I.                   Opis teoretyczny:

Zgniotem nazywamy zmiany własności fizycznych i mechanicznych metali i stopów spowodowane odkształceniami plastycznymi wywołującymi wzrost gęstości defektów sieci, głównie punktowych i liniowych, a tym samym nagromadzenie energii odkształcenia, które jest tym większe, im niższa jest temperatura tego procesu. Zmiany te są trwałe jeśli odkształcenie zachodzi w zakresie temperatur, w który szybkość procesów dyfuzyjnych jest mała (poniżej 0,4 bezwzględnej temperatury topnienia). Jest to wówczas odkształcenie
na zimno.

Miarą zgniotu może być stopień odkształcenia.

Względne odkształcenie (%) można określić.:

1.    Względną zmianę długości próbki rozciąganej lub ściskanej

2.    Względną redukcje przekroju (w procesie walcowania lub przeciągania)

Ilość zmagazynowanej energii odkształcenia zależy od cech odkształconego metalu (stopu) , takich jak czystość i energia błędu ułożenia , oraz od warunków odkształcenia – temperatury, szybkości, stopnia i sposobu odkształcenia.

Wtórnym efektem odkształcenia plastycznego jest stopniowe wydłużenie się ziarn w kierunku przeróbki plastycznej, wyciągnięciom ulęgają także wtrącenia niemetaliczne, które maja tendencje gromadzenia się na granicach dendrytów.

W wyniku nagrzewana metalu po zgniocie zachodzą w nim przemiany w kierunku zmniejszeni energii i odnowienia własności jakie miał przed odkształceniem. Są to :

1.      Zdrowienie

Jest etapem przemian zachodzących w zakresie temperatur poniżej temperatury rekrystalizacji i polega na zaniku defektów punktowych: wakanacji i atomów międzywęzłowych. W wyniku tego następuje spadek naprężeń, co prowadzi do wyostrzenia się refleksów dyfrakcyjnych. Zanik defektów punktowych wywołuje odnowienie: oporności elektrycznej, własności magnetycznych, częściowe uwolnienie zmagazynowanej energii odkształcenia, mniejsze jednak niż w okresie rekrystalizacji.

Wraz z obniżeniem temperatury szybkość zdrowienia maleje. 

Jeżeli odkształcenie plastyczne nastąpiło w wyniku zginania, może zajść tzw. proces poligonizacji (wysokotemperaturowe zdrowienie), które polega na przegrupowaniu dyslokacji do konfiguracji o mniejszej energii. Tworzą się granice ziarn małego kąta, zwane podgranicami, oddzielające małe, doskonałe kryształy (podziarna) różniące się nieznacznie orientacją. Poligonizacja zachodzi również w materiałach polikrystalicznych po złożonych sposobach odkształcenia – walcowanie, kucie. Polega on wówczas na przekształceniu
się komórkowych układów dyslokacji w granice ziarn małego kąta. Po dużych stopniach odkształcenia i niskich temperaturach wygrzewania sploty dyslokacji mogą od razu przekształcać się w granice ziarn dużego kata, nazywamy to zjawisko rekrystylizacja
„in situ”.

2.    Rekrystalizacja

W tym okresie powstają zarodki nowych, nie odkształconych ziarn, które następnie
się rozrastają, podobnie jak podczas krystalizacji z fazy ciekłej. Proces ten zachodzi
w temperaturach wyższych niż zdrowienie, powyżej tzw. temperatury rekrystalizacji
w procesie tym następuje uwolnienie zmagazynowanej energii (większej niż przy zdrowieniu), spowodowane głównie zanikiem dyslokacji, których gęstość spada w tym okresie o kilka rzędów wielkości. Powoduje to zmniejszenie umocnienia, a wiec obniżenie twardości, wytrzymałości i wzrost własności plastycznych. Obserwuje się także istotne zmiany struktury polegające na zarodkowaniu i stopniowym rozroście nowych nieodkształconych ziarn wolnych od dyslokacji.

Temperatura rekrystalizacji zależy od : temperatury topnienia, czystości metalu, składu stopu, wielkości zmagazynowanej energii odkształcenia, czasu wyżarzania.

Temperatura progowej rekrystalizacji Tr jest to najniższa temperatura procesu przy dużych odkształceniach i czasie wyżarzania 1÷2 godzin. Wartość ta jest cecha charakterystyczną danego metalu (stopu). Zależność między temp. Topnienia Tt i rekrystalizacji Tr wyrażona jest wzorem Boczwarta : Tr=0,4 Tt

Wraz ze zwiększeniem zmagazynowanej energii następuje obniżenie temperatury początku rekrystalizacji. Czynniki wywołujące ten wzrost (stopień zgniotu, zwiększenie szybkości odkształcenia, obniżenie temperatury odkształcenia i zmniejszenie wyjściowej wielkości ziarn) ułatwiają zapoczątkowanie rekrystalizacji, ponieważ mniej energii należy dostarczyć
z zewnątrz. Zależność rekrystalizacji od temperatury jest wykładnicza, a wiec nieznaczny wzrost temperatury może znacznie skrócić czas konieczny da jej zajścia.

3.      Dynamiczne zdrowienie i dynamiczna rekrystalizacja

Podczas obróbki plastycznej na gorąco (np. walcowanie, kucie, prasowanie) zdrowienie
lub rekrystalizacja następuje jednocześnie z odkształceniem lub z niewielkim opóźnieniem. Takie procesy nazywamy dynamicznymi, a ich cecha jest w przybliżeniu stała siła napędowa. Przebieg procesów dynamicznych zależy od wielu czynników zewnętrznych : parametrów odkształcenia (temperatura, stopień zgniotu, szybkość odkształcenia)oraz wewnętrznych związanych z własnościami materiału, głównie energia błędu ułożenia. Zdrowienie łatwiej zachodzi w materiałach o dużej EBU –przy niższych temperaturach i mniejszej zmagazynowanej energii odkształcenia, rekrystalizacja na odwrót. W wyniku zdrowienia uzyskuje się strukturę poligonalną o wyższych parametrach wytrzymałościowych i niższych plastycznych, podczas gdy rekrystalizacja związana z utworzeniem nowych ziarn prowadzi
do zwiększenia elastyczności kosztem zmniejszenia wytrzymałości.

Specyfika dynamicznej rekrystalizacji jest pik naprężenia poprzedzający plateau. Jednocześnie warunkiem występowania plateau jest wyższa siła napędowa procesu wynikającą z większego zgniotu i szybkości odkształcenia.

Cechy strukturalne wyrobu zależ ą od rodzaju procesu, który zachodzi i tak przy zdrowieniu na stadium ustalonego płynięcia wymiar podziarn, ich dezorientacja i gęstość dyslokacji wewnątrz podziarn są stałe. Ziarna są silnie wydłużone natomiast podziarna równoosiowe.

Dynamiczną rekrystalizacje cechują : niejednorodna struktura w objętości metalu, a nawet wewnątrz poszczególnych ziarn, zębatość granic ziarn, zarodki nowych ziarn na byłych granicach ziarn oraz równoosiowość ziarn.

4.      Rozrost ziarn

Rozpoczyna się natychmiast po zakończeniu rekrystalizacji. Siłą napędową tego procesu jest dążenie układu do zmniejszenia energii powierzchniowej granic ziarn poprzez wzrost przeciętnej wielkości ziarna w czasie.

Z rozrostem ziarn jest związane pojęcie wtórnej rekrystalizacji, zwanej również anormalnym lub przyspieszonym rozrostem ziarn. Polega ona na szybkim rozroście niektórych ziarn kosztem innych otaczających je sąsiadów.

Wtórna rekrystalizacja rozpoczyna się po pierwotnej, po czasie, który jest konieczny
do rozrostu niektórych ziarn do wielkości około dwa razy większej od ziarn sąsiednich.

Rozrost ziarn w metalach można modelować poprzez rozrost baniek w pianie mydlanej, który następuje w wyniku dyfuzji atomów gazu poprzez błonki w stronę mniejszego ciśnienia. Ponieważ ciśnienie w bańce jest odwrotnie proporcjonalne do jej średnicy, mniejsze bańki
(o większym ciśnieniu) będą się zmniejszać i zanikać, a większe wzrastać.

Zmiany wielkości baniek i ziarn w czasie opisuje wzór: D2-D02=kt

Gdzie:

Di D0- średnie wymiary baniek odpowiednio po czasie t i t0, k – stała przy stałej temperaturze.

II. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest wyznaczenie temperatury rekrystalizacji stopu poprzez zbadanie wpływu      temperatury wyżarzania materiału odkształconego na jego wytrzymałość , rozciąganie  .

III. Wykonanie ćwiczenia 

Materiał .

a) 6 próbek do rozciągania ze stopu aluminium – PA38 po walcowaniu na zimno.

b) 6 próbek płaskich z aluminium po zgniocie i rekrystalizcji, wytrawionych.

c) 2 próbki z mosiądzu do obserwacji mikroskopowych :

-     w stanie zgniotu

-     po rekrystlizacji w temp. 500 0C.            

     IV. Przebieg ćwiczenia .

-            Jedną płytkę do rozciągania ze stopu PA38 pozostawiliśmy w stanie zgniotu pozostałe poddaliśmy wyżarzaniu w temp.  200 – 400 0 C  w czasie 30 min.

Po wyjęciu próbek zmierzyliśmy ich szerokość i grubość oraz zaznaczyliśmy bazy pomiarowe celem przeprowadzenia rozciągnięcia ich na maszynie wytrzymałościowej . Podczas rozciągania rejestrowaliśmy wartości sił maksymalnych oraz mierzyliśmy długość bazy pomiarowej po zerwaniu płytki .

-          Na płaskich płytkach z aluminium które odkształcono o 2, 4, 7, 9, 11, 13% oraz zrekrystalizowano w temp. 550 0 C w czasie 30 min. Obliczyliśmy ilość ziaren  na 1 cm2 .

-          Na próbkach z mosiądzu przeprowadziliśmy obserwacje mikroskopowe.

V. Wyniki pomiarów 

Grubość i szerokość badanych próbek ze  stopu aluminium PA38 , wynosi odpowiednio:
0,56 mm  i 10 mm

Przekrój początkowy płytek wynosi 5,6 mm 2 = 0,056 cm 2 .