1 / 21

Robert Král rkral @met.mff.cuni.cz

Robert Král rkral @met.mff.cuni.cz. Fyzika materiálů II Zotavení a rekrystalizace 1.část. Zotavení a rekrystalizace. Termomechanické zpracování kovů a slitin spočívá v různých kombinacích. tváření (za studena či za tepla) žíhání a způsobů ochlazování materiálu chladnutí v peci

alaula
Download Presentation

Robert Král rkral @met.mff.cuni.cz

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. Robert Králrkral@met.mff.cuni.cz Fyzika materiálů IIZotavení a rekrystalizace1.část

  2. Zotavení a rekrystalizace Termomechanické zpracování kovů a slitin spočívá v různých kombinacích • tváření (za studena či za tepla) • žíhání a • způsobů ochlazování materiálu • chladnutí v peci • volné chladnutí na vzduchu • prudké ochlazení – kalení Výrazným průvodním jevem tváření za studena (T 0,3 Tm, kde Tmje teplota tání) je zpevňování materiálu. Aby silně zpevněný materiál při dalším tváření nepraskal, je nutné ho žíhat, aby došlo k odpevnění: • statickému zotavení nebo ke • statické rekrystalizaci.

  3. Zotavení a rekrystalizace (2) Průběh odpevnění při izotermickém žíhání na obrázku. Tváření za tepla, T 0,7 Tm • podíl odpevnění velký • mechanické a fyzikální vlastnosti kovu se v průběhu tváření příliš nemění • vliv zpevnění je ještě v průběhu deformace kompenzován • odpevněním • dynamickým zotavením • dynamickou rekrystalizací. Obr. Odpevňovací křivky mědi deformované za studena v závislosti na době žíhání při T=200 resp. 225 °C.

  4. Statické zotavení • Děje & jimi vyvolané změnyvlastností • při žíhání deformačně zpevněného kovu • do vzniku zrn s velkoúhl. hranicemi (charakterizují rekrystalizaci). • Podíl z celkové uložené deformační energie, který se zotavením uvolní, silně závisí na čistotě kovu. • Potřeba porovnání teplotních oborů zpevnění či odpevnění u různých slitin  místo konkrétní absolutní teploty, relativní tzv. homologickou teplotní stupnici Θ nebo TH • Statické zotavení již od homologické teploty Θ0,3. • Příklad: pokojová teplota (~300 K) • pro hliník již dosti vysoká (Θ0,31), začíná probíhat zotavení • pro ocel velmi nízká (Θ0,16).

  5. Zotavení bodových poruch • Zotavení probíhá při zvyšování teploty ve dvou fázích • zotavení (anihilace) bodových poruch • zotavení dislokací. Uložená def. energie se nejdřív snižuje na úkor bodových poruch  vakancí a divakancí • intersticiálů • Nerovnovážná koncentrace bodových poruch vzniklých při předchozí deformaci za studena se snižuje na rovnovážnou. • Vzájemná rekombinace vakancí a intersticiálů v uzlových bodech krystalové mříže nebo anihilace bodových poruch v pastech • hranové dislokace • hranice zrn • mezifázové hranice • povrch materiálu Mechanické vlastnosti materiálu se v této fázi příliš nemění.

  6. Zotavení dislokací Zvyšování teploty  navíc pochody vedoucí ke snižování energie příslušející dislokacím. Tepelná aktivace a difůze + působení vnitřních napěťových polí • přeskupování dislokací • anihilace dislokací opačného znaménka (šplhání, příčný skluz) • vznik rovnovážných konfigurací dislokací stejného znaménka ve formě dislokačních stěn: Po anihilaci dislokací Po deformaci int7 Obr. Zotavení ohnutého monokrystalu obsahujícího hranové dislokace Po vytvoření sklonových hranic

  7. Zotavení dislokací (2) Různý stupeň přerozdělení dislokací • subzrnauvnitř původních deformačně zpevněných zrn • více či méně dokonalá • oddělená maloúhl. hranicemi = stěnami nebo sítěmi dislokací. Mnohoúhelníkový tvar subzrn toto poslední stádium zotavení (před rekrystalizací) se nazývá POLYGONIZACE. Spleti dislokací Tvorba dislokačních buněk Anihilace uvnitř buněk Vytvoření subzrn Růst subzrn Obr. Stádia zotavení v deformovaném materiálu

  8. Zotavení dislokací (3) Obr. Zotavení dislokací ve slitině AA8006 (Al-Fe-Mn-Si); TEM zotavená struktura dislokací dislokační síť

  9. Zotavení – metody zkoumání Na procesy probíhající při zotavení můžeme usuzovat mj. z: • tepla uvolněného při žíhaní (např. metoda DSC) • změn elektrického odporu Uvolněné teplo ΔW a změna elektrického odporu Δ při žíhání mědi 99,98% tažené s redukcí 54% při -195 °C a 20 °C. I – rekombinace intersticiálů a vakancí (~0,1 eV) II – migrace skupin vakancí či intersticiálů (~0,3 eV) III – migrace vakancí a dvojvakancí (~0,7 eV) Hlavní maxima ΔW - rekrystalizace

  10. Statická rekrystalizace Další žíhání  za určitých podmínek na proces zotavení navazuje primární rekrystalizace = nahrazení původních deformovaných zrn materiálu novými neporušenými krystaly mechanismem nukleace a růstu • zárodky nových zrn migrací svých vysokoúhlových hranic rostou směrem do deformovaného materiálu. Čisté kovy - rekrystalizace od teplot Θ0.4. Slitiny - brzdící vlivna migraci hranic zrn od: • legujících prvků • nečistot • částic sekundárních fází (precipitátů, oxidů aj.) rekrystalizace až při teplotách Θ0.8.

  11. Kinetika rekrystalizace Kinetika rekrystalizace se obvykle sleduje za izoterm. podmínek. Změna rekrystalizovaného podílu v závislosti na době žíhání t je popsána obecnou Avramiho rovnicí: kde K je kinetický koef. a n kinetický exp.. Grafickým znázorněním rovnice je tzv. „S“ křivka. Obr. „S“ křivka mědi:  T = 225°C;  dvě velikosti zrna  válcování s redukcí 93% při RT

  12. Kinetika rekrystalizace (2) Obr. Transformací do Avramiho souřadnic se křivky mění v přímky. Směrnicí je n. Začátek i konec „S“ křivky mají velmi malý sklon • obtížné stanovit počátek a konec transformace • z praktických důvodů pro počátek a konec rekrystalizace např. ΧV = 0,05 resp. ΧV = 0,95 (5 resp. 95% rekrystalizovaného podílu). Tyto lze poměrně přesně zjistit experimentálně (je však možné vybrat i jiné hodnoty – např. 0,01 resp. 0,99). Z obr. je zřejmé, že k rekrystalizaci dochází až po určité inkubační době, která je nutná pro vytvoření zárodků nových zrn bez poruch.

  13. Avramiho rovnice • „S“ křivka výše typická pro mnoho transformačních reakcí. • Popis na základě konceptu současné nukleace a růstu. • První práce Kolmogorov (1937), Johnson a Mehl (1939) a Avrami (1939)  označení jako JMAK Předpokládejme, že zárodky se vytvářejí rychlostí a zrna rostou do deformovaného materiálu lineární rychlostí Sférická zrna  objem roste s 3. mocninou průměru • podíl rekrystalizovaného materiálu ΧV roste rychle s časem V konečné fázi na sebe zrna narazí • rychlost rekrystalizace  0, při ΧV  1 Zárodky nemohou vznikat v již rekrystalizovaných částech • počet zárodků dN za určitý čas dt je nižší než Počet zárodků které by se objevily v rekryst. objemu je

  14. Avramiho rovnice (2) Celkový počet zárodků (dN’), které by vznikly, včetně „fantómových“ (1) Pokud V je objem rekrystalizovaného zrna v čase t, potom pro objem materiálu, který by zrekrystalizoval pokud by fantómové zárodky byly skutečné ΧVEX (extended volume), platí (2) Pokud inkubační doba je mnohem menší než t (3) Kde f je tvarový faktor (4/3 pro koule). Tudíž (4) A pokud je konstantní (5)

  15. Avramiho rovnice (3) Za interval dt naroste ΧVEX o hodnotu dΧVEX . Jelikož nerekryst. objem je 1-ΧVEX , platí dΧV = (1-ΧVEX)·dΧVEX neboli (6) (7) (8) A po dosazení z (5) (9) Obecněji ve tvaru (10) což se nazývá Avramiho nebo JMAK rovnice

  16. Avramiho rovnice (4) Zrna rostou ve 3 dimenzích a = konst.  exponent n=4 (viz (9)) klesá s časem jako mocninná funkce  n=3 až 4. Druhý limitní případ kromě = konst. pokud klesá velmi rychle • veškerá nukleace proběhne již na začátku rekrystalizace = místně nasycená nukleace (site saturated nucleation) • rovnice (5) má tvar , kde N je počet zárodků. • Avramiho exponent n je 3 Zrna nerostou izotropicky ve všech směrech  exponent n klesá • 2 dimenze  n=3 (n=2 při nasycené nukleaci)  1 dimenze  n=2 (n=1 při nasycené nukleaci) Náhodná nukleace pouze na hranicích zrn  n klesá ze 4 (na počátku) až na 1

  17. Nukleace a růst zrn Zárodky nových zrn vznikají přednostně v místech s nejvyšší hustotou uložené deformační energie • hranice zrn • spojnice 3 hranic zrn • husté spleti dislokací uvnitř zrn • skluzové a smykové pásy Zárodky vznikají splýváním (koalescencí) žíhacích subzrn či migrací hranic subzrn • dosažení kritického poloměru zárodku • hnací síla transformace dovolí vznik nové plochy hranice zrna. Nová zrna rostou přemísťováním (migrací) velkoúhlových hranic, až nová zrna nahradí původní deformovanou strukturu. Růst zpočátku neomezený, od 15% rekrystalizovaného podílu se začínají zrna rostoucí ze sousedních zárodků setkávat  pohyb velkoúhlových hranic brzděn.

  18. Primární a sekundární rekrystaliace Primární rekrystalizace je ukončena • nová zrna nahradí původní deformovanou matrici • z materiálu se uvolní veškerá uložené deformační energie. • odstraní se deformační zpevnění • obnoví se vlastnosti před tvářením. Po primární rekrystalizaci někdy sekundární rekrystalizace • výrazné lokální zhrubnutí struktury rychlým nárůstem některých zrn při žíhání po ukončení primární rekrystalizace. • zrna o velikosti až několik desetin milimetru Konstrukční materiály - sekundární rekrystalizace nežádoucí – negativní vliv hrubého zrna na • pevnostní charakteristiky • houževnatost.

  19. Schematické znázornění rekrystalizace Deformovaný stav Zotavení (vznik subzrn) Nukleace zárodků Plně rekrystalizovaný stav Růst zrn Abnormální růst zrn - sekundární rekrystalizace Obr. Schematické znázornění rekrystalizace

  20. Vliv parametrů na rekrystalizaci • Kinetika rekrystalizace i velikost rekrystalizovaných zrn •  strukturní a fyzikální charakteristiky materiálu: • čistota kovu • příměsi • existence sekundárních fází • velikost zrn • energie vrstevné chyby) vnější podmínky • způsob deformace • teplota deformace • velikost deformace • teplota žíhání • doba žíhání • rychlost ohřevu

  21. 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).

More Related