Charakterystyka podstawowych mechanizmów umocnienia

Zachodzące na skutek odkształcenia plastycznego umocnienie materiału jest efektem oddziaływania dyslokacji z różnego rodzaju przeszkodami. Ze względu na istniejące przeszkody w ruchu dyslokacji wyróżnia się następujące rodzaje mechanizmów umocnienia [6], [15], [18], [52], [56]:

ƒ umocnienie od granic ziaren, ƒ umocnienie roztworowe:

- umocnienie roztworu przez atomy międzywęzłowe, - umocnienie roztworu przez atomy substytucyjne, ƒ umocnienie odkształceniowe:

- dyslokacyjne,

- umocnienie od podstruktury, - umocnienie od tekstury,

ƒ umocnienie stopów cząstkami faz obcych: - umocnienie wydzieleniowe,

- umocnienie dyspersyjne.

Ocenę wpływu mechanizmów umocnienia dokonuje się w oparciu o przyrost własności wytrzymałościowych materiału, jednak ze względu na obecność kilku źródeł umocnienia ciężko jest w sposób jednoznaczny określić udział ilościowy poszczególnych składowych umocnienia. Stosowanie modeli uwzględniających przyrosty naprężeń pochodzących od poszczególnych składowych mechanizmów umocnienia pozwala nie tylko na analizę ilościową i jakościową mechanizmów umocnienia jak również na określenie ich roli w kształtowaniu własności plastycznych materiału [52].

43 Kształtowanie końcowych własności mechanicznych charakteryzujących materiał w temperaturze pokojowej rozpoczyna się już w zakresie austenitycznym. Niemniej, w przypadku procesów przeróbki cieplno-plastycznej kończących się w temperaturze poniżej temperatury rozpoczęcia przemiany austenitu następuje odejście od liniowego sumowania efektów poszczególnych mechanizmów umocnienia, dodatkowo gwałtownie wzrasta rola umocnienia odkształceniowego (rys. 2.23).

Rys. 2.23. Wpływ różnych mechanizmów umocnienia na granicę plastyczności stali mikrostopowych w

zależności od temperatury odkształcania [49].

Do opisu stanu materiału po odkształceniu stosuje się gęstość dyslokacji, która definiowana jest najczęściej jako całkowita długość dyslokacji w jednostce objętości odkształcanego materiału. Odkształcenie plastyczne materiałów krystalicznych jest wynikiem przemieszczania się dyslokacji. Dyslokacje przeszkadzają sobie wzajemnie w ruchu poślizgowym, co prowadzi do ich spiętrzania i gromadzenia. Rezultatem jest

umocnienie odkształceniowe. Po procesie odkształcania istnieją w materiale defekty

struktury w postaci splotów dyslokacji, ścian komórkowych czy granic wąskokątowych, które stanowią dodatkowe źródło umocnienia materiału. Dyslokacje mogą również ulegać anihilacji prowadząc w konsekwencji do spadku umocnienia odkształceniowego. Podstawowym równaniem opisującym wpływ wielkości odkształcenia na gęstość dyslokacji, a tym samym na umocnienie odkształceniowe materiału jest równanie zaproponowane przez Taylora:

ρ α σ_d = Gb (2.30) gdzie: d

σ - przyrost naprężenia w wyniku umocnienia odkształceniowego,

α - stała zależna od oddziaływania między dyslokacjami, α =0.38÷1.33, dla stali ferrytycznych α=0.8,

G - moduł ścinania, dla czystego żelaza G =8.1⋅104MPa,

b - długość wektora Burgersa, dla ferrytu b=0.248nm, ρ - gęstość dyslokacji.

44 Ashby zaproponował uogólniony podział dyslokacji będących efektem odkształcenia plastycznego na dyslokacje:

ƒ statystycznie zmagazynowane, ƒ geometrycznie niezbędne.

Dyslokacje geometrycznie niezbędne odgrywają szczególną rolę w przypadku odkształcania materiałów wielofazowych poprzez kompensację gradientu odkształcenia pomiędzy fazami sztywnymi i miękkimi, co pozwala na dopasowanie się kształtu ziarna do sąsiadujących krystalitów. Natomiast dyslokacje statycznie zmagazynowane dominują w warunkach jednorodnego odkształcenia. Ich akumulacja jest prawdopodobnie wynikiem przypadkowego spotkania się dyslokacji lub ich uwięzienia na napotkanych przeszkodach, co powoduje ich wzajemne blokowanie się.

Ze względu na rolę w kształtowaniu własności mechanicznych w procesach przeróbki plastycznej wyróżnia się trzy mechanizmy składające się na umocnienie odkształceniowe:

ƒ umocnienie dyslokacyjne, ƒ umocnienie od podstruktury, ƒ umocnienie od tekstury.

Umocnienie dyslokacyjne dotyczy oddziaływania efektywnej gęstości dyslokacji,

a więc tej części dyslokacji, która pozostaje w materiale odkształconym po uwzględnieniu procesów zdrowienia:

− + ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = zdr umoc d d d d d d ε ρ ε ρ ε ρ _(2.31)

Przyrost własności wytrzymałościowych spowodowany obecnością w materiale podstruktury powstałej w wyniku odkształcenia plastycznego określa się jako umocnienie od podstruktury σ_sg. Powstająca podstruktura jest rezultatem oddziaływania ze sobą poruszających się dyslokacji, które tworzą wzajemne sploty, ściany komórek czy granice wąskokątowe. Składowa mechanizmu umocnienia odkształceniowego przyjmuje następującą postać:

m s sg =k l σ (2.32) gdzie: sg

σ - przyrost naprężenia pochodzący od podstruktury,

m - wykładnik z zakresu od -1 do -0.5,

45 s

k - stała związana z wytrzymałością granic podziaren:

(

ν

)

^θ π 1 ^{θ 2.1} 2 6 . 1 ≅ − = ^{G b} k_s (2.33) gdzie:

θ - kąt dezorientacji granic podziaren, B

D - średnia wielkość podziarna lub odległość między ściankami komórek, ν - współczynnik Poissona.

Umocnienia pochodzącego od podstruktury można również uwzględnić w równaniu Halla-Petcha poprzez zastąpienie średnicy ziarna d, tzw. średnicą zastępczą, de , którą wyznacza się za pomocą następującego równania:

1 1 1 − − − = + B e d D d (2.34)

Kolejnym sposobem poprawy własności wytrzymałościowych materiałów jest umocnienie wydzieleniowe polegające na oddziaływaniu poruszających się w czasie odkształcenia plastycznego dyslokacji z cząstkami faz obcych. Efektywność oddziaływania cząstek faz obcych na umocnienie materiału zależy od ich wielkości, rozmieszczenia, składu chemicznego, a przede wszystkim od odległości pomiędzy nimi na aktywnej płaszczyźnie poślizgu oraz od stopnia ich koherencji z osnową. Ze względu na źródło pochodzenia cząstek faz obcych wyróżnia się dwa mechanizmy oddziaływania dyslokacji z cząstkami:

ƒ umocnienie dyspersyjne, ƒ umocnienie wydzieleniowe.

Umocnienie dyspersyjne to umocnienie materiału spowodowane oddziaływaniem dyslokacji z drobnymi cząstkami faz obcych, które zostały wprowadzone do materiału w procesie wytwarzania np. metodami metalurgii proszków czy utleniania wewnętrznego. Pomiędzy tymi cząstkami a osnową istnieje niekoherentna granica międzyfazowa. Natomiast umocnienie wydzieleniowe ma miejsce wówczas, gdy dyslokacje oddziałują z cząstkami faz wtórnych wydzielających się z osnowy np. podczas zabiegów przesycania i starzenia, czy indukowanych odkształceniem. Pomiędzy tymi cząstkami a osnową występuje najczęściej koherentna granica międzyfazowa, a w otoczeniu tych cząstek istnieje sprężyste odkształcenie struktury osnowy i pole naprężeń dalekiego zasięgu.

Poruszająca się w płaszczyźnie poślizgu dyslokacja napotykając na swojej drodze przeszkodę w postaci cząstki fazy obcej musi ją pokonać poprzez przecięcie lub ominięcie jej, tworząc pętle. W zależności od twardości cząstek, ich koherencji z osnową oraz odległości między nimi wyróżnia się następujące mechanizmy oddziaływania cząstek na dyslokacje:

46 ƒ przecinanie cząstek przez dyslokacje, co ma miejsce, w przypadku niekoherencji cząstek z osnową, a wiec gdy mamy do czynienia z umocnieniem dyspersyjnym; ƒ omijanie cząstek przez dyslokacje z tworzeniem wokół nich pętli dyslokacyjnych, co ma miejsce, gdy dyslokacja napotyka na swojej drodze dużą lub twardą cząstkę;

ƒ omijanie cząstek przez dyslokacje w wyniku zmiany płaszczyzny poślizgu przez

wspinanie lub poślizg poprzeczny.

Umocnienie cząstkami faz obcych najczęściej opisywane jest przez dwa podstawowe mechanizmy:

ƒ Motta-Nabarro; Friedla, ƒ Orowana-Ashby’ego.

Mechanizm Orowana, polega na omijaniu przez dyslokacje napotkanych cząstek i tworzeniu wokół nich pętli dyslokacyjnych. Przyrost naprężenia wywołany mechanizmem Orowana można obliczyć za pomocą równania Ashbey’ego-Orowana:

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = b Gbf p 2 ln 538 . 0 2 1 κ κ σ ^(2.35) gdzie:

f - udział objętościowy wydzieleń,

κ - średnia średnica wydzielonych cząstek.

Mechanizm Orowana jest mechanizmem dominującym w stalach z mikrododatkami stopowymi ze względu na obecność twardszych od osnowy cząstek, które są niekoherentne z osnową i posiadają wyższe wartości modułu ścinania. W stalach mikrostopowych do obliczenia przyrostu naprężenia wywołanego mechanizmem Orowana wykorzystuje się zmienioną postać równania (2.35):

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ ⋅ = ² ₋₄ 1 10 125 . 6 ln κ κ β σp ^f (2.36) gdzie: β - stała, β =17MPa/µm,

f - udział objętościowy wydzieleń, dla stali mikroskopowych z Nb : ] [ 10 13 . 1 4 Nb f = ⋅ − .

W przypadku dużej koherencji cząstek z osnową dominuje mechanizm Motta-Nabarro, Friedela. Umocnienie ma miejsce, gdy odległość pomiędzy wydzieleniami λ jest zbliżona do promienia krzywizny R, którą może osiągnąć dyslokacja pod

47 działaniem pola naprężeń. Cząstka zostanie przecięta przez dyslokacje, gdy zostaną spełnione następujące warunki:

ƒ koherencja pomiędzy wydzieleniem a osnową,

ƒ zgodność struktury krystalicznej wydzielenia i osnowy, ƒ równoległość systemów poślizgu wydzieleniu i osnowie.

Do wyznaczenia przyrostu naprężenia wywołanego mechanizmem Motta-Nabarro, Friedla wykorzystuje się zależność:

κ

σ_p =C f (2.37)

gdzie:

C - stała.

Przyjmuje się, że w przypadku wydzieleń miękkich oddziaływanie z dyslokacjami prowadzi do wzrostu umocnienia odkształceniowego (mechanizm Motta-Nabarro), co jest istotne w przypadku poprawy własności plastycznych materiałów. Natomiast wydzielenia twarde (mechanizm Orowana) powodują znaczny wzrost efektów umocnienia, a tym samym poprawę własności wytrzymałościowych w czasie przebiegu procesu odkształcania. Schematyczne przedstawienie działania mechanizmów Motta-Nabarro oraz Orowana w zależności od wielkości cząstki fazy obcej przedstawiono na rys. 2.24 [15].

Rys. 2.24. Schematyczne przedstawienie oddziaływania mechanizmów Motta-Nabarro oraz Orowana na

umocnienie w funkcji wielkości cząstek fazy obcej [15].

Ze wzrostem promienia cząstki fazy obcej efekt umocnienia w wyniku mechanizmu Motta-Nabarro maleje, ponieważ coraz trudniejsze jest ich przecinanie przez dyslokacje. Jednocześnie istnieje pewna wielkość cząstki dla której obserwuje się maksymalny efekt umocnienia - punkt przecięcia się krzywych przedstawiających

48 działanie obu mechanizmów. W praktyce wielkość cząstek powinna mieścić się w zakresie od 10 ÷ 50 nm.

W stalach mikrostopowych dominuje umocnienie wydzieleniowe. Pierwiastki stopowe Nb, V, Ti, Al tworzą z C i N obecnymi w stali związki takie jak węgliki, azotki czy węglikoazotki. Nb, V, Ti tworzą węgliki MC o strukturze krystalicznej typu NaCl oraz azotki MN o takiej samej strukturze. Ze względu na brak zgodności koherencji cząstek z osnową jak również brak pomiędzy nimi równoległości systemów poślizgu dominującym mechanizmem umocnienia jest mechanizm Orowana, a więc wydzielenia będą omijane przez poruszające się dyslokacje pozostawiając wokół nich pętle.

Umocnienie roztworowe polega na oddziaływaniu atomów obcych (pierwiastka rozpuszczonego) na dyslokacje, czego wynikiem jest wzrost własności wytrzymałościowych. Wynikiem obecności atomów rozpuszczonych w roztworze są pola naprężeń sprężystych oddziaływujących na dyslokacje. Rodzaj roztworu, jaki tworzy pierwiastek rozpuszczony w danej osnowie ma wpływ na skuteczność umocnienia roztworowego. Jak wiadomo rozróżnia się dwa podstawowe rodzaje roztworów: substytucyjny oraz międzywęzłowy. Roztwory substytucyjne powstają wówczas, gdy wielkość atomów osnowy i pierwiastków rozpuszczonych jest porównywalna i istnieje możliwość zamiany atomów w węzłach sieci krystalicznej. Do pierwiastków tworzących roztwory substytucyjne zalicza się miedzy innymi: Si, P, Mn, Ti, Nb, Mo czy Cr. Atomy substytucyjne stanowiąc przeszkodę dla mobilnych dyslokacji powodują umocnienie materiału, a tym samym wzrost własności wytrzymałościowych. Natomiast roztwory międzywęzłowe powstają, gdy atomy pierwiastka rozpuszczonego są dużo mniejsze od atomów osnowy, przez co lokują się w pozycjach międzywęzłowych. Do pierwiastków tworzących roztwory międzywęzłowe zalicza się: C, N, B, H, O. Atomy międzywęzłowe wykazują tendencję do przemieszczania się do obszaru dyslokacji hamując ich przemieszczanie poprzez tworzenie skupisk atomów zwanych atmosferami Cottrell’a. Im większa jest różnica w średnicach atomów osnowy i domieszki tym większy jest efekt oddziaływania atomów rozpuszczonych z dyslokacjami.

W zależności od rodzaju tego oddziaływania rozróżnia się następujące mechanizmy:

ƒ blokowanie dyslokacji w ich położeniach wyjściowych,

ƒ zmniejszenie prędkości przemieszczania się dyslokacji w wyniku zwiększania naprężenia „tarcia wewnętrznego” struktury,

ƒ utrudnienie w pokonaniu przeszkód przez dyslokacje w wyniku ograniczenia poślizgu poprzecznego.

Przyrost własności wytrzymałościowych w wyniku umocnienia roztworowego ss

σ można wyznaczyć z następującej zależności:

∑

= ⁱ i i

ss kc

0

49 gdzie:

i

k - współczynnik umocnienia roztworem stałym dla i-tego pierwiastka

rozpuszczonego, i

c - ilość i-tego pierwiastka rozpuszczonego (% wagowy).

W przypadku materiałów o strukturach silnie rozdrobnionych przyrost własności wytrzymałościowych jest wynikiem kilku źródeł umocnienia: roztworowego, wydzieleniowego i przede wszystkim od granic ziaren. Granice ziaren stanowią przeszkody dla poruszających się dyslokacji. Następuje spiętrzenie dyslokacji przed granicami ziaren (dislocation pile-up), co w efekcie powoduje wzrost własności wytrzymałościowych. Umocnienie od granic ziaren zależy od EBU materiału, im EBU jest mniejsza, tym bardziej umocnienie wzrasta. Aby dalszy poślizg dyslokacji w poprzek wspólnej granicy sąsiadujących ziaren mógł być możliwy naprężenie styczne

τ musi osiągnąć pewną wartość krytyczną. Bailey i Hirsch zaproponowali równanie, które uwzględnia oddziaływanie granic ziaren na gęstość dyslokacji:

2 1 0 − + =τ α ρ τ Gb ^(2.39) gdzie: τ - naprężenie styczne, 0

τ - naprężenie pochodzące od defektów strukturalnych, poza dyslokacjami, najczęściej τ₀ =0.5.

Dla naprężeń normalnych równanie (2.39) przyjmuje postać: 2 1 0 − + =σ α ρ σ M Gb ^(2.40) gdzie: M - współczynnik Taylora.

Wykorzystując zależność, iż gęstość dyslokacji ρ jest funkcją odwrotną wielkości ziarna tj. ρ = d−1otrzymujemy:

2 1 0 2 1 0 − − + = + =σ MαGbρ σ MαGbd σ ^(2.41)

Przyjmując, że K_y =MαGb równanie (2.39) przyjmuje postać powszechnie znanego równania Halla-Petcha (2.1):

2 1 0 − + = K_yd y σ σ

50 Po osiągnięciu silnego stopnia rozdrobnienia mikrostruktury poniżej ok. 100 nm obserwuje się charakterystyczny efekt „mięknięcia”, co widoczne jest w zmianie współczynnika nachylenia K_yw równaniu Halla-Petcha (2.1). Następuje zmniejszenie różnicy w odległościach pomiędzy przemieszczającymi się dyslokacjami a wielkościami ziaren, co powoduje, iż gromadzące się na przeciwległych granicach dyslokacje przeciwnych znaków znoszą się, czego konsekwencją jest zanik spiętrzania dyslokacji. Oddziaływanie granic ziaren z przemieszczającymi się dyslokacjami (spiętrzanie na granicach ziaren) przestaje być dominującym mechanizmem umocnienia. Przyjmuje się, że istotne znaczenie odgrywa mechanizm generowania i wzrastającego wygięcia łuku dyslokacji (bow-out), który zakłada, że płynięcie plastyczne następuje, gdy powstająca na granicy ziarna dyslokacja ulegnie odpowiedniemu wygięciu w momencie, gdy przyłożone naprężenie styczne osiągnie wartość krytyczną.

W przypadku stali mikrostopowych i wielofazowych należy oprócz wpływu mechanizmów umocnienia na własności mechaniczne uwzględnić oddziaływanie występujących twardych składników strukturalnych, takich jak perlit, bainit, czy martenzyt.

Własności mechaniczne perlitu zależą przede wszystkim od jego dyspersji, a więc od odległości pomiędzy płytkami ferrytu i cementytu. W materiałach o strukturze perlitycznej podczas odkształcenia plastycznego ograniczony przez ferryt cementyt również podlega odkształcaniu plastycznemu. Ze wzrostem stopnia dyspersji własności wytrzymałościowe i twardość perlitu rosną, co jest związane ze skróceniem dystansu poślizgu dyslokacji w ferrycie, jednak maleje jego zdolność do odkształcenia plastycznego (materiał szybciej się umacnia).

Baint jako składnik strukturalny składający się z przesyconego węglem ferrytu oraz węglików posiada twardość większą od perlitu ale mniejszą od martenzytu. Obecność w stali substytucyjnych pierwiastków stopowych, takich jak Mn, Cr, Mo poprawia własności wytrzymałościowe stali nie tylko w wyniku obniżenia temperatury przemiany bainitycznej, ale również poprzez umocnienie roztworowe.

51 Rys. 2.25. Wpływ poszczególnych mechanizmów umocnienia - (a) oraz prędkości odkształcenia - (b) na

własności mechaniczne [14].

Obniżenie temperatury przemiany austenitu w bainit powoduje wzrost gęstości dyslokacji w ferrycie bainitu, jego przesycenie węglem jak również dyspersję węglików.

Martenzyt cechuje wysoka twardość i mała plastyczność. Wysoka twardość martenzytu związana jest z zawartością węgla oraz morfologią. W stalach niskowęglowych dominuje umocnienie martenzytu dużą gęstością dyslokacji i rozdrobnieniem ziarna, natomiast w przypadku stali wysokowęglowych przeważa umocnienie spowodowane atomami węgla w roztworze.

Wpływ poszczególnych mechanizmów umocnienia oraz prędkości odkształcenia na własności mechaniczne przedstawiono na rys. 2.25 [14].

2.2.3 Sposoby poprawy plastyczności materiałów

W dokumencie Index of /rozprawy2/10387 (Stron 43-52)