AKADEMIA GÓRNICZO – HUTNICZA
im. Stanisława Staszica w Krakowie
WYDZIAŁ METALI NIEŻELAZNYCH
ROZPRAWA DOKTORSKA
mgr inż. PAWEŁ OSTACHOWSKI
Temat: Analiza mechanizmów odkształcenia w procesie
wyciskania metalu z cykliczną zmianą drogi
deformacji
Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza mechanizmów odkształcenia w procesie wyciskania metalu z cykliczną zmianą drogi deformacji 3
Spis treści
Wprowadzenie ... 4
1. Wstęp teoretyczny ... 5
1.1. Zjawisko lokalizacji odkształcenia ... 5
1.2. Zmiana drogi deformacji ... 9
1.3. Konwencjonalny proces wyciskania ... 14
1.4. Niekonwencjonalne metody odkształcania metali i stopów ... 16
1.5. Przesłanki wykorzystania zmiany drogi odkształcenia w procesie wyciskania metodą KOBO ... 19
1.6. Mechanizmy lepkoplastyczne w procesie wyciskania metodą KOBO ... 24
1.7. Rola defektów punktowych w kształtowaniu struktury i własności metali i stopów ... 32
2. Teza i cel pracy ... 36
3. Metodyka badań ... 37
3.1. Materiały użyte w eksperymentach ... 37
3.2. Przeprowadzone eksperymenty ... 38
3.2.1. Wyciskanie współbieżne metodą KOBO ... 38
3.2.2. Wyciskanie metodą KOBO z bocznym wypływem ... 40
3.2.3. Wyciskanie metodą KOBO ze stałą siłą wyciskania ... 41
3.2.4. Pomiar temperatury ... 41
3.3. Techniki badawcze ... 44
3.3.1. Badania własności mechanicznych ... 44
3.3.2. Obserwacje makroskopowe ... 45
3.3.3. Obserwacje strukturalne ... 45
3.3.4. Badania dyfraktometryczne ... 45
4. Wyniki badań i ich analiza ... 47
4.1. Mechaniczne apsekty wyciskania metodą KOBO ... 47
4.2. Płynięcie materiału w trakcie wyciskania ... 49
4.2.1. Wyciskanie z małą piętką ... 54
4.3. Wpływ temperatury na przebieg procesu wyciskania ... 56
4.4. Wyciskanie metodą KOBO ze stałą siłą wyciskania ... 65
4.5. Wyciskanie metodą KOBO z bocznym wypływem ... 72
4.6. Stabilność termiczna wyrobów po procesie wyciskania KOBO... 78
4.7. Nadplastyczność materiałów po wyciskaniu metodą KOBO ... 82
4.8. Umocnienie wydzieleniowe w materiałach po wyciskaniu metodą KOBO ... 87
5. Wnioski ... 90
Wprowadzenie
Proces wyciskania materiałów metalicznych z cykliczną zmianą drogi odkształcenia (metoda KOBO), pomimo ponad dwudziestoletniej historii obejmującej dziesiątki prac naukowo – badawczych, do tej pory nie doczekał się pełnej identyfikacji strukturalnej i mechanicznej. Jest to o tyle pożądane, iż udokumentowane anomalne zachowanie metali i stopów wyciśniętych metodą KOBO, w szczególności niskoenergetyczny przebieg procesu oraz możliwość uzyskania niespotykanie wysokich własności mechanicznych wyrobów.
Dane literaturowe wskazują na obecność defektów punktowych o dużej gęstości jedynie w metalach przesyconych z temperatury bliskiej topliwości, materiałach napromieniowanych, bądź po dynamicznych odkształceniach (ε≈105÷107s–1). Z drugiej strony, zjawiska towarzyszące dużym odkształceniom plastycznym (metody SPD) zazwyczaj łączone są ze zlokalizowanym płynięciem w pasmach ścinania bez precyzyjnego zdefiniowania tego mechanizmu.
Liczba parametrów, które można zmieniać w procesie konwencjonalnego wyciskania tj. prędkość wyciskania, temperatura, stopień przerobu, geometria wsadu i wyrobu powiększona jest w przypadku metody KOBO o dwa dodatkowe – częstotliwość i kąt rewersyjnego obracania matrycy. Istotnym wydaję się zbadanie współzależności pomiędzy tymi parametrami, zwłaszcza, że pojawiają się pierwsze próby modelowania procesu. Niniejsza praca doktorska porządkuje dotychczasową wiedzę na ten temat oraz dostarcza nowych danych doświadczalnych. Wyniki prób mechanicznych wraz z obserwacjami strukturalnymi i mikrostrukturalnymi (TEM) szeregu metali i stopów, wskazują na ich lepkoplastyczne (nadplastyczne) płynięcie w warunkach procesu KOBO, ze współczynnikiem lepkości około 10–7P (10–8
Pa·s)
. Zjawisko można zobrazować modelem płynącej cieczy (chociaż materiał wciąż pozostaje ciałem stałym) w obszarach pasm ścinania, niosącej fragmenty (bloki wycięte przez pasma ścinania) materiału.Głównym celem pracy jest próba identyfikacji mechanizmów decydujących o przebiegu odkształcenia podczas wyciskania metodą KOBO, określenie ich wpływu na geometrię płynięcia materiału w strefie odkształcenia oraz uzyskiwane przez prasówkę własności mechaniczne.
Wydział Metali Nieżelaznych
Analiza mechanizmów odkształcenia w procesie wyciskania metalu z cykliczną zmianą drogi deformacji 36
2.
Teza i cel pracy
Podjęty w niniejszej pracy problem badawczy dotyczący wpływu parametrów wyciskania metodą KOBO na przebieg procesu i własności mechaniczne wyciskanego materiału wymaga szerokiego spektrum badawczego. Na przebieg procesu w sposób istotny wpływa prędkość wyciskania, temperatura i stopień odkształcenia, ale także częstotliwość i kąt skręcania matrycy. Próba usystematyzowania wpływu wszystkich tych parametrów staje się niezbędna do prowadzenia analizy mechanizmów odkształcenia. W literaturze nie ma opracowania, które łączyłoby tak dużą liczbę parametrów w jednym procesie. Ilość zmiennych odniesionych do jednego materiału stanowi o atrakcyjności zagadnienia. Badania prowadzone nie tylko na czystych metalach, ale i na stopach (zwłaszcza tych uznanych za trudno odkształcalne) poszerzają dotychczasową wiedzę dotyczącą zagadnienia.
Doświadczalnie dowiedziony efekt silnego obniżenia energii niezbędnej do prowadzenia deformacji plastycznej materiału w warunkach cyklicznej zmiany drogi deformacji wywoływanej przez dodatkowe odkształcenie poprzeczne, dał impuls do poszukiwania zjawisk odpowiedzialnych za przebieg procesu KOBO.
Zweryfikowano następującą hipotezę:
Cykliczna zmiana drogi odkształcenia w procesie wyciskania metali
metodą KOBO lokalizuje odkształcenie w pasmach ścinania z równoczesną
generacją w tych obszarach silnie ponadrównowagowej koncentracji defektów
punktowych powodując nadplastyczne (lepkie) płynięcie.
Istotnym celem pracy było wykonanie badań doświadczalnych pozwalających na powiązanie parametrów prowadzenia procesu wyciskania z własnościami mechanicznymi i strukturą uzyskanych wyrobów.
Rewersyj ne obracanie m ay try
5.
Wnioski
1. Przeprowadzone na szeregu materiałów badania dowodzą uniwersalności zjawisk w procesie wyciskania metodą KOBO.
2. Wygenerowanie w trakcie wyciskania metodą KOBO ponadrównowagowej ilości defektów punktowych i ich kondensacja do postaci nanometrycznych klasterów przyczynia się do uzyskania przez wyroby wysokich własności mechanicznych i ich stabilności termicznej.
3. W procesie KOBO, metal stale zachowując stan stały, nabywa cech typowych dla cieczy, a zastosowane parametry procesu odpowiedzialne są zarówno za jego przebieg jak i własności mechaniczne wyrobów.
4. Jeżeli wyroby wyciskane metodą KOBO zostaną poddane kolejnemu odkształceniu, to „rozbicie” klastrów równoważne z „uwolnieniem” defektów punktowych umożliwia nadplastyczne płynięcie metalu.
5. Analiza zależności σD = η ∙ ε przy prowadzeniu procesu wyciskania metodą KOBO
ze stałą prędkością odkształcenia ε świadczy o tym, że tylko niezmienność siły
wyciskania gwarantuje stałość współczynnika lepkości η a stąd i stabilność własności mechanicznych na długości wyrobu. Temperatura, częstość skręcania oraz kąt skręcania nie są obciążone tym warunkiem, a więc mogą się zmieniać w trakcie procesu.
6. Zachowanie stałej siły poprzez regulację prędkości wyciskania jest skuteczne, acz nie spełnia relacji σD η ∙ ε, przy niezmienności współczynnika lepkości
odpowiedzialnego za jakościowe i ilościowe cechy plastycznego płynięcia oraz strukturę i własności mechaniczne wyrobów.
7. Lepkoplastyczny charakter płynięcia materiału w procesie wyciskania metodą KOBO umożliwia kształtowanie materiałów trudnoodkształcalnych o złożonej geometrii wyrobu z dużymi prędkościami, stopniami przerobu i bez wstępnego nagrzewania wsadu.
8. Obserwacje morfologii figur biegunowych ujawniają różnice w płynięciu materiału. Następuje układanie się bloków materiału wzdłuż kierunku płynięcia, co potwierdza jego charakter jako silnie radialny, kosztem płynięcia osiowego.
