Rekrystalizace_2h_2cast
Download
Report
Transcript Rekrystalizace_2h_2cast
Fyzika materiálů II
Zotavení a rekrystalizace
2. část
Robert Král
[email protected]
Vliv parametrů na rekrystalizaci
Vliv hlavních parametrů na rekrystalizaci zformuloval Turnbull:
K vyvolání rekrystalizace je nezbytná určitá minimální uložená
deformační energie (minimální zpevnění plastickou deformací).
deformační zpevnění pro stejný stupeň rekryst. nutná
teplota (při stejné době žíhání).
doba žíhání pro stejný stupeň rekrystalizace stačí
teplota (při stejném výchozím deformačním zpevnění)
velikost výchozího zrna pro stejný stupeň rekrystalizace
teplota (při stejné době žíhání)
Deformace nezbytná k dosažení určitého deformačního
zpevnění roste se zvyšující se teplotou deformace (platí do
rekrystalizační teploty).
Vliv teploty žíhání
Obr. „Vliv teploty žíhání na
rekrystalizaci slitina Fe-3,5%Si
deformovaná 60%.
teplota inkubační doba
Obr. Logaritmus doby potřebné pro
rekrystalizaci 50% objemu materiálu
v závislosti na 1/T
rekrystalizace je tepelně aktivovaná
řídí se Arrheniovou rovnicí.
Vliv velikosti deformace
Obr. Hliník, deformace v tahu
žíhání při 350 °C.
deformace energie
inkubační doba
Obr. Rekrystalizační diagram
hliníku čistoty 99,6%. (velikost
zrna v závislosti na deformaci a
teplotě žíhání).
Malá deformace (2 až 5%) při rekrystalizaci výrazné zhrubnutí
zrn v důsledku nukleace malého počtu zárodků
Vliv velikosti zrna
Obr. Měď, válcovaná 93%, žíhaná při T = 225°C
Materiál s menší velikostí zrna + stejná deformace za studena
uloží se více deformační energie
zvyšuje se hnací síla rekrystalizace
kratší inkubační doba
Mění se však i její kinetika (n = 2,7 resp. 1,7).
Vliv velikosti zrna (2)
Výrazně hrubozrnný materiál, při nukleaci
zárodků pouze
na hranicích zrn, viz obr. b) nebo
ve smykových pásech, viz obr. c) ),
výsledná nerovnoměrná velikost zrn
(stejné množství zárodků v jemnozrn. materiálu
vyšší homogenita rekrystalizace)
Obr.
Rekrystalizace
na smykových
pásech v Cu
Obr. Schematické
znázornění vlivu
velikosti původního
zrna na heterogenitu
nukleace.
Vliv vrstevné chyby
Nízká energie vrstevné chyby (měď, mosaz,
austenitická ocel)
snadné rozštěpení skluzových dislokací
obtížný pohyb při příčném skluzu)
snadná tvorba Lomer-Cottrelovy bariéry
vyšší zpevnění
vyšší uloženou deformační energii
Rovina
(= hnací síla rekrystalizace)
příčného
snažší rekrystalizace
skluzu
(při nižší T, s kratší inkubační dobou).
Šroubová
dislokace
Primární
skluzová
rovina
Obr. Příčný skluz
Vysoká energie vrstevné chyby
šroubové dislokace
k rozštěpení dislokací nedochází
dislokace při deformaci za studena velmi pohyblivé
snadno se pohybují příčným skluzem i šplháním
více anihilují a tím se snižuje jejich celková hustota
snažší zotavení nižší uložená deformační energie
mnohem vyšší teplota rekrystalizace
Opakování - vrstevné chyby
V první aproximaci z elektrostatického hlediska malý rozdíl mezi
uspořádáním fcc, tj. vrstvení ABCABC… a hcp, tj. ABABAB…
Struktura fcc nejkratší mřížkový vektor (= směr skluzu) od vrcholu
krychle do středu stěny krychle, např. a/2[101] pro skluz v rovině
(111), viz b1 na obr.
Ale pro atom v pozici B na horní ploše vrstvy A, je nejsnazší posun
nejdříve do pozice C a následně do pozice B sousední s původní.
atom se tedy v průběhu skluzu ve směru [101]
může pohybovat cikcak mezi polohami
B
C
B
Při posunu z pozice B do pozice C,
vzniká vrstevná chyba v rovině (111).
Uspořádání je dostatečně stabilní,
ale je třeba určitá energie
výskyt v deformovaných kovech
Obr. Schematické znázornění skluzu v rovině (111) fcc krystalu
Opakování - vrstevné chyby (2)
Částečné dislokace (naz. Shockleyho)
se navzájem odpuzují určitou silou
vzájemně se od sebe vzdálí, viz obr.
na skluzové rovině v oblasti mezi
částečnými dislokacemi při tom
vzniknou vrstevné chyby
oblast má proto vyšší energii Burgersův
vektor
zabrání dalšímu vzdálení
částečné
částečných dislokací.
dislokace
Šířka „pásku“ vrstevné chyby je
nepřímo úměrná hodnotě energie
vrstevné chyby γSF .
Přidávání příměsí podstatné
snížení γSF vznikají velmi široké
rozštěpené dislokace, (např.
mosaz, bronz, austenitická ocel).
Burgersův vektor
úplné dislokace
a/6 [101]
Žádný
skluz
Úplný
skluz
Burgersův
vektor
částečné
dislokace
a/6 [211]
a/6 [112]
Oblast
vrstevné
chyby
Rozštěpěná dislokace v rovině (111)
Opakování - vrstevné chyby (3)
Jakkoli jsou od sebe
dvě částečné dislokace
vzdáleny, jsou spolu
svázány vrstevnou
chybou musí se
pohybovat společně.
Protínání rozštěpených
dislokací nutnost
spojení v bodě protnutí
částečné dislokace v
bodě protnutí trvale
svázány, viz obr.
Rovina
(111)
Obr. Protínání
rozštěpených
dislokací
Vrstevná
chyba
Obdobně příčný skluz
nutné spojení částečných
dislokací, viz obr. dole.
Stupeň
(jog)
Obr. Příčný skluz
rozštěpené dislokace
Rovina
(111)
Opakování - vrstevné chyby (4)
Další obvyklá porucha vzniká při reakci rozštěpených dislokací na
protínajících se rovinách {111}, viz obrázek níže. Zde kombinace
vpředu se pohybujících částečných dislokací ležících v rovinách
(111) a (111) vytvoří další částečnou
dislokaci, která se někdy nazývá
Vrstevná chyba
schodem (angl. stair-rod).
Shockleyho částečná
Tato skupina
a/6 [112]
částečných dislokací
Shockleyho částečná a/6 [211]
ve směru [101] není
Shockleyho
schopna skluzu
a rovněž přispívá k částečná
a/6 [121]
deformačnímu
zpevnění.
Schod
Dislokační reakcí
(stair-rod) Shockleyho částečná a/6 [121]
a/6 [101]
dojde ke
snížení energie
Obr. Lomerova-Cottrellova bariéra
z a2/6+a2/6 na a2/18.
Vliv čistoty materiálu
Nečistoty posunují
rekrystalizační teplotu
k vyšším hodnotám.
Obr.
Vliv čistoty hliníku
na mikrotvrdost při
žíhání
Mikrotvrdost dle Vickerse
diamantová pyramida
definovaná zátěž (100 g, 1000 g)
HV= zátěž/plochou povrchu pyramidy
Vliv nehomogenity deformační energie
Nehomogenita uložené deformační
energie
nehomogenita rekrystalizace a
nerovnoměrná velikost zrn
Obr. Malá rekrystalizovaná zrna ve slitině AA8006
(Al-Fe-Si-Mn), TEM. Vysokoúhlové hranice jsou
zobrazeny v typickém proužkovém kontrastu
Obr. Rekrystalizace
nehomogenně
deform. materiálu
(tmavší oblasti
deformovány více)
Dynamické odpevnění
Tváření materiálu za vysokých teplot mikrostrukturní změny
typické pro statické zotavení a statickou rekrystalizaci již při
deformaci nebo po jejím ukončení = dynamické odpevnění
dynamické zotavení, již při teplotách Θ 0,3
dynamická rekrystalizace, při teplotách Θ 0,7.
Dynamické zotavení - obdobné mechanismy jako statický proces:
příčný skluz
šplhání dislokací.
Rovněž vznik subzrn
méně dokonale vyvinuta
méně pravidelná dislokační struktura nízkoúhlových hranic.
Již během tváření se snižuje hustota dislokací
dosahované zpevnění kovu nižší, než při tváření za studena.
První stadium deformace hustota dislokací vzrůstá
zpevnění + současně odpevnění vytváření subzrn.
Dynamické zotavení
Po dosažení mezní deformace m dynamická rovnováha
hustota dislokací již konstantní
subzrna zůstávají rovnoosá, stejné velikosti i vzájemné orientace.
Důležitý rys dynamického zotavení - ke změnám mikrostruktury
dochází rovnoměrně v celém objemu materiálu.
Průběh změn viz obr.
Obr. Souhrn
mikrostrukturních změn
při dynamickém zotavení.
Dynamické zotavení (2)
Velikost mezní deformace m, za níž už je napětí konstantní, závisí
na rychlosti deformace
Obr. Deformační křivky
slitiny Al – 1%Mg při
teplotě 400 °C v
závislosti na rychlosti
deformace.
Dynamická rekrystalizace
Stejně jako u statického procesu - nukleace nových zrn a jejich růst.
Kinetika ale odlišná výsledné vlastnosti závislé na poměru
rychlosti deformace
rychlosti rekrystalizace
rozhodnutí o míře uplatnění odpevňovacích pochodů.
Dynamická rekrystalizace
Základ pro analýzu - závislost skutečného napětí na deformaci při
tváření za tepla
Obr. Deformační
křivky oceli
s obsahem
0,68 % C
při různých
teplotách a
rychlostech
deformace.
Průběh jako křivka 1 charakteristický pro rychlost deformace malou
ve srovnání s rychlostí rekrystalizace
materiál se vždy po určité dílčí deformaci stačí odpevnit.
Velká rychlost deformace vzhledem k rychlosti rekrystalizace
po určité deformaci rovnováha a napětí zůstává konstantní (křivky
2, resp. 3). Průběh obdobný jako při deformaci při různých teplotách.
Dynamická rekrystalizace (2)
Potřeba charakteristiky procesů současně z hlediska
teploty deformace T
rychlosti deformace
definování Zener-Hollomonova parametru Z
Q
Z exp
RT
Potom platí např.
průběh jako křivka 1 výše Zener-Hollomon. parametr Z nízký
maximum křivek výše σmax jednoznačně závisí na Z v širokém
oboru podmínek deformace
pro dynamickou rekrystalizaci nutná krit. deformace εC
dosažená těsně před maximem σmax křivek. Def. εC monotónně
klesá se Z
Dynamická rekrystalizace (3)
Vysvětlení vlnitého
průběhu deformace
viz obr.
Obr. Souvislost
průběhu křivek
napětí-deformace s
rychlostí rekrystalizace
(„S“ křivky) v dílčích
objemech materiálu:
Na obr. a) je rekrystalizace rychlá před další deformací je
materiál v dílčím objemu zcela odpevněn pro další
rekrystalizaci je třeba zvýšit deformaci, při které dojde opět ke
zpevnění a rychlé rekrystalizaci napětí s deformací kolísá
Na obr. b) je rekrystalizace pomalá „S“ křivky v různých dílčích
objemech materiálu se překrývají dynamická rovnováha mezi
zpevněním a (dynamickou) rekrystalizací napětí je konstantní.
Dynamická rekrystalizace (4)
Vývoj mikrostruktury při dynamické rekrystalizaci viz obr.
První zárodky dynamicky
rekrystalizovaných zrn vznikají na
původních hranicích zrn (při velmi
nízkých rychlostech i uvnitř) a), b)
Další zárodky pak vznikají na hranicích
těchto nových zrn kolem hranic
původních zrn široké pásy malých
rekrystalizovaných zrn c)
Může dojít i k úplné dynamické rekrystalizaci d)
Dynamická rekrystalizace
kontinuální proces deformace a nukleace nových zrn
zrna se následně dále deformují
velikost rekryst. zrn téměř nezávisí na velikosti původních zrn
Dynamická rekrystalizace – nukleace
Existující modely - růst dynam. rekryst. zrn určován distribucí a
hustotou dislokací (volných i v hranicích subzrn).
Příklad předp. hustoty dislokací v blízkosti migrující hranice viz obr.
Hranice A se pohybuje zleva
doprava do nerekryst. materiálu s
vysokou hustotou dislokací ρm
po průchodu hranice hustota
dislokací velmi nízká
pokračující deformace vyšší
hustota dislokací v novém zrně
ve velké vzdálenosti se blíží ρm
Přibližná analýza navržená
Sandström a Lagneborg (1975)
Roberts a Ahlblom (1978)
Obr. Průběh hustoty dislokací
při dynamické rekrystalizaci
Rozdíl hustoty dislokací působí síla na migrující hranici ρmGb2
Opakování – síla na dislokaci
Pokud smykové napětí v rovině skluzu je τ, a Burgersův vektor
dislokace je b, je síla působící na dislokaci, tj. síla na jednotku délky
dislokace, F = τb, což si ukážeme.
Jestliže krystal na předchozím obrázku bude mít hranu L, síla
působící na jeho vrchní stěnu bude τ L2. Tudíž, pokud se poloviny
krystalu navzájem posunou o b, bude práce vykonaná působícím
napětím (= síla vzdálenost) rovna
E = τ L2b.
Na druhé straně, práce vykonaná při pohybu dislokace (= celková
síla na dislokaci FL uražená vzdálenost) je rovna
E = FL2,
a srovnáním obou výrazů pro vykonanou práci dostáváme pro sílu
na jednotkovou délku dislokace
F=τb
Opakování – síla na dislokaci (2)
Šroubovou dislokaci uvažujeme jako válcový mezistěn o délce l a
vnějším poloměru r, viz obrázek níže, nacházející se v elasticky
izotropním médiu. Nespojitost ve vychýlení atomů je pouze ve
směru z, tj. rovnoběžném s dislokací.
Elastické deformace musí eliminovat výchylku b na délce 2πr. V
elasticky izotropním materiálu musí k eliminaci výchylky dojít
rovnoměrně podél celého obvodu, takže v polárních souřadnicích je
posuv dán výrazem w=bθ/2π v polárních souřadnicích (r, θ, z).
Odpovídající skluz potom je
z b / 2r
a smykové napětí působící na
čela válce
z b / 2r
a složky σrr a τrΘ jsou nulové.
Obr. Válcové souřadnice
pro šroubovou dislokaci
Dynamická rekrystalizace – nukleace (2)
Mobilita hranice je M výsledná rychlost
(1)
dx
2
M mGb
dt
Střední délka skluzu dislokací L rychlost přírůstku hustoty
dislokací za migrující hranicí v důsledku pokračující deformace
dána diferenciací rovnice ε = ρbL
d
(2)
d t bL
d
(3)
3
d x MLGb m
Hustota dislokací za hranicí dosáhne ρm ve vzdálenosti xc (=
= kritická velikost zárodku)
MLGb3 m2
xc
(4)
Dynamická rekrystalizace – nukleace (3)
Nukleace výduťovým (bulge) mechanismem
Kritická velikost při R=L a platí
2 GB
RL
(5)
E1 - E2
2
(6)
E GB
xC
E je část k celkové uložené deformační energie ρmGb2
z rovnice (4) dostáváme podmínku pro nukleaci
2 GB
m3
kMLGb5
(7)
Proměnné na pravé straně const. za určité teploty
3
krit. podmínka pro nukleaci = dosažení krit. hodnoty m /
Al, čisté Fe průběžně dochází ke zotavení pokles hustoty
dislokací krit. hodnota parametru není nikdy dosažena
Nízké γSF (Cu, bronz, Ni, nerez ocel) pomalé zotavení
kritická hustota dislokací rekrystalizace.
Dynamická rekrystalizace (5)
Struktura materiálu je tedy
výrazně nehomogenní.
Obr. Částečná dynamická
rekrystalizace v
polykrystalické mědi při
teplotě 400 °C a rychlosti
deformace 2 .10-2 s-1, = 0,7
Na rozdíl od stat. rekrystalizace
se velikost dynamicky rekryst.
zrn příliš nemění
Obr. Vztah mezi velikostí dynamicky
rekrystalizovaných zrn a velikostí
rekrystalizovaného podílu při deformaci
niklu při 880 °C a rychlostí 5,7 .10-2 s-1.
Dynamická rekrystalizace (6)
Do ukončení deformace nemusí plně proběhnout
dynamicky vzniklé zárodky a malá zrna (vzniklá do ukončení
deformace) dále rostou za statických podmínek.
kinetika odlišná od pochodu statického
mluvíme o metadynamické nebo postdynamické rekrystalizaci.
Dostatečně vysoké teplota deformace + pomalé ochlazování
v místech s dostatečným deformačním zpevněním za tepla
i klasické statické odpevňovací procesy zotavení a rekrystalizace.
Konečná struktura kovu může být ovlivněna ději
dynamickými, probíhají v průběhu defromace
metadynamickými struktura v okamžiku ukončení deformace
statickým zotavením/rekrystalizací během ochlazování.
Struktura ovlivněna
teplota
rychlost a velikost deformace
významný vliv energie vrstevné chyby.
Dynamická rekrystalizace (7)
Vysoká energie vrstevné chyby (slitiny Al)
především zotavení typická polygonizovaná struktura,
zachováno určité zpevnění materiálu.
Nízká energie vrstevné chyby (slitiny Cu, γ-Fe)
po tváření za tepla možná odpevněná struktura blízká
rekrystalizovanému stavu.
Příklad změny vlastností
hliníku a mědi v závislosti na
teplotě deformace viz obr.
Obr. Pokles pevnosti na
mezi kluzu v závislosti na
teplotě deformace u
hliníku a mědi válcované
s redukcí 50%.