Transcript Plastisk deformasjon i metaller PS cos cos AS Figur 2.
Slide 1
Plastisk deformasjon i metaller
PS
cos cos
AS
Figur 2. Plastisk flyt i korn.
Dannelse av glidelinjer skjer
først i korn der glideplanene
står 45 på strekkspenningen
1
Slide 2
Glidelinjer i stål
2
Slide 3
Planglidning
1
45
y
°
! flytegrensen er ikke så høy !
Det må være noe vi ”glemmer”
3
Slide 4
Dislokasjoner
4
Slide 5
Dislokasjoner
5
Slide 6
Dislokasjoner
Figur 6. Kant- og skruedislokasjon
Skjærspenningen får dislokasjoner til å vandre i et
glideplan. En kantdislokasjon (figurene til
venstre) beveger seg i skjærspenningens
retning. En skruedislokasjon (figurene til høyre)
beveger seg vinkelrett på skjærspenningen
6
Slide 7
Formering av dislokasjoner
Annihilering
av dislokasjon
7
Slide 8
Plastisk flyt i metaller
•
•
•
•
•
•
Skjer alltid som skjærdeformasjon (som følge av
skjærspenninger)
Skyldes glidning langs tettpakkede plan ({111} i fcc) eller
ganske tette plan ({110} mfl. i bcc) (hcp-metaller har kun ett
tett plan (1000) og er mindre duktil)
MEN atomplanene glir ikke i sin helhet, de glir ved at
dislokasjoner vandrer i planet, drevet av skjærspenning
Ved vedvarende plastisk flyt (dislokasjonsbevegelser)
formerer dislokasjonene seg
Når det har blitt veldig mange dislokasjoner, vil de møte
hverandre på en slik måte at det blir konflikt om
glideplanene, duktilitetsgrensen er nådd, videre
deformasjon vil gi brudd
Alle måter / mekanismer som bremser dislokasjonenes evne
til vandring, vil gi en herdeeffekt (dvs. det kreves høyere
spenning for å oppnå flyt)
8
Slide 9
Herdemekansimer
•
•
•
•
•
Herdemekanismer
Herding av metaller betyr å øke flytegrensen, dvs. å gjøre det
”tyngre” for dislokasjonene å vandre. Dette kan skje på forskjellige
måter.
Ved at det er fremmedatomer i gitteret. Det er da ikke så ensartet og
dislokasjonene har vanskeligere for å passere. Dette kalles
løsningsherding.
Ved at det er partikler eller inneslutninger i krystallene. Dette kalles
partikkelherding. Den sterkeste effekt av partikkelherding fås når
partiklene er mange og små. Det finner vi i utherdbare
aluminiumlegeringer, der partiklene er koherente (bryter ikke
gitteret). I kulegrafittjern (seigjern) er partiklene store og runde, og
gir liten herdevirkning, kulegrafittjern ganske duktilt.
Ved at det genereres så mange dislokasjoner at de henger seg opp i
hverandre. Dette kalles deformasjonsherding, og utnyttes i
kaldbearbeiding av metaller (hardvalsing). Hardvalset materiale kan
gjøres bløtt igjen ved en varmebehandling som setter fart på
atomene slik at dislokasjonstettheten går ned til det normale igjen.
9
Slide 10
Herding av aluminium
• Aluminium er et lettmetall med meget stor anvendelse.
Aluminium kan som kjent tilvirkes ved støping,
profilpressing og platevalsing. Aluminium er godt
sveisbart og det finnes mange legeringer som har
gode maskineringsegenskaper.
• Aluminium i alle former kan også behandles slikt at
fastheten økes, dvs. herdes.
• Aluminium har kubisk flatesentrert struktur (fcc).
Dette innebærer at aluminium i ren, glødet form vil
være meget duktilt. Ultrarent, mykglødet aluminium vil
ha flytegrense omkring 3-5 MPa.
• Aluminiumlegeringer angis oftest ved det
amerikanske nummersystemet, med det finnes også
norske standarder, NS 17xxx.
10
Slide 11
Deformasjonsherding
• Kalddeformasjon vil gi en fasthetsøkning av alle
formbare aluminiumlegeringer, ”knalegeringer”.
Knalegeringer kan valses helt til 75% arealreduksjon ,
som betegnes deformasjonstilstand H18, ”helhard”.
A1 A0
100%
A0
11
Slide 12
Oppløsningsherding
•
•
•
•
Herding pga. oppløste elementer
Alle metaller får økt flytegrense ved innlegering av andre elementer.
Når løselighetsgrensen ikke overskrides, beholdes samtidig en god
duktilitet fordi legeringen kun har en fase. Når løseligheten
overskrides blir det to faser og legeringen blir sprøere. Dette
utnyttes når avsponingsegenskapene er viktigere enn seigheten.
Aluminium løser magnesium. Opp mot 5% Mg kan beholdes i
løsning i kald tilstand (selv om løselighetsgrensen er svakt
overskredet). Innlegeringen av Mg fører til en meget gunstig
løsningsherding. Flytegrensen er 110 MPa uten kaldbearbeiding.
(AA 5000, NS 17210)
Mangan løses kun opp til 1,8%, men kaldbearbedingsegenskapene
er svært gode. AlMn-legeringer som er de aluminiumlegeringene
som benyttes i størst tonnasje. Fastheten er omkring 50 MPa, men
øker ved kaldbearbeiding. Al-1Mn har meget gode
kaldbearbeidingsegenskaper og benyttes til plater for mange formål
samt ikke minst til bokser for brus og øl. (AA 3000, NS 17405)
12
Slide 13
Partikkelherding
•
•
•
Partikkelherding
Alle partikler som er innesluttet i metallkorn gjør det
vanskeligere for dislokasjoner å vandre gjennom kornet,
dvs. vi får en herdeeffekt. Billig ”renaluminium”, 99-99,7% Al
(AA-1000-legeringer, NS 170xx legeringer) vil alltid
inneholde partikler av FeAl3, som gir en fasthetsøkning i
forhold til aluminium 99,9%) eller ultraren aluminium.
Flytegrensa er omkring 30 MPa uten kaldbearbeiding.
Legeringene benyttes vanligvis i plater og profiler som har
en viss kaldbearbeiding. De er noe problematiske å
maskinere pga. klebing på verktøy.
Varmebehandling kan gjøres i mange varianter for å herde
aluminium. Det er viktig å forstå at prosessen er prinsipielt
forskjellig fra stålherding. Alle varmebehandlingsherdinger
spiller på varianter av partikkelherding.
13
Slide 14
Partikkelherding
14
Slide 15
Utherdbar aluminiumlegering
Fasediagrammet
Strukturen som støpt
15
Slide 16
Innherding
16
Slide 17
Utherdingen
Figur 1 Homogenisert
Figur 2 Diffusjon til
begynnende partikler,
GP-soner
Figur 3 Koherente
partikler
Figur 4 Overelding,
koherensbrudd
Anmerkning: partiklene etter overelding er egl. svært mye større enn de koherente
partiklene (og langt færre)
17
Slide 18
Prosessoptimalisering
18
Slide 19
Forskjellige utherdbare Al-legeringer
19
Slide 20
Aluminiumlegeringer
AW EN nummer
1xxx
2xxx
3xxx
4xxx
5xxx
6xxx
7xxx
8xxx
Legeringselementer
T1
Varmebehandling
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Legeringselementer
Varmebehandling
Super- or commercial-purity Al.
Al-Cu(-Mg)
Al-Mn(-Mg)
Al-Si
Al-Mg
Al-Mg-Si
Al-Zn-Mg(-Cu)
Other alloys
Non-heat-treatable
Heat-treatable
Non-heat-treatable
Non-heat-treatable
Non-heat-treatable
Heat-treatable
Heat-treatable
Cooled from elevated temperature shaping process > Naturally aged to a substantially stable
condition
Cooled from elevated temperature shaping process > Cold worked > Naturally aged
Solution heat treated > Cold worked > Naturally aged
Solution heat treated > Naturally aged
Cooled from high temperature shaping > Artificially aged
Solution heat treated > Artificially aged
Solution heat treated > Overaged (i.e. beyond maximum strength)
Solution heat treated > Cold worked > Artificially aged
Solution heat treated > Artificially aged > Cold worked
Det brukes også 2-sifrede angivelser. Disse er fabrikksangivesler, HXY.
Kaldbearbeiding
X
1
2
3
4
Secondary treatment
Cold worked only (no anneal)
Cold worked + partial anneal
Cold worked + "stabilised"
Cold worked + baked
Y
2
4
6
8
9
Degree of strain hardening
1/4 hard
1/2 hard
3/4 hard
fully hard
extra hard
20
Slide 21
Al Li
21
Slide 22
AlLi
”Weldalite”
AW 2090
Flere ?
Hvilke primære fordeler?
Hvilke herdemekanismer er brukt?
Hvilke ulemper?
Hvilke varmebehandlingstilstander?
22
Plastisk deformasjon i metaller
PS
cos cos
AS
Figur 2. Plastisk flyt i korn.
Dannelse av glidelinjer skjer
først i korn der glideplanene
står 45 på strekkspenningen
1
Slide 2
Glidelinjer i stål
2
Slide 3
Planglidning
1
45
y
°
! flytegrensen er ikke så høy !
Det må være noe vi ”glemmer”
3
Slide 4
Dislokasjoner
4
Slide 5
Dislokasjoner
5
Slide 6
Dislokasjoner
Figur 6. Kant- og skruedislokasjon
Skjærspenningen får dislokasjoner til å vandre i et
glideplan. En kantdislokasjon (figurene til
venstre) beveger seg i skjærspenningens
retning. En skruedislokasjon (figurene til høyre)
beveger seg vinkelrett på skjærspenningen
6
Slide 7
Formering av dislokasjoner
Annihilering
av dislokasjon
7
Slide 8
Plastisk flyt i metaller
•
•
•
•
•
•
Skjer alltid som skjærdeformasjon (som følge av
skjærspenninger)
Skyldes glidning langs tettpakkede plan ({111} i fcc) eller
ganske tette plan ({110} mfl. i bcc) (hcp-metaller har kun ett
tett plan (1000) og er mindre duktil)
MEN atomplanene glir ikke i sin helhet, de glir ved at
dislokasjoner vandrer i planet, drevet av skjærspenning
Ved vedvarende plastisk flyt (dislokasjonsbevegelser)
formerer dislokasjonene seg
Når det har blitt veldig mange dislokasjoner, vil de møte
hverandre på en slik måte at det blir konflikt om
glideplanene, duktilitetsgrensen er nådd, videre
deformasjon vil gi brudd
Alle måter / mekanismer som bremser dislokasjonenes evne
til vandring, vil gi en herdeeffekt (dvs. det kreves høyere
spenning for å oppnå flyt)
8
Slide 9
Herdemekansimer
•
•
•
•
•
Herdemekanismer
Herding av metaller betyr å øke flytegrensen, dvs. å gjøre det
”tyngre” for dislokasjonene å vandre. Dette kan skje på forskjellige
måter.
Ved at det er fremmedatomer i gitteret. Det er da ikke så ensartet og
dislokasjonene har vanskeligere for å passere. Dette kalles
løsningsherding.
Ved at det er partikler eller inneslutninger i krystallene. Dette kalles
partikkelherding. Den sterkeste effekt av partikkelherding fås når
partiklene er mange og små. Det finner vi i utherdbare
aluminiumlegeringer, der partiklene er koherente (bryter ikke
gitteret). I kulegrafittjern (seigjern) er partiklene store og runde, og
gir liten herdevirkning, kulegrafittjern ganske duktilt.
Ved at det genereres så mange dislokasjoner at de henger seg opp i
hverandre. Dette kalles deformasjonsherding, og utnyttes i
kaldbearbeiding av metaller (hardvalsing). Hardvalset materiale kan
gjøres bløtt igjen ved en varmebehandling som setter fart på
atomene slik at dislokasjonstettheten går ned til det normale igjen.
9
Slide 10
Herding av aluminium
• Aluminium er et lettmetall med meget stor anvendelse.
Aluminium kan som kjent tilvirkes ved støping,
profilpressing og platevalsing. Aluminium er godt
sveisbart og det finnes mange legeringer som har
gode maskineringsegenskaper.
• Aluminium i alle former kan også behandles slikt at
fastheten økes, dvs. herdes.
• Aluminium har kubisk flatesentrert struktur (fcc).
Dette innebærer at aluminium i ren, glødet form vil
være meget duktilt. Ultrarent, mykglødet aluminium vil
ha flytegrense omkring 3-5 MPa.
• Aluminiumlegeringer angis oftest ved det
amerikanske nummersystemet, med det finnes også
norske standarder, NS 17xxx.
10
Slide 11
Deformasjonsherding
• Kalddeformasjon vil gi en fasthetsøkning av alle
formbare aluminiumlegeringer, ”knalegeringer”.
Knalegeringer kan valses helt til 75% arealreduksjon ,
som betegnes deformasjonstilstand H18, ”helhard”.
A1 A0
100%
A0
11
Slide 12
Oppløsningsherding
•
•
•
•
Herding pga. oppløste elementer
Alle metaller får økt flytegrense ved innlegering av andre elementer.
Når løselighetsgrensen ikke overskrides, beholdes samtidig en god
duktilitet fordi legeringen kun har en fase. Når løseligheten
overskrides blir det to faser og legeringen blir sprøere. Dette
utnyttes når avsponingsegenskapene er viktigere enn seigheten.
Aluminium løser magnesium. Opp mot 5% Mg kan beholdes i
løsning i kald tilstand (selv om løselighetsgrensen er svakt
overskredet). Innlegeringen av Mg fører til en meget gunstig
løsningsherding. Flytegrensen er 110 MPa uten kaldbearbeiding.
(AA 5000, NS 17210)
Mangan løses kun opp til 1,8%, men kaldbearbedingsegenskapene
er svært gode. AlMn-legeringer som er de aluminiumlegeringene
som benyttes i størst tonnasje. Fastheten er omkring 50 MPa, men
øker ved kaldbearbeiding. Al-1Mn har meget gode
kaldbearbeidingsegenskaper og benyttes til plater for mange formål
samt ikke minst til bokser for brus og øl. (AA 3000, NS 17405)
12
Slide 13
Partikkelherding
•
•
•
Partikkelherding
Alle partikler som er innesluttet i metallkorn gjør det
vanskeligere for dislokasjoner å vandre gjennom kornet,
dvs. vi får en herdeeffekt. Billig ”renaluminium”, 99-99,7% Al
(AA-1000-legeringer, NS 170xx legeringer) vil alltid
inneholde partikler av FeAl3, som gir en fasthetsøkning i
forhold til aluminium 99,9%) eller ultraren aluminium.
Flytegrensa er omkring 30 MPa uten kaldbearbeiding.
Legeringene benyttes vanligvis i plater og profiler som har
en viss kaldbearbeiding. De er noe problematiske å
maskinere pga. klebing på verktøy.
Varmebehandling kan gjøres i mange varianter for å herde
aluminium. Det er viktig å forstå at prosessen er prinsipielt
forskjellig fra stålherding. Alle varmebehandlingsherdinger
spiller på varianter av partikkelherding.
13
Slide 14
Partikkelherding
14
Slide 15
Utherdbar aluminiumlegering
Fasediagrammet
Strukturen som støpt
15
Slide 16
Innherding
16
Slide 17
Utherdingen
Figur 1 Homogenisert
Figur 2 Diffusjon til
begynnende partikler,
GP-soner
Figur 3 Koherente
partikler
Figur 4 Overelding,
koherensbrudd
Anmerkning: partiklene etter overelding er egl. svært mye større enn de koherente
partiklene (og langt færre)
17
Slide 18
Prosessoptimalisering
18
Slide 19
Forskjellige utherdbare Al-legeringer
19
Slide 20
Aluminiumlegeringer
AW EN nummer
1xxx
2xxx
3xxx
4xxx
5xxx
6xxx
7xxx
8xxx
Legeringselementer
T1
Varmebehandling
T2
T3
T4
T5
T6
T7
T8
T9
Legeringselementer
Varmebehandling
Super- or commercial-purity Al.
Al-Cu(-Mg)
Al-Mn(-Mg)
Al-Si
Al-Mg
Al-Mg-Si
Al-Zn-Mg(-Cu)
Other alloys
Non-heat-treatable
Heat-treatable
Non-heat-treatable
Non-heat-treatable
Non-heat-treatable
Heat-treatable
Heat-treatable
Cooled from elevated temperature shaping process > Naturally aged to a substantially stable
condition
Cooled from elevated temperature shaping process > Cold worked > Naturally aged
Solution heat treated > Cold worked > Naturally aged
Solution heat treated > Naturally aged
Cooled from high temperature shaping > Artificially aged
Solution heat treated > Artificially aged
Solution heat treated > Overaged (i.e. beyond maximum strength)
Solution heat treated > Cold worked > Artificially aged
Solution heat treated > Artificially aged > Cold worked
Det brukes også 2-sifrede angivelser. Disse er fabrikksangivesler, HXY.
Kaldbearbeiding
X
1
2
3
4
Secondary treatment
Cold worked only (no anneal)
Cold worked + partial anneal
Cold worked + "stabilised"
Cold worked + baked
Y
2
4
6
8
9
Degree of strain hardening
1/4 hard
1/2 hard
3/4 hard
fully hard
extra hard
20
Slide 21
Al Li
21
Slide 22
AlLi
”Weldalite”
AW 2090
Flere ?
Hvilke primære fordeler?
Hvilke herdemekanismer er brukt?
Hvilke ulemper?
Hvilke varmebehandlingstilstander?
22