Metody dużego odkształcenia plastycznego

Transkrypt

1 Metody dużego odkształcenia plastycznego Metody dużego odkształcenia plastycznego SPD (ang. severe plastic deformation) to grupa technik polegających na przekształcaniu struktury mikrometrycznej materiałów, w strukturę ultradrobną UFG (wielkość ziaren nm) i nanometryczną (wielkość ziaren <100 nm) poprzez reorganizację struktury dyslokacyjnej, wytwarzanej podczas odkształcenia plastycznego. Po przekroczeniu odkształcenia krytycznego (dużo większego, niż w przypadku klasycznej przeróbki plastycznej) pasma ścinania, komórki i ścianki dyslokacyjne ulegają przegrupowaniu. Dodatkowo zmniejszają się odległości między granicami ziaren, a ich kąt dezorientacji powiększa się. Końcowym produktem jest nanokrystaliczna struktura zawierająca ziarna z granicami szerokokątowymi. Dla każdego materiału występuje charakterystyczna, minimalna wielkość ziarna możliwa do osiągnięcia poprzez rozdrobnienie struktury metodami SPD. Wielkość jest zależna od skłonności materiału do anihiliacji defektów generowanych podczas odkształcenia (głównie dyslokacji) oraz szybkości procesów zdrowienia i rekrystalizacji. Metody dużego odkształcenia plastycznego w przeciwieństwie do klasycznej przeróbki plastycznej nie prowadzi się w celu zmiany kształtu wyjściowego materiału! Służą tylko i wyłącznie do przekształcenia struktury na ultradrobną i nanometryczną. Istotna z punktu widzenia wszystkich metod dużego odkształcenia jest zależność Halla- Petcha (H-P). Opisuje proces umocnienia przez granice ziaren (rozdrobnienie struktury). Została opracowana przez E. O Halla i N. J. Petcha w latach 50 XX wieku. Relacja opisuje zależność granicy sprężystości/granicy plastyczności/twardości od średniego wymiaru ziarna (a dokładniej od zmiany tego wymiaru). Opiera się na obserwacji, że granice ziaren utrudniają ruch dyslokacji i liczba dyslokacji w ziarnach ma wpływ na to jak łatwo dyslokacje mogą pokonywać granice ziaren i poruszać się "od ziarna do ziarna". Poprzez zmianę wielkości ziaren można wpływać na ruch dyslokacji i wytrzymałość materiału. Dana jest równaniem: σ y = σ + kd gdzie: σ y - granica sprężystości [Pa], σ 0 - naprężenie uplastyczniające dla wnętrza ziarna/monokryształu (stała materiałowa) [Pa], k - parametr Petcha; współczynnik umocnienia (stała materiałowa) [Pa m 1/2 ], d - średni wymiar ziarna [m]. Wielkości σ 0 i k są parametrami wyznaczanymi eksperymentalnie i charakteryzują dany materiał. 0 Zależność Halla-Petcha nie może być ekstrapolowana dla nieskończenie małych wielkości ziarna (np. nanostruktury). Udowodniono empirycznie, że poniżej pewnej charakterystycznej wielkości ziarna d c, zaczyna maleć również współczynnik umocnienia k. Mniej więcej dla średnic ziarna nm rejestruje się najwyższe wartości naprężeń uplastyczniających σ 0. Dalsze rozdrabnianie struktury można opisać przez tzw. odwrotną zależność Halla-Petcha. Makroskopowo objawia się ona spadkiem wartości naprężenia uplastyczniającego σ 0 wraz z dalszym rozdrobnieniem struktury (wykres poniżej). 1 2

2 METODY SPD: 1) Przeciskanie przez kanał kątowy ECAP (ang. equal channel angular pressing) - technika polegająca na wielokrotnym przeciskaniu materiału przez kanał kątowy o określonej geometrii (dzięki temu próbka nie doznaje zmian kształtu w trakcie procesu). Element odkształca się w wyniku wystapienia naprężeń ścinających w obszarze zagięcia kanału. Energia odkształcenia zmagazynowana w materiale zależy od liczby przeciskań i krzywizny przecinających się kanałów. Krzywizna jest definiowana przez kąt pomiędzy dwoma kanałami Φ i zewnętrzny kąt krzywizny przecinających się kanałów Ψ. Kąty najczęściej mają miarę 90 o. Odkształcanie tą metodą może być przeprowadzane według czterech schematów odkształcania. W pierwszym położenie próbki nie zmienia się podczas kolejnych cykli. W drugim próbkę po każdym cyklu obraca się wokół jej osi o kąt 90, a w trzecim o kąt 180. Ostatnią zmianą położenia jest obrót o 270. Materiały odkształcane za pomocą metody ECAP charakteryzują się ultradrobną i nanokrystaliczną strukturą (średnia wielkość ziaren nm) oraz dużym udziałem granic ziaren szerokokątowych. Głównymi materiałami obrabianymi ową metodą są tytan, żelazo, magnez, nikiel, glin, miedź i stopy wymienionych metali.

3 Zalety ECAP-u: - bardzo duże naprężenie uplastyczniające może być wyindukowane w materiale bez zmiany jego kształtu, - odkształcenie jest jednakowe i równomierne rozłożone w całym obrabianym materiale, - materiał obrabiany nie uzyskuje porowatości wtórnej, - wielkości obrabianych elementów są ograniczane tylko i wyłącznie przez geometrię matrycy i wydajność prasy, - naprężenia rozciągające pojawiają się na niewielkich obszarach materiału obrabianego. - matryca ze względu na ogromne naprężenia w narożu kanałów musi być często wymieniana, - metoda może być wykorzystana tylko do rozdrobnienia struktury materiałów wykazujących dobrą odkształcalność na zimno (głównie metali, niektórych faz międzymetalicznych), - nie jest możliwe osiągnięcie minimalnych średnic ziaren dla materiałów obrabianych. 2) Skręcanie pod wysokim ciśnieniem HPT (ang. high pressure torsion) - technika polegająca na jednoczesnym skręcaniu i ściskaniu materiału pod wysokim ciśnieniem. Element odkształca się przez ścinanie w warunkach ciśnienia quasihydrostatycznego. Najczęściej cienki dysk jest umieszczany między dwoma kowadłami. Zostaje skręcany i jednocześnie ściśnięty przez kowadła. Najważniejszymi parametrami metody jest ilość skręceń oraz wartość ciśnienia wywieranego na dysk. W centralnej części dysk nie odkształca się. Odkształcenie pojawia się i zwiększa się liniowo wraz ze wzrostem odległości od środka. Grubość dysku pod wpływem odkształcenia i ciśnienia zmniejsza się. Istnieje możliwość podgrzewania materiału podczas procesu. Materiały odkształcane za pomocą metody HPT charakteryzują się nanokrystaliczną strukturą (najsilniejsze rozdrobnienie wśród technik SPD). Przemysłowo technika stosowana jest głównie do odkształcania glinu i jego stopów.

4 Zalety: - metoda dobrze poznana i przewidywalna, - podczas procesu występuje tylko czyste naprężenie ścinające, - możliwe jest odkształcenie materiałów kruchych i bardzo wytrzymałych, - istnieje wiele niezależny parametrów, które można zmieniać, - możliwe jest odkształcanie w podwyższonej temperaturze, - możliwe jest uzyskanie minimalnych średnic ziaren dla wiekszości materiałów. - produktem końcowym jest obiekt o niewielkich rozmiarach, - wymagane jest zachowanie dokładnej tolerancji wymiarowej kowadeł; każda nierówność powoduje, że dysk nie będzie odkształcał się poprawnie (np. materiał dysku wypłynie do porów i nierówności), - rozdrobnienie struktury nie jest jednorodne w całej objętości materiału. 3) Cykliczne walcowanie materiału wielowarstwowego ARB (ang. accumulative roll bonding) - technika polegająca na wielokrotnym walcowaniu blach. W procesie blacha jest przecinana, a jej powierzchnie odtłuszczane i czyszczone. Materiał jest następnie składany i poddawany ponownemu walcowaniu. Nadanie dużego odkształcenia doprowadza do zespolenia blach oraz rozdrobnienia struktury. Podstawowymi parametrami procesu są temperatura, prędkość obrotowa i geometria walców, wielkość wsadu. Między składane blachy można wprowadzać inny materiał (np. cząstki metaliczne). Materiały odkształcane za pomocą metody ARB charakteryzują się ultradrobną i nanokrystaliczną strukturą (średnia wielkość ziaren nm). Obecnie nadal jest to metoda jedynie wykorzystywana eksperymentalnie. Najczęściej przerabia się nią glin i jego stopy.

5 Zalety: - jedyna metoda z rodziny SPD pozwalająca na ciągłą produkcję materiałów o dużej objętości, - między składane blachy można wprowadzać inne materiały, w różnych kształtach (np. drobnodyspersyjne cząstki), - charakteryzuje się dużo większym stopniem przerobu, niż klasyczne przeróbki walcownicze, - wsad może być wstępnie podgrzany, - może być łatwo zaadaptowana do już istniejących walcowni. - dla dużych wartości odkształcenia i wysokiej temperaturze produkt końcowy charakteryzuje się słabymi własnościami wytrzymałościowymi, - często pojawiają się pęknięcia na krawędziach materiału, - dla niektórych materiałów zmniejszenie grubości blach nie jest jednorodne.