1. CEL ĆWICZENIA 2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE

Ćwiczenie 11
ZGNIOT I REKRYSTALIZACJA*
1. CEL ĆWICZENIA
Celem ćwiczenia jest poznanie wpływu nagrzewania na zmianę własności mechanicznych i
mikrostrukturę metalu poddanego uprzednio odkształceniu plastycznemu na zimno.
2. WIADOMOŚCI PODSTAWOWE
Pod działaniem sił zewnętrznych metale odkształcają się, co uwidacznia się w zmianie ich
wymiarów, kształtu i objętości, nie ulegając przy tym zniszczeniu. Rozróżniamy odkształcenia
sprężyste i plastyczne.
2.1. Odkształcanie sprężyste
Odkształcanie sprężyste jest zjawiskiem przemijającym, które zanika po odciążeniu, a
odkształcony element metalowy powraca do swego pierwotnego kształtu i wymiarów.
W skali makroskopowej wartość odkształcenia liniowego  jest proporcjonalna do naprężenia
rozciągającego , co można opisać prawem Hooke’a:
  E 
(1)
Stałą proporcjonalności jest wielkość E określana mianem modułu Younga lub współczynnikiem
sprężystości wzdłużnej.
W strukturze metalu pod wpływem przyłożonego obciążenia następuje zmiana odległości
pomiędzy atomami w sieci krystalicznej. W przypadku działania sił rozciągających komórki sieciowe
wydłużają się w kierunku działania obciążenia, zaś w przypadku sił ściskających nieznacznie się
skracają. W wyniku wzajemnego oddziaływania pomiędzy wysuniętymi ze swych położeń równowagi
atomami powstają wewnątrz odkształconego materiału siły wewnętrzne, które dążą do przywrócenia
stanu równowagi. Pod wpływem tych sił element metalowy po odciążeniu powraca do swego
pierwotnego kształtu. Wartość modułu Younga E jest zatem miarą oporu stawianego przez sąsiadujące
atomy podczas niewielkich zmian odległości.
2.2. Odkształcanie plastyczne
Obciążenie metalu powyżej granicy sprężystości powoduje odkształcenie plastyczne tj.
odkształcenie trwałe. Odciążony element metalowy wykazuje trwałą zmianę początkowego kształtu.
Odkształcenie plastyczne w materiałach metalowych zachodzi w drodze poślizgu lub bliźniakowania.
Odkształcenie przez poślizg polega na tym, że pod wpływem sił zewnętrznych następują
przesunięcia względem siebie części kryształu (ziarna) w kierunkach najgęstszego (stycznego)
ułożenia atomów wzdłuż określonych płaszczyzn krystalograficznych, które noszą nazwę płaszczyzn
łatwego poślizgu. Płaszczyznami łatwego poślizgu, w których metal stawia najmniejszy opór
odkształceniu, są płaszczyzny z najgęstszym ułożeniem atomów. Płaszczyzny łatwych poślizgów w
układach krystalograficznych typu A1 (RSC), A2 (RPC) oraz A3 (HZ) przedstawia rys. 11.1.
*
Opracował: Stanisław Rudnik.
Rys. 11.1. Płaszczyzny łatwego poślizgu w elementarnych komórkach sieciowych.
Jak widać najmniej płaszczyzn i kierunków łatwego poślizgu występuje w układzie
heksagonalnym A3, toteż metale krystalizujące w tym układzie, jak np. cynk, magnez, kadm, tytan,
odznaczają się najmniejszą plastycznością. Metale krystalizujące w układzie regularnym
płaskocentrycznym A1, jak np. ołów, aluminium, miedź, srebro, złoto, charakteryzują się największą
podatnością do odkształcania plastycznego.
Jak to wynika ze statycznej próby rozciągania monokryształu wzajemne przesuwanie się warstw
metalu względem siebie powoduje pewne zniekształcenia sieci krystalicznej w sąsiedztwie
płaszczyzny poślizgu, co wpływa hamująco na ruch poślizgowy, tak, że przemieszcza się on na drugą
z kolei płaszczyznę o tej samej orientacji krystalograficznej. W ten sposób tworzą się stopniowo nowe
płaszczyzny poślizgu, oddzielone nie odkształconymi warstwami metalu. Grubość tych warstw, czyli
odległość pomiędzy sąsiadującymi płaszczyznami poślizgu wynosi około 10-6m. Mechanizm
powstawania poślizgów w monokrysztale cynku przedstawiono na rys. 11.2.
Przedstawiony wyżej mechanizm odkształcenia plastycznego
nie jest ścisły. W rzeczywistości poślizg przy odkształceniu
plastycznym jest procesem przemieszczania się dyslokacji, jak to
schematycznie przedstawiono na rys. 11.3.
Jeżeli na kryształ o idealnej sieci krystalicznej działa siła
zewnętrzna P, to początkowo wystąpią przesunięcia sprężyste
atomów w pionowych rzędach 1, 2 oraz 3 nad płaszczyzną
poślizgu A–A (rys. 11.3a). Przy dalszym wzroście siły P drugi
rząd atomów wytworzy półpłaszczyznę, na krawędzi której
powstanie zaburzenie, tj. dyslokacja (rys. 11.3b); teraz wystarczy
przyłożyć niedużą siłę zewnętrzną, aby spowodować przesuwanie
się poszczególnych pionowych rzędów atomów nad płaszczyznę
poślizgu A–A. Przesunięcia te jednorazowo nie są większe niż
jedna odległość międzyatomowa (rys. 11.3c). W ten sposób
Odkształcenie
dyslokacja będzie się przenosiła na dalsze rzędy atomów (4, 5 Rys. 11.2.
plastyczne przez poślizg w
itd.), jak gdyby pewnego rodzaju sztafeta, wychodząc w końcu na
monokrysztale cynku.
powierzchnię kryształu (rys. 11.3d). Wówczas na powierzchni tej
wytworzy się uskok o wielkości jednej stałej sieciowej, a
dyslokacja zaniknie. Końcowym wynikiem opisanego wyżej ruchu dyslokacji będzie przesunięcie
części kryształu wzdłuż płaszczyzny poślizgu o jedną odległość międzyatomową. Według tego
mechanizmu odkształcenia do wytworzenia dyslokacji niezbędna jest jedynie dosyć duża siła
początkowa P . Jeśli dyslokacja już powstała, to do wywołania odkształcenia potrzebne są znacznie
mniejsze siły.
Rys. 11.3. Dyslokacyjny schemat przebiegu poślizgu.
Bliźniakowanie jest drugim typowym mechanizmem plastycznego odkształcania metali. Tego
rodzaju odkształcenie zachodzi szczególnie łatwo u metali krystalizujących w układzie regularnym
płaskocentrycznym A1 i heksagonalnym zwartym A3. Tworzenie się kryształów bliźniaczych polega
na tym, że część kryształu przyjmuje położenie będące zwierciadlanym odbiciem pozostałej jego
części, jak to przedstawia rys. 11.4. Przesunięcie poszczególnych warstw atomowych jest
proporcjonalne do ich odległości od płaszczyzny bliźniaczej.
Rys. 11.4. Odkształcenia plastyczne w drodze bliźniakowania.
Przebieg odkształcenia ciała polikrystalicznego, jakim jest metal, jest bardziej złożony.
Sąsiedztwo ziaren o różnej orientacji krystalicznej, jak również występowanie zanieczyszczeń na ich
granicach, wpływa hamująco na przebieg poślizgów w poszczególnych ziarnach.
2.3. Umocnienie
Zmiany, które zachodzą w strukturze i własnościach metali pod wpływem odkształcenia
plastycznego na zimno obejmuje się pojęciem zgniotu. Za miarę zgniotu przyjęto stopień
odkształcenia wyrażony ubytkiem przekroju w procentach w oparciu o wzór:
z% 
F0  F1
100%
F0
(2)
gdzie: z – stopień zgniotu w procentach,
F0 – powierzchnia przekroju próbki przed odkształceniem,
F1 – powierzchnia przekroju próbki po odkształceniu.
W czasie odkształcenia plastycznego następuje stopniowe zahamowanie ruchów poślizgowych w
płaszczyznach poślizgu, skutkiem czego opór przeciwko odkształceniu stopniowo wzrasta. Aby je
dalej kontynuować, trzeba stosować coraz to większe siły. Zjawisko to związane jest ze wzrostem
ilości dyslokacji, utrudnionym przejściem dyslokacji przez przeszkody oraz wzrostem wewnętrznego
stanu naprężenia wywołanego przez wzajemne oddziaływanie ziaren. Taki przebieg zjawiska można
zaobserwować zarówno w monokryształach, jak i w ciałach polikrystalicznych, przy czym w tym
ostatnim przypadku należy jeszcze uwzględnić wpływ granic ziaren. W wyniku umocnienia własności
wytrzymałościowe metali wzrastają, natomiast własności plastyczne ulegają obniżeniu; zmieniają się
także własności fizyczne i chemiczne metalu.
2.4. Wpływ nagrzewania na strukturę i własności
odkształconego metalu
Odkształcony plastycznie na zimno metal będzie się znajdować w stanie równowagi nietrwałej.
Dla większości metali stan ten może utrzymywać się w temperaturze pokojowej dowolnie długo bez
żadnych zmian, gdyż ruchliwość atomów jest zbyt mała, aby usunąć naprężenia panujące w sieci
przestrzennej i przywrócić jej prawidłową budowę. Dopiero po nagrzaniu, w związku ze zwiększoną
ruchliwością atomów, skutki zgniotu zostają usunięte i metal odzyskuje strukturę krystaliczną zgodną
z ze stanem równowagi termodynamicznej i odpowiednie własności, jak to przedstawiono na
rys. 11.5.
Rys. 11.5. Wpływ nagrzewania na strukturę i własności zgniecionego metalu.
Całość zjawisk zachodzących podczas nagrzewania zgniecionego metalu można podzielić na
następujące etapy:
1) zdrowienie,
2) poligonizacja,
3) rekrystalizacja pierwotna,
4) rozrost ziaren,
5) rekrystalizacja wtórna.
W pierwszej fazie nagrzewania metalu do w zakresie niewysokiej temperatury następuje jedynie
częściowe usunięcie naprężeń sieci krystalicznej zgniecionego metalu, który to proces nazywamy
zdrowieniem.
W mikrostrukturze metalu w czasie zdrowienia nie zachodzą żadne zmiany. Własności
mechaniczne zmieniają się w tym okresie bardzo nieznacznie; większym zmianom podlegają niektóre
własności fizyczne (przewodnictwo elektryczne) oraz chemiczne (odporność na korozję). Przy nieco
wyższej temperaturze następuje w ziarnach proces poligonizacji. Dyslokacje, które w zgniecionym
metalu rozmieszczone są w sposób nieuporządkowany, jak to przedstawia rys. 11.6a, przemieszczają
się wzdłuż płaszczyzn łatwego poślizgu, grupując się w rzędach, jak to widać na rys. 11.6b. Proces ten
prowadzi do powstania granic subziaren (bloków), tj. obszarów o nieznacznie różniącej się orientacji
krystalograficznej. W ten sposób ziarna zgniecionego metalu rozpadają się na szereg subziaren
skręconych względem siebie o niewielkie kąty rzędu paru minut.
Rys. 11.6. Schemat przebiegu poligonizacji.
Pełne usunięcie naprężeń istniejących w sieci przestrzennej i przywrócenie zgniecionemu
metalowi prawidłowej struktury krystalicznej oraz odpowiednich własności następuje dopiero po
nagrzaniu go powyżej określonej temperatury, zwanej temperaturą rekrystalizacji. W tej temperaturze,
w miejsce odkształconych ziaren z zaburzoną siecią przestrzenną, powstają nowe ziarna o prawidłowej
strukturze sieciowej, w wyniku czego zanika umocnienie metalu – następuje spadek jego
wytrzymałości i twardości, a wzrost plastyczności.
Temperatura rekrystalizacji zależy przede wszystkim od temperatury topnienia metalu, co zostało
przez Boczwara wyrażone wzorem:
Tr    Tt
(3)
gdzie: Ty – bezwzględna temperatura rekrystalizacji,
Tt – bezwzględna temperatura topnienia,
 – współczynnik wahający się zwykle w granicach 0,35-0,60.
Podczas dalszego podgrzewania zrekrystalizowane ziarna rozrastają się. Proces ten przebiega
samorzutnie wskutek naturalnego dążenia układu do zmniejszenia zasobu swej energii wewnętrznej.
Duże ziarna, mające większą powierzchnię przypadającą na jednostkę swej objętości, z punktu
widzenia termodynamiki jest bardziej trwałe niż ziarna drobne. Duże ziarna rozrastają się kosztem
ziaren drobnych, aż do zupełnego ich zaniku. Rekrystalizacja wtórna zachodzi w czasie wygrzewania
po rekrystalizacji pierwotnej w temperaturze znacznie przewyższających temperaturę rekrystalizacji
Tr. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziaren kosztem ziaren drobnych. Ziarna wtórne mogą
w krótkim czasie osiągnąć bardzo duże wymiary, nawet wielkość kilkuset mm2.
2.5. Wielkość ziarna po zgniocie i rekrystalizacji
Wielkość ziarna po przeróbce plastycznej na zimno i następnie rekrystalizacji zależy przede
wszystkim od dwóch czynników, a to: stopnia zgniotu oraz temperatury wyżarzania
rekrystalizującego. Zależność wielkości ziarna po rekrystalizacji od stopnia uprzedniego zgniotu
została przedstawiona na rys. 11.7. Widoczne jest, że przy małym stopniu odkształcenia nie obserwuje
się żadnych zmian w średnim rozmiarze ziarna.
Po osiągnięciu pewnego stopnia odkształcenia, zwanego
krytycznym stopniem zgniotu, w wyniku rekrystalizacji
powstają ziarna bardzo dużych rozmiarów. Dopiero dalsze
podwyższanie stopnia zgniotu powoduje silne zmniejszanie
się ziarna po rekrystalizacji i to tym większe, im większy był
stopień odkształcenia plastycznego na zimno. Wielkość
krytycznego stopnia zgniotu jest nieduża i dla większości
metali waha się w granicach 5-10%. Oprócz stopnia zgniotu
na wielkość ziarna wpływa również temperatura
rekrystalizacji. Im jest ona wyższa, tym większe otrzymuje się
ziarno, gdyż szybkość rozrastania się kryształów rośnie ze
Rys. 10.7.
Zależność
wzrostem temperatury. Zależność wielkości ziarna od stopnia wielkości ziarna po rekrystalizacji
zgniotu i temperatury rekrystalizacji można przedstawić na
od uprzedniego stopnia zgniotu.
modelu przestrzennym, jak to dla żelaza podaje rys. 11.8.
Rys. 10.8. Zależność wielkości ziarna od stopnia zgniotu i temperatury rekrystalizacji.
3. MATERIAŁY I URZĄDZENIA
Wyżarzone aluminiowe paski o wymiarach 150x10x0,3mm w ilości 6 sztuk, rysik, suwmiarka,
ręczna rozciągarka, Komorowy piec, lupa 5 x, odczynnik trawiący (5% HF).
4. PRZEBIEG ĆWICZENIA
W ramach ćwiczenia należy:
1) przygotować paski aluminiowe do rozciągania, zaznaczając rysikiem w środku bazę pomiarową o
długości l0mm,
2) poddać rozciąganiu poszczególne paski aluminiowe, wywołując odkształcenie: = 2; 3; 5; 8; 10%,
3) odkształcone paski aluminiowe poddać wyżarzaniu w temperaturze 580°C przez okres 0,5
godziny,
6) trawić wyżarzone paski aluminium do momentu ujawnienia na ich powierzchni ziarnistej
mikrostruktury,
7) dla każdego paska określić liczbę ziaren na powierzchni cm2,
8) obliczyć średnią wielkość ziarna poszczególnych pasków.
5. WYTYCZNE DO OPRACOWANIA SPRAWOZDANIA
Sprawozdanie winno zawierać opracowanie wszystkich zadań przedstawionych w formularzu
sprawozdania. Formularz sprawozdania do ćwiczenia dostępny jest jako plik komputerowy.
6. LITERATURA
[1]
[2]
[3]
[4]
Rudnik S., Metaloznawstwo, PWN, Warszawa 1986.
Blicharski M. Wstęp do inżynierii materiałowej, WNT, Warszawa 2001.
Dobrzyński L., Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, WNT, Warszawa 2002.
Przybyłowicz K., Metaloznawstwo, WNT, Warszawa 1992.