plik

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   500-100   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:

−

gdzie:
σ

- granica sprężystości [Pa],

- 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

i k są parametrami wyznaczanymi eksperymentalnie i charakteryzują dany materiał.

Zależność Halla-Petcha nie może być ekstrapolowana dla nieskończenie małych wielkości ziarna
(np. nanostruktury). Udowodniono empirycznie, że poniżej pewnej charakterystycznej wielkości
ziarna d

, zaczyna maleć również współczynnik umocnienia k. Mniej więcej dla średnic ziarna

10-50 nm rejestruje się najwyższe wartości naprężeń uplastyczniających σ

. Dalsze rozdrabnianie

struktury można opisać przez tzw. odwrotną zależność Halla-Petcha. Makroskopowo objawia się
ona spadkiem wartości naprężenia uplastyczniającego σ

wraz z dalszym rozdrobnieniem struktury

(wykres poniżej).

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

. 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 50-500 nm) oraz dużym udziałem
granic ziaren szerokokątowych. Głównymi materiałami obrabianymi ową metodą są tytan, żelazo,
magnez, nikiel, glin, miedź i stopy wymienionych metali.

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.

Wady:

- 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   quasi-
hydrostatycznego.   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.

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.

Wady:

- 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

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   50-500   nm).   Obecnie   nadal   jest   to   metoda   jedynie   wykorzystywana   eksperymentalnie.
Najczęściej przerabia się nią glin i jego stopy.