do wykonania
1. Obserwacja próbek mikroskopowych. Materiał próbek żelazo Armco.

Zgniot 0, 25, 50,75 %;

Zgniot 0, 25, 50,75 % po rekrystalizacji w temperaturze 700°C - 1h;

Zgniot 50 % - temperatury 600°, 700°, 800° oraz 900°C.
2. Określić wielkość ziarna.
3. Sporządzić rysunki struktur oraz wykresy dla drugiego przypadku ( zależność φ = f(z)) i dla
trzeciego ( zależność φ = f(T)).
Stanowisko pomiarowe
1. Okular pomiarowy;
2. Zestaw próbek;
3. Mikroskop metalograficzny MET 3.
Sprawozdanie
1. Cel ćwiczenia;
2. Wstęp teoretyczny;
3. Schematy struktur wraz z opisem:
- Materiał;
- Stan materiału;
- Struktura;
- Powiększenie;
- Trawienie.
4. Wyniki badań przedstawić w formie tabelki;
9 | S t r o n a Rekrystalizacja metali 5. Sporządzić wykres przedstawiający zależność wielkości ziarna od stopnia odkształcenia wraz z
oznaczeniem zgniotu krytycznego oraz wielkości ziarna od temperatury;
6. Wnioski oraz przemyślenia.
Literatura
1. Wykład „Nauka o Materiałach" dr inż. W. Żak;
2. Dobrzański L.A. "Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwie" Wydawnictwo Naukowo Techniczne 2002.
3. Dobrzański L.A. "Metaloznawstwo i obróbka cieplna stopów metali" Wydawnictwo Politechniki
Śląskiej 1953.
4. Przybyłowicz K. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowo - Techniczne 2003.
5. Rudnik S. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Naukowe PWN 1998.
6. Głowacka M. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej 1996.
7. Gulajew A.P. "Metaloznawstwo" Wydawnictwo Śląsk 1967.
UWAGA: Przed przystąpieniem do wykonania ćwiczenia student zobowiązany jest zapoznać się z przepisami BHP 10 | S t r o n a