TECHNOLOGIA MATERIAŁÓW 

METALICZNYCH - LABORATORIUM

2010/2011

Gałek Dariusz, Kowaleczko Krzysztof

Rok

III

Grupa 2

Zespół 4

Numer

Ćwiczenia

1

Odkształcenie plastyczne

metali

Ocena

I. Cel ćwiczenia

Praktyczne   wyznaczanie   podstawowych   wielkości   charakteryzujących 

odkształcenie plastyczne metali takich jak: opór odkształcenia (nacisk jednostkowy), 

opór plastyczny, opór tarcia, współczynnik tarcia.

II. Wstęp teoretyczny

1. Plastyczność i odkształcenie

Jedną   z   najważniejszych   własności   metali   i   stopów   jest   ich   zdolność   do 

trwałego odkształcania się bez naruszenia spójności, zwana  plastycznością. Dzięki 

plastyczności możliwa jest obróbka plastyczna metali, polegająca m.in. na:

•

walcowaniu,

•

kuciu,

•

prasowaniu,

•

ciągnieniu.

Celem obróbki plastycznej jest uzyskanie gotowych produktów i półproduktów 

hutniczych, takich jak:

•

pręty,

•

kształtowniki,

•

rury,

•

druty,

•

blachy,

•

odkuwki.

W zależności od wymaganych własności produktów hutniczych oraz rodzaju 

obrabianego metalu lub stopu obróbka plastyczna może odbywać się:

•

na zimno,

•

na gorąco.

Obróbka   plastyczna   na  zimno   jest   wykonywana   w  temperaturze   niższej   od 

temperatury rekrystalizacji, a na gorąco – powyżej tej temperatury.

Odkształcenie  jest   reakcją  materiałów   na   naprężenie.   Pod   wpływem   takich 

samych naprężeń sztywne materiały odkształcają się nieznacznie (np. stal), natomiast 

miękkie   (podatne   materiały)   odkształcają  się  w  znacznie   większym   stopniu   (np. 

polietylen).

2. Stopień gniotu

Wielkość odkształcenia plastycznego charakteryzuje geometryczna zmiana

przekroju przedmiotu obrabianego plastycznie, określana stopniem gniotu G:

G=

H

0

−

H

1

H

0

⋅

100

%

gdzie:

H

0

  i  H

1

  –   odpowiednio   przekrój   poprzeczny   przedmiotu   przed   i   po   obróbce 

plastycznej

W zależności od warunków obróbki plastycznej, tzn. głownie od temperatury i 

stopnia gniotu, a także sposobu i szybkości odkształcenia, liczby przepustów i innych 

czynników   technologicznych,   o   własnościach   metalu   obrabianego   plastycznie 

decydują rożne mechanizmy odkształcenia plastycznego oraz procesy aktywowane 

cieplnie, usuwające skutki umocnienia zgniotowego.

3. Klasyfikacja mechanizmów odkształcenia plastycznego

Do mechanizmów odkształcenia plastycznego należą:

•

poślizg dyslokacyjny,

•

bliźniakowanie,

•

pełzanie dyslokacyjne,

•

pełzanie dyfuzyjne,

•

poślizg po granicach ziarn.

3.1. Mechanizm poślizgu

Podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego metali jest poślizg 

(rys.   1).   Polega   on   na   wzajemnym   przemieszczaniu   się   jednej   części   kryształu 

względem drugiej w płaszczyznach poślizgu w wyniku ruchu dyslokacji w kierunku 

poślizgu. Budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje niezmieniona.

Rys. 1. Schemat mechanizmu odkształcenia plastycznego metali na zimno przez poślizg

W wyniku poślizgu przemieszczeniu ulegają warstwy metalu oddalone o 10 – 

1000   średnic   atomowych,   tworząc   tzw.   linie   poślizgu.   Dalsze   odkształcenie 

plastyczne   jest   związane   z   tworzeniem  nowych   linii  poślizgu,   nie   zaś  z   dalszym 

poślizgiem  wzdłuż  linii  istniejących.  W  wyniku  odkształcenia   plastycznego   przez 

poślizg w temperaturze podwyższonej powstają pasma poślizgu złożone z kilku do 

kilkunastu równoległych linii poślizgu oddalonych od siebie o około 100 średnic 

atomowych.   W   niektórych   kryształach,   najczęściej   o   sieci   typu   A2,   występuje 

pofałdowanie   linii   poślizgu,   świadczące   o   jednoczesnym   poślizgu   w   różnych 

systemach.   W   wyniku  działania   mechanizmu   poślizgu   następuje   odkształcenie 

plastyczne metali na zimno i na gorąco. W niskiej temperaturze mechanizm ten jest 

ograniczony, przede wszystkim w metalach o sieci typu A2.

3.2. Mechanizm bliźniakowania

W przypadku zahamowania poślizgu,  zwłaszcza w metalach o sieciach A2 i 

A3,   mechanizmem   odkształcenia   plastycznego   o   dużym   znaczeniu   może   być 

bliźniakowanie.   Bliźniakowanie   polega   na   jednorodnym   ścinaniu   o   wektor 

bliźniakowania   kolejnych   warstw   atomów   w   płaszczyznach   bliźniakowania. 

Zbliźniaczona część kryształu ulega skręceniu względem części nieodkształconej w 

taki   sposób,   że   ich   struktury   krystaliczne   są   symetryczne   osiowo   względem 

płaszczyzny bliźniakowania (stanowią odbicie lustrzane).

Rys. 2. Schemat zbliźniaczonego kryształu o sieci regularnej ściennie centrowanej A1

4. Mechanizm odkształcenia plastycznego polikryształów na zimno

Przypadkowa  orientacja  krystalograficzna  ziarn i  blokujące  działanie  granic 

ziarn,   zwłaszcza   szerokokątowych,   decydują   o   jednoczesnym   odkształceniu 

plastycznym   w   licznych   systemach   poślizgu.   Odkształcenie   plastyczne 

polikryształów   rozpoczyna   się   w   ziarnach   o   systemie   poślizgu   zorientowanym 

zgodnie   z   kierunkiem   przyłożenia   obciążenia,   jeszcze   przed   osiągnięciem 

makroskopowej   granicy   plastyczności.   Przed   granicami   ziarn   następuje   wówczas 

spiętrzenie   dyslokacji   jednoimiennych.   Powoduje   to   wytworzenie   naprężenia 

wstecznego   –   skierowanego   przeciwnie   do   przyłożonego   obciążenia.   W   wyniku 

niejednoczesnego zapoczątkowania odkształcenia plastycznego w ziarnach o różnej 

orientacji   krystalograficznej   krzywa   rozciągania   poniżej   makroskopowej   granicy 

sprężystości   ma   charakter   paraboliczny.   Po   osiągnięciu   makroskopowej   granicy 

plastyczności   odkształcenie   plastyczne   następuje   we   wszystkich   ziarnach. 

Odkształcenie plastyczne występuje nierównomiernie w wyniku rozprzestrzeniania 

się   fal   plastycznych   –   tzw.  pasm   Lüdersa.   Wskutek   działania   odkształcenia 

plastycznego   spiętrzenia   dyslokacji   w   jednych   ziarnach   uaktywniają   źródła 

dyslokacji w ziarnach sąsiednich i wywołują  oddziaływanie dyslokacji  z błędami 

ułożenia i dyslokacjami w innych systemach poślizgu. Wpływa to na zwiększenie 

umocnienia   zgniotowego.   Zwiększenie   odkształcenia   powoduje   nasycenie   ziarn 

dyslokacjami  o dużej gęstości i utworzenie w ziarnach  komórkowej podstruktury 

dyslokacyjnej, a nawet podziarn.

5. Teoretyczna granica plastyczności

Trwałe   odkształcenie   materiału   następuje   w   wypadku   gdy   jeden   element 

materiału   przemieści   się   pod  wpływem  naprężeń   ścinających  względem  drugiego 

elementu zachowując cały czas spójność materiału.

Rys. 3. Model odkształcenia plastycznego

III. Przebieg ćwiczenia

1. Spęczyć   (ścisnąć)   próbkę   walcową   (H

0

)   z   podcięciami   na   powierzchniach 

czołowych   wypełnionymi   smarem  zmniejszając   jej   wysokość   o   połowę.  W 

trakcie spęczania notować zmianę siły spęczania w funkcji zmiany wysokości 

próbki.

2. Spęczyć próbkę walcową (H

0

) – oraz próbki H

01

 i H

02

 bez podcięć (na sucho) o 

połowę wysokości notując zmianę siły w funkcji zmiany wysokości.

IV. Opracowanie wyników

1. Schemat aparatury i urządzeń stosowanych podczas przeprowadzania ćwiczenia

Rys. 4. Schemat maszyny wytrzymałościowej

2. W oparciu o dane doświadczalne wyznaczono:

–

krzywą umocnienia k = f(G),

–

krzywą oporu odkształcenia p = f(G),

–

krzywą  p= f 

d

H

 ,

–

współczynnik tarcia

Wartości gniotu obliczono wg. wzoru:

G=

H

0

−

H

1

H

0

⋅

100

%

gdzie:

H

0

 i H

1

 – odpowiednio przekrój poprzeczny przedmiotu przed i po odkształceniu

Wiedząc, że jednostką oporu odkształcenia p jest paskal, do obliczenia wartości tego 

oporu potrzebna jest wartość siły działającej na powierzchnię ściskaną:

S=



d

2

4

[

mm

2

]

 

p



opór

=

p



siła

S

[

kg⋅m

s

2

]

[

mm

2

]

=

[

N ]

[

mm

2

]

=[

MPa]

Do obliczenia współczynnika tarcia μ, posłużono się wzorem Siebel'a:

p=k 1 1

3



d

H

 [

MPa]

 

przekształcając otrzymujemy:

p

k

=

1 1

3



d

H

q=

k
3



d

H

=

q⋅

3
k

3. Dyskusja wyników

Dla próbki nr 1, w której teoretycznie pominięto opory tarcia odkształca się 

łatwiej od próbki nr 2 – obie próbki oczywiście o stosunku  

d

h

=

1

. Wartość siły, 

przy   której   próbka   uległa   odkształceniu   (zmniejszona   wysokość  h)   jest   większa 

(średnio o 2000 N) w przypadku próbki nr 2. Największe wartości siły w stosunku do 

odkształcenia   osiągano   przy   próbie   ściskania   (spęczania)   próbki   nr   4   –   przy   sile 

równej ok. 39 kN gniot wynosi 40,98%. 

Próbka ściskana musi mieć odpowiednie wymiary długości do przekroju, w 

przeciwnym razie może dojść do wyboczenia (jest to stan, gdzie oprócz ściskania siłą 

P,   powstaje   również   zginanie   próbki   momentem   gnącym   Mg).   Ściskając   próbkę 

między   płaskimi   uchwytami,   w   przypadku   próbek   z   materiałów   wysoko-

odkształcalnych można zaobserwować, iż próbka zmienia znacznie swój kształt (np. 

cylindrycznego na baryłkowaty – Rys. 5.).

Rys. 5. Odkształcenie próbki pod wpływem działania siły

V. Wnioski

Materiał  o   kształcie   walcowym,   w   wyniku   spęczania   przyjmuje   kształt 

baryłkowaty, który jest zależny w znacznej mierze od tarcia występującego miedzy 

szczękami   maszyny   wytrzymałościowej   a   metalem.   Ze   wzrostem   współczynnika 

tarcia baryłkowatość zwiększa się.