2. A képlékenyalakítás anyagszerkezeti vonatkozásai Olvassa el a bekezdést! Ahhoz, hogy alapvetően megértsük a fémek különböző alakításának eljárásait és annak hatásait, nélkülözhetetlen az anyag viselkedésének ismerete. E fejezet ezért hagyatkozva az Anyagszerkezettanban és Anyagvizsgálatban már korábban tanultakra rövid áttekintést ad az alakítás során az anyag szerkezetében lejátszódó változásokról mely fémfizikai ismeretek segítségével magyarázható hogy az alakítás milyen hatással lesz az anyag, különböző szilárdsági és fizikai jellemzőire. 2.1. Az anyagok viselkedése; rugalmasság- képlékenység Olvassa el a bekezdést! Tanulmányozza/rajzolja le a 2.1. ábrát! Jegyezze meg mit szemléltet a feszültség-nyúlás diagram! Ha egy szakító próbapálcát egytengelyű húzó igénybevételnek vetünk alá és vizsgáljuk az alakváltozás mértékét, valamint az anyagban ébredő valódi feszültséget (σ ), - tehát a mindenkori erőhöz (F) tartozó keresztmetszetből (A) számított feszültséget σ = Fm /A = Fm /A0 x (1+A)> Fm / A0 akkor az anyagban ébredt valódi feszültségeket és a hozzájuk tartozó erő irányú nyúlásokat, megkapjuk az anyag valódi feszültség nyúlás diagramját. A homogén egytengelyű szakítóvizsgálat; feszültség nyúlás diagramja, bemutatja egy anyag mechanikai tulajdonságait, amely szempontjából a rugalmas- és képlékeny alakváltozásnak kiemelt jelentősége van. 2.1. ábra. 2.1. ábra Feszültség nyúlás diagram; példa a folyási görbére, húzó szakító vizsgálattal felvéve (DC04 (St 1403) lapos próbapálca s0 = 1 mm) Az ábrán szereplő anyag: DC04, (St 1403)jellemző értékei: Rp0,2 = 210 N/ mm2 (Folyáshatár) εgl = Ag = 24,7 % egyenletes nyúlás% Rm = 320 N/ mm2 (szakítószilárdság) r0 = 1,53 anizotrópia a heng.irányban A = 43,5 % ( szakadási nyúlás) r = 0,87 sík anizotrópia (lásd.)
Z = 64,3 % (Kontrakció; %-os ) εel = 0,002 (Rp0,2-hoz tartozó nyúlás) Rp0,2/ Rm = 0,56 n = 0,224 keményedési kitevő (lásd ) Gyűjtse ki és jegyezze meg a feszültség-nyúlás diagram szakaszainak a nevét, jellemzőit! A feszültség nyúlás diagram jellemző szakaszait és értékeit az alábbiakban foglaljuk össze: A 0-1 es pontok közötti szakaszon az anyag először rugalmasan nyúlik. A rugalmas alakváltozás szakaszán a Hooke törvény értelmében az alakváltozás lineárisan arányos a terheléssel és azzal jellemezhető, hogy az atomok az alakváltozás ugyanazon atomok szomszédságában maradnak és a külső terhelő erő megszűnte után visszatérnek eredeti rácspontjukba, azaz az alakváltozás megszűnik. A rugalmas alakváltozás visszafordítható: reverzibilis. Ez megfogalmazható úgy is, hogy; ez az a feszültség tartomány, amit az anyag maradandó deformáció nélkül el tud viselni. A rugalmas szakasz végét Re folyáshatár mutatja. Az Re-t megbízhatóan csak a lágyacélokhoz hasonló határozott folyáshatárú szakítódiagramokból lehet meghatározni. Egyébként az egyezményes Rp0,2 rugalmassági határ feszültséggel definiáljuk, melyet εel 0,2% össznyúlással számolunk. Az 1-2-es pontok közötti Rp0,2- Rm szakaszon a próbapálca teljes hosszában a megnyúlás mértéke egyenletesen nő, a terhelő növekményével arányosan. o A valódi feszültség görbéje az Rp- Rm tartományban adja a maradó alakváltozás létesítéséhez szükséges feszültség nagyságát. Ezen a szakaszon a próbapálca megnyúlása egyenletes, az alakváltozás visszafordíthatatlan: irreverzibilis. o A maradó képlékeny alakváltozás a rugalmas alakváltozással szemben a diszlokációk elmozdulásával jellemezhető; az atomok rezgésközéppontjukat a külső terhelő erő hatására több száz rácsállandónyi távolságba helyezik át, azaz nem maradnak ugyanazon atomok szomszédságában. (lásd. 2.2. ábra) A 2.-es pontban elérjük az egytengelyű feszültségi állapot maximumát Rm szakítószilárdságot. (maximális erő Fm / kiindulási keresztmetszettel A0 számított értéke). Illetve az ebből számítható valódi feszültséget σ = F m A = F m (1 + A) A 0 Alakváltozási és szilárdsági mérőszámok számítását foglalja össze a 2.1. táblázat. Rugalmassági szakaszban σ = F/A0 A0 = b0 s0 ε = ( l/l0 )dl = l-l0 / l0 ε = l/l0 Képlékeny tartományban σ = kf = F/A A = b1 s1 φ = ( l/l0 )dl = lnl lnl0 φ = ln l/l0 ahol: σ = feszültség[n/mm2] F = erő [N] σ = valódi feszültség, kf = alakítási szilárdság[n/mm2] A0 = kiindulási keresztmetszet [mm2] A = aktuális keresztmetszet [mm2] ε = mérnöki nyúlás φ = valódi-, v. logaritmikus alakváltozás 2.1. táblázat Alakváltozási és szilárdsági mérőszámok számítása
2-3-es pontok közötti szakaszon a próbapálca leggyengébb keresztmetszetében megindul a kontrakció, majd a 3-as pontban a próbapálca elszakad. Ebben a képlékeny instabilitás szakaszában a tengelyre merőleges irányban is működni kezd feszültség, s így az egytengelyű feszültségi állapot, többtengelyű feszültségi állapottá fajul. A többtengelyű feszültségi állapot esetén a meghatározható három főfeszültségből egy σö összehasonlító- vagy redukált feszültséget kell meghatározni, amely összehasonlítható az egytengelyű húzással meghatározott mechanikai jellemzővel. ( A különböző térbeli feszültségi állapotok, a σö összehasonlító vagy egyenértékű feszültség alapján hasonlíthatók össze. Jegyezze meg az alakváltozás megindulásának, fennmaradásának a feltételét! Ha két különböző feszültségi állapot összehasonlító feszültsége megegyező, akkor a két feszültségi állapot egyenértékű. Az alakváltozás megindulásának, illetve további fennmaradásának ( más szóval folyásának) feltétele tehát, hogy a σ ö feszültség érje el, az anyag k f alakítási szilárdságát: σ ö =. k f A későbbiekben tisztázandó, hogy térbeli feszültségi állapot főfeszültségeiből hogyan határozható meg a σ ö egyenértékű, vagy összehasonlító feszültség.( lásd 3.4. fejezet.) Visszatérve a DC04-es anyag 2.1. ábra rugalmas nyúlás kb. 0,1% kezdeti szakaszára azt kinagyítva mutatja a 2.2. ábra (ε = 0,001). Jegyezze meg az alakváltozás jellemzőit! 2.2. ábra. DC04-es anyag rugalmas alakváltozása Ha itt a próbapálca terhelését megszüntetjük (visszaterheljük) ebben a rugalmas tartományban a próbapálca újra felveszi eredeti alakját. Talán érdemes megjegyezni, hogy a képlékeny egyenletes nyúlás tartományában ε gl = 2470- szer nagyobb mint a rugalmas nyúlás tartományában. Ebben a tartományban az alakváltozás marad, azaz terhelés után a próbapálca nem veszi fel az eredeti alakját. Ezen szakasz folyásgörbéjét mutatja szobahőmérsékleten a 2.3. ábra.
2.3. ábra. DC04-es anyag folyási görbéje szobahőmérsékleten A folyásgörbe a 2.2. ábrán bemutatott Hook-egyenes végét követően, vagyis itt k fo = R p0,2-nél. 2.2. A terhelés sajátosságai Jegyezze meg a folyás utáni visszaterhelés hatásait! Tanulmányozza, rajzolja le a 2.4. ábrát! A képlékeny anyagok terhelését és tehermentesítését különböző összefüggés jellemzi, ezért a feszültség és alakváltozások között nem áll fenn kölcsönös, egyértelmű kapcsolat. Visszatérve a 2.2. ábrán elkezdett egytengelyű húzó igénybevétellel történt próbapálca terhelésre, azt a folyáson túl tovább terhelve, majd visszaterhelve, alakváltozások maradnak vissza. 2.4. ábra. 2.4. ábra Folyáshatáron túl terhelt anyag visszaterhelése Ha ezután a próbapálcát ismét megterheljük, az újraterelés vonala a tehermentesítés vonalától csekély mértékben eltér, egy ún. rugalmas hiszterézishurok alakul ki, és ez a képlékeny állapot az eredeti folyási határnál magasabb értéknél ( Rf σf ) az eredeti görbe elérésekor következik be. Egy teljes terhelés és tehermentesítési ciklus energiaveszteséggel jár. A rugalmas hiszterézis hurok által jellemzett valójában igen kis - A0 terület a tehermentesítési és újraterhelési ciklus alkalmával elnyelt energiát jelenti. Az eközben elnyelt energia hővé alakul.
Jegyezze meg a Bauschinger-hatás okát, következményeit, jellemzőit! Tanulmányozza, rajzolja le a 2.5. ábrát! Ha egy húzásra igénybe vett próbatestet tehermentesítés után nyomásnak vetjük alá, akkor a folyás ellenkező értelemben nagyjából annyival kisebb σf feszültség elérésekor következik be, mint amennyivel húzás alkalmával az eredeti σf folyási határt túlléptük. Ha pedig a próbatestet tehermentesítjük és ismét húzásnak vesszük igénybe, akkor ugyanez tapasztalható az újabb σf folyási határt illetően. 2.5. ábra. 2.5. ábra Bauschinger-hatás Ezt a jelenséget 1886-ban Bauschinger észlelte, ezért az irodalomban Bauschinger-hatásnak nevezik. A teljes terhelési ciklust, amely mindkét értelmű terhelést és tehermentesítést magában foglalja egy zárt hurok jellemzi. Ezt képlékeny hiszterézisnek nevezik és az általa határolt terület a terhelési ciklus során elnyelt energiát jellemzi. Ez nagyságrendileg nagyobb, mint az egyirányú terhelésnél és tehermentesítésnél elnyelt energia. Ez az oka annak, hogy a változó értelmű képlékeny alakítás viszonylag igen gyorsan töréshez vezet. 2.3. Az alakváltozás mechanizmusa Jegyezze meg a fémek képlékenységének az okait, jellemzőit! Tanulmányozza, vázolja le a 2.6. és a 2.8. ábrát! A fémek képlékenysége azon alapul, hogy a fém szövetszerkezetét felépítő egyes kristályokon belül egy határigénybevétel átlépésekor az atomsorok egymáson úgy csúsznak el, hogy közben a köztük levő összetartozás nem szűnik meg (2.6. ábra).
2.6. ábra Transzláció a csúszási síkok mentén A csúszás síkja és iránya a legtöbb fémnél az a kristálytani sík, illetve irány, melyben az atomok a rácsszerkezetben a legsűrűbben fordulnak elő. A transzláció megindulásának feltétele; hogy a csúszási síkban a csúszás irányában a fémre jellemző nagyságú, kritikus csúsztató feszültség hasson. Az elméleti kutatásokhoz egykristályból kimunkált, szakító próbatesteket használnak fel. A transzlációt megindító egységnyi keresztmetszetre vonatkoztatott terhelő erő a vizsgált egykristály rugalmassági határa. Ennek nagyságát a kristály anyaga mellett a csúszás síkjának és irányának helyzete is befolyásolja. 2.7. ábra 2.7. ábra Al egykristály Az atomok transzláció közben olyan helyzetbe kerülnek, hogy az egymás feletti atomsorok egy atomtávolsággal 2.8. ábra jobb felé elmozdulnak.
2.8. ábra Modell a kritikus csúsztató feszültség számításához A fémek kristályos szerkezetéből és az atomok szabályos elrendezéséből elméletileg számítható az atomkapcsolat megbontásához szükséges feszültség. A számított érték megközelítőleg ezerszerese, a valóságban észlelt feszültségnek. A számított és a valóságos rugalmassági határok közötti eltérés magyarázata az, hogy a fémek kristályszerkezete nem tökéletes, bennük rácshibák vannak. Gyűjtse ki és jegyezze meg a rácshibák fő csoportjainak a nevét, jellemzőiket! E rácshibák kiterjedésüknek megfelelően három fő csoportba osztható: - pontszerű hibák (vakanciák): - vonalszerű hibák, (diszlokációk) - térbeli rácshibák. Polányi és Taylor tételezték fel először, hogy a kristályok diszlokációkat tartalmaznak.
Tanulmányozza, vázolja le az él és a csavar diszlokáció folyamatát bemutató ábrákat! A képlékeny alakváltozás nem egyszerre megy végbe az egész csúszó-síkon mint azt az elméleti rugalmassági határ kiszámításánál feltételezték, hanem e diszlokációk közvetlen környezete az a terület, ami az alakváltozásban részt vesz és ezek a diszlokációk mozgásuk révén hozzák létre a képlékeny alakváltozást. 2.9. ábra. 2.9. ábra Diszkokáció modellek; a.) él-, b.) csavar diszlokáció A transzláció (csúszás) tehát nem egyszerre, hanem fokozatosan megy végbe, végigfutva az atomsoron olyanképpen, mint ahogy a földigiliszta halad a felszínen. Egy adott kristályrendszer atomokkal legtömöttebb síkjait csúszósíkoknak, míg a csúszósikok atomokkal legtömöttebb irányait csúszási irányoknak nevezzük. A csúszási síkok és csúszási irányok együttesen csúszási rendszereket képeznek. A csúszási rendszerek száma az alakíthatósággal közvetlen kapcsolatba hozható. Ebből ered az a kísérletileg is igazolt tény, hogy a legjobban alakíthatók a felületen középpontos köbös rendszerbeli fémek és ötvözeteik, míg a legkevésbé a legkevesebb csúszási rendszerrel rendelkező hexagonális rendszerbeli fémek.. A különböző kristályok csúszási síkjának irányát foglalja össze a 2.2. táblázat. Tanulmányozza a 2.2. táblázatot! Fordítsa le a fogalmakat magyarra!
2.2. táblázat Különböző kristálystruktúrák csúszási mechanizmusa. Gyűjtse ki és jegyezze meg az ikerképződés jellemzőit! Tanulmányozza, vázolja le a 2.10. ábrát! A transzláción kívül a kristályokra ható alakító erő következtében az alakváltozás úgynevezett ikerképződés útján is létrejöhet. Az ikerképződés lényege, hogy a kristálynak két párhuzamos sík közé eső része az eredeti helyzet tükörképének megfelelő helyzetbe kerül. (lásd 2.10. ábra).
2.10. ábra Alakváltozás ikerképződés útján. Az ikerképződés akkor következik be, ha a csúszási sík és irány az alakváltozás szempontjából kedvezőtlen helyzetű. Ikerképződés a szabályos rendszerbe tartozó fémekben alakváltozás közben nem szokott képződni, csak az alacsonyabb szimmetriájú fémkristályokban megy végbe. Ilyen észlelhető pl. az ón alakváltozásakor mely tetragonális rendszerben kristályosodik. ( Az ónrúd hajlítása közben hallható zörej az un. ón ikerképződésének hangja.) Gyűjtse ki és jegyezze meg a polikrisztalin test jellemzőit! Tanulmányozza a 2.11. ábrát! A gyakorlatban a sok kristályból álló polikrisztalin test transzlációja által létrejött alakváltozás a jellemző. Ez, bár az egykristályok alakváltozására visszavezethető, mégis annál sokkal összetettebb, bonyolultabb folyamat. A polikrisztallin test ugyanis igen nagy mennyiségű különbözőképpen orientált kristályt tartalmaz. Az egyes kristályok kristálytani tengelyük szerint más és más statisztikailag rendezetlen csúszási síkot és irányt foglalnak el. Így az alakítandó testben lévő igen nagyszámú krisztallit között mindig bőségesen van olyan kedvezően orientált, amelyek csúszó-síkjában a terhelés egy határfeszültség elérése után megindítja az alakváltozást. 2.11. ábra. 2.11. ábra Polikrisztallit; a.) alakváltozás előtt, b.) húzó igénybevétellel történt alakítás után
A diszlokációk számának növekedésével növekszik a kristály energiaszintje is, hiszen a krisztallitok határán történő érintkezésnél igen nagy helyi feszültségek keletkeznek, melyek megindíthatják a csúszást a kedvezőtlenül orientált krisztallitokon belül is. Az így kialakult láncreakció a polikrisztallit testen belül, az alakváltozásba szinte minden krisztallitot bevon/hat, csúszó-síkjaikkal igyekezve befordulni az erő irányába. Tanulja meg az anizotrópia jelentését! Az így kialakult egyirányú rendezettség (a rekrisztallizációs hőmérséklet alatt, azaz hidegalakításnál) az alakítási textúra miatt az alakítás irányában a polikrisztallin test sajátosságai mások, mint arra merőlegesen. Ezt a jelenséget a képlékenyen alakított test anizotrópiá-jának nevezzük. Tanulmányozza, vázolja le a 2.12. ábrát! Jegyezze meg az alakítási keményedés jelentését, hatásait! Mindezek eredményeként a diszlokációk további mozgása, azaz a képlékeny alakváltozás tovább folytatása csak folyamatosan növekvő feszültséggel lehetséges. Ezt a jelenséget a hidegen alakított fémek esetén alakítási keményedésének nevezzük. Az alakítási keményedés hatását az alakított fém mechanikai tulajdonságaira foglalja össze a 2.12. ábra. 2.12. ábra Az alakítási keményedés hatása hidegen alakított szín-réz szilárdsági és alakváltozási jellemzőinek változásával Forrás:Tsza M. : Anyagvizsgálat Az alakítási keményedés kedvezőtlen következménye, hogy az alakított anyag alakváltozó képessége bizonyos mértékű alakítás után kimerül. Ezért nagyobb mértékű alakítást igénylő, hidegalakítással gyártott termékeknél az alakító műveletek között közbenső hőkezelést kell alkalmazni, az alakítás következtében megváltozott tulajdonságok helyreállítására.
Ugyancsak az alakítási keményedés kedvezőtlen következménye, hogy a növekvő alakváltozás egyre növekvő feszültséggel valósítható meg, azaz az alakítás egyre nagyobb erő- és energiabefektetést igényel. Az alakítási keményedést gyakran jellemezzük a valósi feszültség (σ ) változását a valósi alakváltozás (φ) függvényében leíró keményedési görbével,(lásd.2.1, 2.3. ábra ) amely a gyakorlati fémek jelentős részére a Nádai-féle hatványfüggvénnyel adható meg, azaz σ = k φⁿ ahol k a keményedési együttható, n pedig a keményedési kitevő. 2.4. Hőmérséklet és az alakítás sebességének hatása az alakítási szilárdságra (kf) Gyűjtse ki és jegyezze meg az alakítási szilárdság nagyságát befolyásoló tényezőket! Tanulmányozza és rajzolja le a 2.13. és 2.14. ábrát! Az alakítási szilárdság (kf.) nagyságát befolyásolja; az anyag minősége, az alakítás mértéke (2.13.a ), az alakítás sebessége (2.13.b ), alakítás hőmérséklete (2.13.c ). 2.13. ábra Az alakítási sebesség-, és hőmérséklet hatásának jelleg ábrája, az alakítási szilárdságra. kf.
2.14. ábra A hőmérséklet hatása a C15-ös szénacél esetén; az alakítási szilárdságra kf., és a maximálisan elérhető alakváltozás mértékére φmax Jegyezze meg mely tartományokban nem vezet a növekvő hőmérséklet az alakítási szilárdság csökkenéséhez és az alakítás mértékének növekedéséhez! Tanulja meg az okokat! A 2.14. ábra alapján általánosan megállapítható; az alakítás hőmérséklet emelkedésével, csökken az alakítási szilárdság, ezzel együtt értelemszerűen csökken az alakításhoz szükséges erő. növekszik a hibamentesen elérhető alakítás mértéke, ezzel emeli egyszeri alakváltoztatás mértékét. az alakítási sebesség az alakítási szilárdság kf-ra és az alakváltozás mértékére φ az alábbi hatással van; o Csökkenti az alakváltozási tartományt φmax, o Meleg-alakításnál; amikor az átalakulási sebesség nagyobb mint az újrakristályosodási sebesség: az átalakulási sebesség növekedése az alakítási sebesség növeléséhez vezet o Hideg alakításnál; az alakítási sebesség csekély befolyással bír
A diagram két olyan hőmérsékleti tartományt mutat, amelynél a növekvő hőmérséklet nem vezet az alakítási szilárdság kf. csökkenéséhez és az alakítás mértékének φmax növekedéséhez; A 200-300 Cº közötti hőmérsékleti tartomány; itt az anyagban egy termikus diffúzió következtében az α vas rácsban szennyező atomok diffúziója megnehezíti az alakváltozást, és ezzel együtt nő folyási feszültség is. Ebben a kőmérsékleti tartományban az acél színe kék, ez alapján nevezik ezt a jelenséget kék ridegedésnek (blausprödigkeit). A 900 Cº- os hőmérsékleten; Jelentkezik az α γ fázis átalakulás, ami a kristályrács paraméter térfogati növekedéssel jár, ez vezet átmeneti alakítás mérték φmax csökkenéshez, illetve az alakítási szilárdság kf emelkedéséhez. Tanulmányozza a következő összefüggéseket! Az alakítási szilárdság és az alakváltozási sebesség összefüggését elemezve Alder és Philips a k f = k fa φ. φ a. m empirikus összefüggést javasolja, ahol k fa a. φ a alakváltozási sebességhez, kf a φ. - alakváltozási sebességhez tartozó alakítási szilárdság; m az un. sebességkitevő. Az alakváltozás és az alakváltozási sebesség hatását az alakítási szilárdságra együttesen a k f = aφ n. φ.m összefüggéssel adhatjuk meg, ahol a, n és m is a hőmérséklet függvénye. A keményedési kitevő (ⁿ) és a sebességkitevő (m) hőmérsékletfüggésének elemzéséből 2.15. ábra azt a következtetést vonhatjuk le, hogy: - hidegalakításnál m 0, következésképpen a k f = a. φ n összefüggésre jutunk. - melegalakításnál n 0 és a kifejezést kapjuk. k f = a. φ.m Tanulmányozza és vázolja le a 2.15. ábrát!
2.15. ábra A keményedési kitevő (ⁿ) és a sebességkitevő (m) változása a hőmérséklet függvényében. Forrás: Gál, Dr. Kiss, Dr. Sárvári, Dr. Tisza: Képlékeny hidegalakítás Jegyzet Jegyezze meg, hogy meleg és a hidegalakítás esetén mi befolyásolja az alakítási szilárdságot! E két utóbbi összefüggés alátámasztja az alakítási szilárdsággal kapcsolatban a bevezetésben tett megállapításokat, mely szerint az alakítási szilárdság adott hőmérsékleten hidegalakításnál csak az alakváltozás mértékének-, melegalakításnál pedig az alakváltozási sebességnek a függvénye. 2.16. ábra. Alakítási szilárdság kf a alakváltozási sebesség függvényében φ különböző alakítási hőmérsékleteknél a C15-ös anyag példájában. (Döge 2.81.)