Index of /rozprawy2/11402

Pełen tekst

(1)Akademia Górniczo-Hutnicza im. Stanisława Staszica w Krakowie Wydział Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Katedra Plastycznej Przeróbki Metali. Rozprawa doktorska. Wieloskalowa analiza mechanizmów umocnienia w materiałach wielowarstwowych wytworzonych z wykorzystaniem przeróbki plastycznej Marcin Kwiecień Promotor: Prof. dr hab. inż. Janusz Majta. Kraków 2018.

(2) Pragnę podziękować panu Prof. dr hab. inż. Januszowi Majta za nieocenioną pomoc, wsparcie oraz motywację przy realizacji niniejszej pracy doktorskiej. Podziękowania składam również panu dr hab. inż. Krzysztofowi Muszce prof. nadzw. AGH za wszystkie naukowe i nienaukowe porady oraz pomoc przy przeprowadzeniu badań.. Praca finansowana w ramach: Projektów. badawczych. rozdrobnienia. Narodowego. Centrum. mikrostruktury "top-down" do. Nauki:. „Zastosowanie. metod. wytwarzania nanowarstwowych. materiałów konstrukcyjnych”, nr 2015/19/N/ST8/01263, oraz grantu dziekańskiego: „Badania własności materiałów wielowarstwowych umacnianych odkształceniowo”, nr 15.11.110.298.. 2.

(3) Spis treści 1.. Opracowanie literaturowe…………………………………………………………………………………….5 1.1.. Rys historyczny……………………………………………………………………………………………… 5. 1.2. Ogólna charakterystyka materiałów wielowarstwowych………………………………. 9. 1.2.1. Niejednorodność wyjściowa, dziedziczona z procesu wytwarzania…….. 19. 1.2.2. Niejednorodność wprowadzona…………………………………………………………. 26. 1.3. Mechanizmy odkształcenia…………………………………………………………………………. 37. 1.3.1. Mechanizmy odkształcenia w materiałach niejednorodnych………………. 37. 1.3.2. Mechanizm. odkształcenia. materiałów. niejednorodnych,. mikrowarstwowych……………………………………………………………………………………………. 38 1.3.3. Mechanizm. odkształcenia. materiałów. niejednorodnych,. nanowarstwowych. …………………………………………………………………………………………… 41 1.3.4. Koherentne i semi-koherentne połączenia warstw………………………………44. 1.3.5. Poślizg dyslokacji przez warstwy materiału…………………………………………. 46. 1.4. Charakterystyka podstawowych mechanizmów umocnienia………………………. 51. 1.4.1. Umocnienie odkształceniowe……………………………………………………………… 51. 1.4.2. Umocnienie stopów cząstkami fazy obcych………………………………………… 64. 1.4.3. Sumowanie mechanizmów umocnienia……………………………………………… 69. 1.5. Podsumowanie analizy literaturowej……………………………………………………………72. 2. Cel i teza pracy…………………………………………………………………………………………………… 73. 3. Badania doświadczalne………………………………………………………………………………………. 74 3.1. Materiał badawczy……………………………………………………………………………………….74. 3.2.. Charakterystyka procesów zastosowanych w badaniach doświadczalnych…. 79. 3.2.1.. Proces wytwarzania materiałów wielowarstwowych poprzez spajanie. wybuchowe………………………………………………………………………………………………………… 79 3.2.2.. Procesy. wytwarzania. materiałów. ultradrobnoziarnistych. wykorzystujących efekt silnej akumulacji odkształcenia……………………………………… 86 3.

(4) 3.2.3.. Procesy dynamicznej powierzchniowej obróbki plastycznej……………….. 90. 3.2.4.. Procesy wytwarzania materiałów wielowarstwowych z wykorzystaniem. korzystnego rozkładu naprężeń - ściskanie pakietowe……………………………………….. 92 4.. Wyniki badań……………………………………………………………………………………………………… 96 4.1. Badania układów bimetalowych uzyskanych na drodze łączenia wybuchem..96. 4.2. Badania materiałów ultradrobnoziarnistych wytworzonych na drodze silnej. akumulacji odkształcenia. …………………………………………………………………………………….104 4.3. Badania materiałów wielowarstwowych wytworzonych z zastosowaniem. dynamicznej powierzchniowej obróbki plastycznej……………………………………………… 118 4.4. Badanie efektów procesu ściskania pakietowego jako metody wytwarzania. materiałów wielowarstwowych. …………………………………………………………………………. 130 4.5. Procesy ściskania z zastosowaniem bardzo dużych prędkości odkształcenia.. ……………………………………………………………………………………………………………………………..135 4.6. Ocena ilościowa umocnienia materiałów wielowarstwowych wytworzonych na. drodze ściskania pakietowe…………………………………………………………………………………. 146 5.. Podsumowanie i wnioski…………………………………………………………………………….……. 151. Bibliografia……………………………………………………………………………………………………………….155 Spis rysunków…………………………………………………………………………………………………………..166 Spis tablic……………………………………………………………………………………………………………….. 173. 4.

(5) 1. Opracowanie literaturowe. 1.1.. Rys historyczny.. Materiały niejednorodne i wielowarstwowe były i nadal są obiektem wielu badań ze względu na możliwości wytworzenia w nich korzystnych kombinacji własności mechanicznych oraz szerokie, potencjalne obszary zastosowań. Pomysł łączenia tych samych bądź różnych materiałów jest znany od wielu wieków, a pierwsze wzmianki o takich działaniach pojawiają się już w czasach antycznych. Motywacja do zastosowania materiałów wielowarstwowych i niejednorodnych jako atrakcyjnych materiałów konstrukcyjnych na przestrzeni lat bywała jednak bardzo różna. W czasach antycznych czyste żelazo mogło być nawęglane tylko w bardzo cienkich warstwach. Ich laminowanie było jedyną możliwością uzyskania materiałów o większej objętości nadających się do dalszej przeróbki w celu nadania odpowiednich własności oraz kształtu. Innym powodem, który skłaniał ludzi do prac nad materiałami niejednorodnymi była mała dostępność materiałów reprezentujących oczekiwane własności mechaniczne i jednocześnie dobrej jakości. Łączenie materiałów o różnych własnościach stosowano w celu poprawy zarówno własności mechanicznych, jak i technologicznych. Pozwalało to na uzyskanie materiałów o wyższych własnościach wytrzymałościowych tj. twardości z zachowaniem dobrej udarności, zdolności do kształtowania na drodze przeróbki plastycznej oraz dobrej podatności na skrawanie (ostrzenie).. Dodatkową. przyczyną. szerokiego. zainteresowania. materiałami. niejednorodnymi i wielowarstwowymi był aspekt dekoracyjny, który w dalszym ciągu stanowi siłę napędową rozwoju tych technologii. Pierwsze wzmianki o materiałach niejednorodnych i wielowarstwowych można znaleźć w „Iliadzie” Homera, który opisywał tarczę Achillesa zbudowaną z pięciu warstw – 2 warstwy brązu, 2 warstwy cyny i jedna złota, występujące w kolejności brąz/cyna/złoto/cyna/brąz. Ich własności zostały zaprezentowane w walce, w której włócznia Aenasa przebiła 2 warstwy tarczy i zatrzymała się na warstwie złota. Kolejne wzmianki o materiałach na bazie stali i czystego żelaza można znaleźć u Greków, około 400 lat przed naszą erą. Wykorzystywane przez nich ostrza toporów posiadały rdzeń 5.

(6) ze stali średniowęglowej i powłokę ze stali niskowęglowej, z jednoczesnym trwałym połączeniem pomiędzy tymi warstwami. W dalszych latach materiały o takiej strukturze tylko. zyskiwały. na. popularności. i. coraz. częściej. były. wykorzystywane. do wytwarzania ostrzy mieczy i sztyletów. Dobrym przykładem tego typu wyrobów są noże wikingów oraz miecze chińskich wojowników, których ostrza wykonane były z materiałów liczących od 32 do 128 warstw. Innym przykładem zastosowania technologii wytwarzania materiałów niejednorodnych, wielowarstwowych. są. japońskie. miecze. samurajskie. (Rys.1.1),. noże. i miecze ze stali damasceńskiej lub te wytwarzane w Toledo. Technika wykonywania japońskich mieczy samurajskich z materiałów niejednorodnych, które są również obecnie wykonywane są taką samą technologią, jest z metalurgicznego punktu widzenia niezwykle interesująca. Po pierwsze wykorzystuje ona łączenie nie tylko jednego gatunku stali ze sobą, ale może również łączyć stal o całkowicie odmiennych charakterystykach mechanicznych i składach chemicznych. Za przykład może tu służyć wytwarzanie ostrza z rdzeniem ze stali niskowęglowej otoczonej powłoką wykonaną z wysokowęglowej stali (Rys. 1.2a). Drugim istotnym aspektem jest wielooperacyjne składanie i kucie powodujące powstanie dziesiątek dyskretnych warstewek tego samego materiału wykorzystane w procesie tworzenia mieczy samurajskich (Rys. 1.2b). Materiał w tym wypadku jest nagrzewany do temperatury 1000-1100°C następnie zginany i zakuwany, aż do uzyskania jednolitego kompozytu. Operacja ta jest wielokrotnie powtarzana, co pozwala na uzyskanie oczekiwanych wysokich własności wytrzymałościowych w całej objętości przerabianego materiału. Ostatnim istotnym procesem. Rys.1.1 Ostrze Japońskiego miecza Samurajskiego - Katany [1].. 6.

(7) a). b). Rys. 1.2 Wytwarzanie utwardzonego ostrza w starożytności –a) [2]; wytwarzanie wielowarstwowych materiałów poprzez składanie tego samego materiału –b) [3].. wykorzystywanym przy produkcji stali przeznaczonej na Katany (Rys.1.1) było dobranie odpowiednich warunków obróbki cieplnej. Wykorzystywano tutaj dodatkowo pokrywanie stali gliną w celu nadania warstwie powierzchniowej innych cech w stosunku do rdzenia – gwarantowało to zarówno różne własności na długości i szerokości ostrza (utwardzanie), jak również nadanie mu walorów estetycznych. Dzięki prowadzonemu w takich warunkach procesowi obróbki cieplnej, na krawędziach wykonanego ostrza powstawały obszary wzbogacone w twardy perlit, a w środku pozostawał materiał bogatszy w bardziej plastyczną strukturę ferrytu. Najbardziej jednak znanym niejednorodnym materiałem wykorzystywanym do produkcji broni była stal Damasceńska. Jej nazwa pochodzi prawdopodobnie od Damaszku w Syrii, gdzie wykonywano w latach ok. 900-1600 broń o bardzo dobrej – jak na tamte lata – jakości. Niektóre źródła podają jednak inną wersję pochodzenia tej nazwy tj. od nazwiska rzemieślnika wytwarzającego tego typu ostrza, o nazwisku Damascus [4]. Oprócz unikatowych własności stal tego typu charakteryzuje specyficzna struktura, która pozwalała nadawać wykonywanym wyrobom również znaczące walory estetyczne (Rys. 1.3). W literaturze stal Damasceńska opisywana była jako materiał posiadający w swojej strukturze specyficzne fale o ciemniejszym i jaśniejszym odcieniu. Dokładna technologia wytwarzania tego typu wyrobów stalowych została przez lata utracona i wciąż na świecie trwają próby jej odtworzenia. Według historyków stal damasceńska wytwarzana była z wysokiej czystości stali o zawartości ok. 1,5% węgla oraz domieszek pierwiastków stopowych, węglikotwórczych w ilości kilku setnych procenta. Taki 7.

(8) materiał posiadał niejednorodną strukturę uzyskiwaną w wyniku specyficznych warunków krzepnięcia, a następnie poprzez przekuwanie uzyskiwał charakterystyczną dla siebie strukturę rozproszonych wydzieleń dodatków stopowych w osnowie. (Rys. 1.4).. Rys. 1.3 Struktura stali Damasceńskiej miecza znajdującego się w Muzeum Narodowym w Krakowie.. Rys. 1.4 Schemat przedstawiający przebieg krystalizacji stali damasceńskiej [5].. 8.

(9) 1.2 Ogólna charakterystyka materiałów wielowarstwowych.. Intensywny rozwój przemysłu obserwowany a przestrzeni ostatnich kilku dekad wymusił na producentach i naukowcach szukanie nowych rozwiązań w obszarze inżynierii materiałowej i metalurgii. Przemysł motoryzacyjny, wydobywczy czy też stoczniowy nieustannie potrzebuje nowych materiałów do poprawy i rozwoju swoich konstrukcji i technologii. Dzięki temu na całym świecie prowadzone są prace mające na celu udoskonalenia materiałów oraz nadania tradycyjnie wykorzystywanym tworzywom nowych własności, wszystko przy zastosowaniu różnych kombinacji procesów wytwarzania (Rys. 1.5a). Odpowiedzią na istniejące zapotrzebowanie na nowe materiały o potencjalnie szerokim obszarze zastosowań są właśnie materiały niejednorodne oraz materiały wielowarstwowe (Rys. 1.5b). Materiały niejednorodne mogą być wytwarzane w różny sposób – począwszy od nowoczesnych procesów przeróbki termomechanicznej oraz procesy mechanicznej obróbki powierzchniowej (Surface Mechanical Attrition Treatment - SMAT) z silną akumulacją efektów odkształcenia (Severe Plastic Deformation - SPD), aż do wytwarzania materiałów wielowarstwowych. wykorzystujących. klasyczne. procesy. przeróbki. plastycznej. np. walcowanie lub ściskanie pakietowe, ściskanie w warunkach obciążeń dynamicznych).. 9.

(10) a). b). Rys. 1.5 Sposób projektowania nowych materiałów –a); potencjalne własności mechaniczne materiałów wielowarstwowych -b) [6].. Wymagania jakie stawiane są nowym materiałom to przede wszystkim wysokie własności wytrzymałościowe przy równoczesnym zachowaniu dobrych własności plastycznych. Przykładowo przemysł motoryzacyjny wymaga, aby materiały stosowane do produkcji karoserii samochodowych charakteryzowały się wysoką wytrzymałością, zdolnością do odkształceń plastycznych, odpowiednią wrażliwością na prędkość odkształcenia, a dodatkowo masą. Stale o wysokich własnościach wytrzymałościowych jak HSLA, TRIP czy DP pozwalają co prawda na obniżenie ciężaru całkowitego i charakteryzują się dobrą kombinacją własności wytrzymałościowych oraz plastycznych, ale. ze. względu. na. złożone. procesy. wytwarzania. są. stosunkowo. w zastosowaniu na dużą skalę. Coraz częściej alternatywą dla stają się materiały 10. drogie.

(11) a). b). Rys. 1.6 Krzywe naprężenie-odkształcenie materiałów monolitycznych i wielowarstwowych wytworzonych na ich bazie–a); charakterystyka krzywych materiałów monolitycznych i połączenia ich charakterystyk w materiale wielowarstwowym –b) [6].. niejednorodne,. których. charakterystyka. mechaniczna. jest. korzystniejsza. niż w materiałach jednorodnych. Różne stopnie rozdrobnienia mikrostruktury, jej skład oraz wielowarstwowość powodują, że w takim materiale można zaobserwować gradientowy rozkład własności wytrzymałościowych i plastycznych, a ich kombinacja pozwala na zaprojektowanie wyrobów gotowych o wymaganych, optymalnych własnościach. Nowo powstały materiał dzięki różnej charakterystyce poszczególnych warstw wykazuje nie tylko połączenie własności każdej z nich (Rys. 1.6), ale również korzystny efekt synergii tj. nowe wyższe własności mechaniczne. Dla przykładu, odkształcanie materiałów niejednorodnych poddanych naprężeniu rozciągającemu można podzielić na trzy podstawowe etapy (Rys. 1.7a). W pierwszym obie warstwy materiału (miękka i twarda) odkształcają się sprężyście, tak jak w materiałach jednorodnych.. W etapie drugim w warstwie plastycznej. obserwowany jest poślizg dyslokacji, który powoduje plastyczne odkształcenie, natomiast warstwa twarda pozostaje pod działaniem odkształcenia sprężystego. Warstwa charakteryzująca się wysokimi własnościami plastycznymi wymaga odkształcenia z sąsiadującą warstwą twardą, co powoduje, że nie może samodzielnie się odkształcać. Odkształcenie na granicach warstw musi być ciągłe dla obu warstw, jednakże plastyczna warstwa zakumuluje większą część odkształcenia ze względu na swoją wyższą plastyczność. Z tego powodu w warstwie „miękkiej” obserwowany będzie gradient odkształcenia przy granicy warstw, który musi być wyrównany poprzez dyslokacje geometrycznie niezbędne, powodując, że warstwa miękka staję się bardziej umocniona odkształceniowo. Dzięki temu obserwowany jest synergiczny efekt 11.

(12) umocnienia [7,8] prowadzący do globalnego zwiększenia granicy plastyczności materiału wielowarstwowego [9,10]. W wyidealizowanym przypadku, warstwa miękka jest otoczona twardą osnową tak, że nie może się ona odkształcać do momentu plastycznego odkształcenia twardej warstwy. Dyslokacje geometrycznie niezbędne w takim wypadku spiętrzałyby się na granicach warstwy miękkiej (Rys. 1.7b), nie mogąc przejść połączenia tych warstw tworząc akumulację naprężenia. Takie zjawisko spowodowałoby, że warstwa miękka uzyskałaby wytrzymałość tej „twardej”, powodując globalny wzrost granicy plastyczności o wiele wyższej, niż przewiduje to reguła równych naprężeń i odkształceń [8]. W trzecim etapie ze względu na wyrównanie stanu umocnienia obie warstwy materiału odkształcają się plastycznie, jednak znacznie większe odkształcenie jest przenoszone przez warstwę miękką, powodując tzw. podział odkształceń [11–13]. W momencie, gdy sąsiadujące warstwy przenoszą różne odkształcenia, gradient odkształcenia obserwowany jest przy granicach warstw miękkich i twardych. Wielkość gradientu będzie coraz większa przy wzroście w/w zasady podziału odkształceń powodując umocnienie materiału, które pozwoli na akomodację efektów odkształcenia, a w konsekwencji na zapobieganie pojawiania się przewężenia przy rozciąganiu,. a). b). Rys. 1.7 Etapy odkształcania materiałów wielowarstwowych –a); Plastyczne ziarno otoczone umocnioną, ultradrobnoziarnistą mikrosturkturą w niejednorodnym stopie tytanu. Zielonymi liniami zaznaczone są spiętrzające się dyslokacje –b) [14].. 12.

(13) poprawiając tym samym jego ciągliwość. Jest to główne źródło specyficznej cechy materiałów wielowarstwowych charakteryzujących się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi przy zachowaniu dobrej plastyczności. W niniejszej pracy wpływ mechanizmów umocnienia, które występują w materiałach niejednorodnych i wielowarstwowych zostanie przeanalizowany głównie w oparciu o stale z dodatkami mikrostopowymi, jak również o inne materiały referencyjne (stal austenityczna, nadstopy niklu). Dzięki analizie zastosowanych procesów przeróbki plastycznej przedstawiony będzie różnorodny wpływ mechanizmów umocnienia na materiały niejednorodne. Materiały charakteryzujące się różnorodnym składem chemicznym, mikrostrukturalnym czy też różną morfologią poszczególnych składników strukturalnych i własnościami nazywane są materiałami niejednorodnymi. Do materiałów niejednorodnych zaliczyć można również materiały wielowarstwowe składające się z połączenia jednego, dwóch lub większej liczby materiałów. Materiały te są projektowane tak, aby zapewnić ciągłą zmianę charakterystyki reologicznej i mikrostruktury materiału na przekroju poprzecznym i wyjść naprzeciw zapotrzebowaniu na nowe, atrakcyjne materiały np. twarde powierzchnie z plastycznym rdzeniem wyrobu czy też materiały o różnej charakterystyce odporności korozyjnej i zmęczeniowej poszczególnych warstw (Rys. 1.8). Na Rys. 1.8 przedstawiono przykład materiału wielowarstwowego uzyskanego w procesie walcowania pakietowego dwóch różnych materiałów o odmiennych charakterystykach.. 13.

(14) a). b). Rys. 1.8 Układ wielowarstwowy Cu/Nb uzyskany po kolejnych cyklach walcowania pakietowego -a) [15] oraz wyniki analizy EBSD układu Cu/Nb po procesie obróbki cieplnej OC oraz po procesie walcowania –b) [16].. Pomimo różnych własności reologicznych składowych materiałów, ich układ trójwarstwowy w efekcie przeróbki plastycznej tj. walcowania pakietowego umożliwia proces odkształcania wielokrotnego, tak aby uzyskać wyrób gotowy składający się z bardzo dużej liczby warstw o grubości z zakresu nanometrycznego (Rys. 1.8a). Dostępne obecnie metody badawcze pozwalają na śledzenie rozwoju mikrostruktury w trakcie procesu wytwarzania układów wielowarstwowych. Uzyskujemy w ten sposób bardzo precyzyjną wiedzę na temat np. stopnia odkształcenia poszczególnych ziaren lub ich orientacji krystalograficznej (Rys. 1.8b), co zdecydowanie poprawia możliwości projektowania tych nowoczesnych materiałów konstrukcyjnych. Materiały wielowarstwowe są bardzo szerokim pojęciem i można je uzyskiwać różnymi sposobami. Najprostsze rozwiązania są wytwarzane przez samą naturę. Przykładem materiału niejednorodnego jest drewno, które swoją dobrą kombinacją własności wytrzymałościowych, sprężystych i plastycznych zawdzięcza stwardniałym włóknom celulozowym, które z kolei połączone są za pomocą miękkiej ligniny. Podobny efekt 14.

(15) można zaobserwować w bawełnie gdzie celuloza z ligniną – dwa miękkie materiały o różnych charakterystykach - tworzą bardziej wytrzymałą całość. Kolejnym naturalnym przykładem materiału niejednorodnego są kości, zbudowane z twardego, kruchego hydroksyapatytu (głównie fosforanem wapnia) oraz miękkiego i elastycznego kolagenu. Połączenie. dwóch. materiałów. o. bardzo. różnej. charakterystyce. pozwala. na wytworzenie jednego spójnego materiału o nowych własnościach. Jak wspomniano we wstępie ludzie wytwarzali materiały niejednorodne od tysięcy lat. Najstarszym przykładem materiału niejednorodnego – wielowarstwowego, w którym wykorzystywano własności poszczególnych materiałów do uzyskania nowych własności były cegły wytwarzane z błota i słomy. Błoto po wyschnięciu wykazuję dużą wytrzymałość na ściskanie ale niską na zginanie, natomiast słoma odwrotnie wysoka wytrzymałość na rozciąganie i niską na ściskanie. Połączenie ich własności tworzył materiał o bardzo dużej wytrzymałości na różne schematy stanu obciążenia. Nowoczesne materiały niejednorodne są wykorzystywane prawie w każdej gałęzi przemysłu, gdzie zastępują tradycyjne materiały jednorodne. Dzięki bardzo korzystnym kombinacjom własności wytrzymałościowych i plastycznych, a także odporności na korozję czy też odporności zmęczeniowej uzyskać można materiały pozwalające na ich zastosowanie w tak nowoczesnych i wymagających gałęziach przemysłu jak: lotnictwo, kosmonautyka, przemysł wydobywczy czy motoryzacja. Bardzo atrakcyjnym z punktu widzenia możliwości rozszerzenia obszaru zastosowań materiałów wielowarstwowych w miejsce monolitycznych jest efekt synergii w odniesieniu do poprawy udarności. Na Rys. 1.22 przedstawiono jak silny wzrost udarności w obniżonych temperaturach można osiągnąć poprzez stworzenie struktury wielowarstwowej. Na Rys. 1.22c przedstawiono efekt propagacji pęknięcia w materiale wielowarstwowym wytworzonym na bazie dwóch skrajnie różnych materiałów konstrukcyjnych tj. wysokowęglowej stali (UHCS) oraz mosiądzu. Wyraźnie widoczny jest tutaj korzystny efekt synergii wynikający wysokich własności wytrzymałościowych UHCS i plastyczności reprezentowanej przez mosiądz.. 15.

(16) b). a). c). Rys. 1.9 Wyniki badań udarności materiałów monolitycznych i materiału wielowarstwowego z nich wytworzonego w funkcji temperatury badań –a); oraz próbki po teście materiału umocnionego oraz poddanego procesom obróbki cieplnej –b) [17]. Morfologia pęknięcia w układzie wielowarstwowym dwóch skrajnie różnych materiałów konstrukcyjnych tj. stali wysokowęglowej i mosiądzu –c).. Niejednorodność struktury, a tym samym niejednorodność mechaniczna może być uzyskana w efekcie zastosowania dwóch podstawowych grup procesów wytwarzania. Pierwsza grupa powoduje niejednorodność wyjściową dziedziczoną w procesie wytwarzania (Rys. 1.11a). Do tej grupy można zaliczyć specjalne procesy termomechanicznej przeróbki plastycznej, dzięki której można uzyskać materiały wielofazowe, gdzie obserwowany jest gradient rozkładu mikrostruktury (stale ferrytyczno-perlityczne,. typu. DP),. procesy. wykorzystujące. silną. akumulację. odkształcenia jak wielostopniowe ciągnienie, czy też procesy, dzięki których uzyskuję się gradientowy rozkład własności, wynikający z działania różnych mechanizmów umocnienia. Drugą grupą są procesy wytwarzania, które wprowadzają do materiału 16.

(17) niejednorodność z zewnątrz, takie jak dynamiczna powierzchniowa obróbka plastyczna, łączenie wybuchem czy materiały uzyskane w wyniku łączenia poprzez przeróbkę plastycznej. Materiału wielowarstwowe są atrakcyjne również z tego powodu, że trudno jest osiągnąć oczekiwane własności na drodze rozwoju mikrostruktury w całej objętości wytworzonego materiału. Na przykład, wiadomym jest że przy walcowaniu wyrobów płaskich osiągnięcie rozdrobnienia do poziomu ultra drobnoziarnistego na przekroju pasma ze względu na specyfikę walcowania wyrobów płaskich jest trudne do osiągnięcia [18–20], tzn. uzyskuje się oczekiwany efekt silnego rozdrobnienia, a więc podwyższenie własności mechanicznych przede wszystkim w warstwach powierzchniowych [18]. Podobny stan rzeczy występuję w procesie ciągnienia itd. Jeszcze bardziej wspomniane efekty są widoczne w procesie związanym z większym przepływem objętości i masy np. w procesie kucia. Tym samym wytworzenie kontrolowanej struktury niejednorodnej, np. ze względu na własności mechaniczne struktury wielowarstwowej już nie tylko wyrobu gotowego jak w przypadku stali damasceńskiej,. Rys. 1.10 Struktura materiału wielowarstwowego, mikroskopia skaningowa. Kompozyt Al/Ni uzyskany w wyniku walcowania pakietowego po procesie walcowania pakietowego. Zdjęcie przed procesem walcowania –a); po 2 cyklach –b); po 4 cyklach –c); oraz po 6 cyklach –d) [21].. 17.

(18) przeróbki plastycznej w konwencjonalnych procesach, otwiera ogromne pole dla kształtowania nowych własności mechanicznych, do wykorzystania w szerokim obszarze zastosowań. W chwili obecnej obserwowany jest dynamiczny wzrost zastosowania materiałów niejednorodnych, wielowarstwowych czy też materiałów o gradientowym rozkładzie własności i mikrostruktury. Wynika to z wielu zalet takich materiałów, przede wszystkim możliwości uzyskania obniżonej masy materiału przy jednoczesnym wytworzeniu bardzo dobrych własności. Dodatkowo poprzez odpowiedni dobór procesu wytwarzania, parametrów. procesowych. i. materiałowych,. istnieje. możliwość. wytworzenia. odpowiedniego, niejednorodnego materiału spełniającego wymogi dedykowane określonym, wąskim obszarom zastosowań. Na Rys. 1.10 przedstawiono przykład materiału wielowarstwowego na bazie Ni oraz Al po czterech etapach odkształcenia w procesie walcowania pakietowego. Tworzenie materiałów wielowarstwowych składających się z bardzo różnych pod względem struktury własności materiałów umożliwia również wytworzenie nowych kompozycji strukturalnych z dużą dyspersja składowych materiałów Rys. 1.10d. W pracy [21] przedstawiono zmiany strukturalne powstałe w wyniku walcowania pakietowego układu Al/Ni. Ze względu na różną charakterystykę zastosowanych materiałów wraz ze wzrostem akumulacji odkształcenia rozwój mikrostruktury jest niejednorodny. Po 6 cyklach walcowania obserwowane są wyspy twardej fazy (niklu) w miękkie osnowie (aluminium). Zastosowanie takiej kombinacji materiałów umożliwia uzyskanie bardzo dobrej kombinacji własności wytrzymałościowych i plastycznych, stanowiących alternatywę dla wielu materiałów konstrukcyjnych stosowanych obecnie w przemyśle. Jedyną wadą takich materiałów może być koszt wytworzenia i konieczność zastosowanie odpowiednich złożonych technologii wytwarzania. Niemniej, zazwyczaj jest to niewielka przeszkoda przy całościowej analizie ekonomicznej biorąc pod uwagę np. zwiększoną wytrzymałość zmęczeniową czy też brak możliwości zastosowania innych materiałów.. 18.

(19) 1.2.1 Niejednorodność wyjściowa, dziedziczona z procesu wytwarzania.. Niejednorodność strukturalna wynikająca z historii wytwarzania jest efektem zastosowanych parametrów procesowych oraz składu chemicznego wytwarzanego materiału. Dzięki odpowiednio dobranym temperaturom nagrzewania, chłodzenia, wielkości i prędkości odkształcenia można uzyskać zróżnicowanie rozdrobnienia struktury na przekroju odkształcanego materiału (Rys. 1.11b). Typowym procesem, w którym uzyskiwana jest struktura niejednorodna jest walcowanie na gorąco poprzedzone procesem odlewania cienkich wlewków stalowych. Po walcowaniu na gorąco wprowadzenie przyspieszonego chłodzenia powoduje znaczny gradient zarówno rozkładu składników mikrostrukturalnych, jak i własności na przekroju walcowanego pasma. Takie materiały charakteryzują się typową strukturą dendrytyczną z cienką, centralnie umiejscowioną warstwą krystalitów (Rys. 1.12). Badania nad niejednorodnością strukturalną wprowadzaną do materiału na etapie jego wytwarzania prowadzone były od wielu lat ze względu na rozwój technologii dążącej do zmniejszenia etapów produkcyjnych. Bezpośrednim efektem tych badań jest zastąpienie tradycyjnego odlewania do wlewnic odlewaniem ciągłym, niejednokrotnie o przekrojach wlewków zbliżonych kształtem do wyrobów produkowanych poprzez walcowanie na gorąco. Dla przykładu, w pracy [22] wykazano, że w stali z dodatkiem 6% krzemu struktura charakteryzowała się całkowicie kolumnowymi ziarnami, podczas gdy w stali z 3% krzemu można zaobserwować całkowicie jednorodną strukturę [75]. W innych badaniach zaobserwowano obecność ziaren, zarówno równoosiowych a). b). Rys. 1.11 Niejednorodność strukturalna w wyniku zastosowania TMPM-a)[23]; Rozkład niejednorodności strukturalnej wprowadzanej do materiału –b) [24].. 19.

(20) jak i kolumnowych. Obserwowane różnice w składzie mikrostrukturalnym pociągnęły za sobą istotne problemy ze względu na zróżnicowanie w kinetykach procesów zdrowieniowych. w. trakcie. walcowania. np.. niejednorodną. rekrystalizację,. co dodatkowo potęgowało niejednorodność wyrobu gotowego [25]. Rozkład składników strukturalnych i ich morfologia w istotny sposób zależą od wielkości przekroju poprzecznego walcowanego pasma. W przypadku pasma „cienkiego” w warstwie powierzchniowej obserwowane są typowe drobne ziarna dendrytyczne. Bliżej środka obserwuje się dendryty kolumnowe, które sięgają praktycznie do warstwy centralnej pasma. Ogólnie można dokonać podziału na trzy podstawowe warstwy – powierzchnia, warstwa przejściowa oraz środek. Największy gradient rozkładu struktury i tekstury obserwowany jest w warstwie przejściowej, w wyniku niejednorodnego rozkładu odkształcenia oraz wynikającej niego siły napędowej dla procesów mikrostrukturalnych takich ja rekrystalizacja lub w przypadku stali mikrostopowych proces wydzieleniowy indukowany odkształceniem. Przy powierzchni pasma zazwyczaj widoczne są poligonalne silnie rozdrobnione ziarna ferrytu. Gruboziarnisty ferryt znajduje się głównie w warstwie najbardziej oddalonej od powierzchni i jest tam również znacznie mniej perlitu (Rys. 1.13a).. Rys. 1.12 Struktura dendrytyczna odlanego cienkiego pasma [25].. 20.

(21) W warstwie pośredniej (S=0,85-0,05) oraz centralnej (Rys. 1.13b-f), ziarna ferrytu mają kształt nieregularny i są znacznie większe niż przy powierzchni, niemniej jednak nadal można zaobserwować strukturę drobnoziarnistą co pozwala na stwierdzenie, że ferryt rozrasta się wzdłuż pewnej orientacji w trakcie początkowego etapu krystalizacji. Wtrącenia niemetaliczne obserwowane w różnych warstwach również podobnie do ziaren są mniejsze i równomierniej rozłożone przy powierzchni. Większe można zaobserwować w warstwie centralnej, aż do kilku mikrometrowych w środku pasma (Rys. 1.13f). Jak już wspomniano bardzo istotnym efektem wyjściowej niejednorodności strukturalnej jest niejednorodny proces zdrowienia mikrostruktury w czasie procesu przeróbki plastycznej [26,27]. Rekrystalizacja jest jedną z najważniejszych procesów w kontrolowaniu rozwoju mikrostruktury. W pracach [28,29] omawiających walcowanie na zimno i rekrystalizację w stalach omówiono wpływ niejednorodności wyjściowej na rozwój mikrostruktury oraz przebieg procesu rekrystalizacji. Podobne problemy występują również w materiałach nieżelaznych [30,31].. 21.

(22) Rys. 1.13 Mikrostruktura optyczna w różnych miejscach walcowanego pasma S=0:91-a); S=0:73-b); S=0:55-c); S=0:36-d); S=0:18-e); S=0:0-f) [32].. Wpływ niejednorodności mikrostrukturalnej na rozkład własności mechanicznych w wyrobie gotowym jest szczególnie widoczny i powinien być kontrolowany w przypadku stali wielofazowych oraz poddawanych dalszej przeróbce plastycznej na zimno. W tym przypadku oprócz składu chemicznego istotny udział w powstającej niejednorodności mikrostruktury i własności ma sam proces przeróbki plastycznej [33,34]. Dla przykładu w wyniku kształtowania stali mikrostopowych o podwyższonych własnościach wytrzymałościowych w procesie wytwarzania rur, następuje odkształcenie plastyczne powodujące występowanie w warstwie zewnętrznej rury naprężenie rozciągające, a w warstwie wewnętrznej ściskające (Rys. 1.14a). Niejednorodność odkształcenia wprowadzana do materiału w trakcie plastycznego formowania 22.

(23) wyznaczana jest w zależności od odległości od środka materiału x, średnicy rury D oraz 2𝑥. grubości materiału - 𝜀(𝑥) = 𝐷−𝑡. Efekt wprowadzonego zróżnicowania odkształcenia widoczny jest w rozkładzie własności na przekroju rury (Rys. 1.14b). Widać, że wprowadzenie niejednorodności odkształcenia zwiększa niejednorodność własności na przekroju rozpatrywanego wyrobu gotowego, co dodatkowo może być efektem wyjściowej niejednorodności strukturalnej. Problem niejednorodności mechanicznej (rozkład naprężeń i odkształceń) związany jest również z obecnością w odkształcanym materiale różnych pod względem własności mechanicznych faz. Niejednorodność własności mechanicznych obserwowana w stalach wielofazowych wynika z obecności dwóch lub więcej faz, o różnych własnościach reologicznych. Dla przykładu w układach wielofazowych w celu określenia wypadkowej granicy plastyczności najczęściej stosowane są dwie hipotezy: 1) Równych odkształceń 2) Równych naprężeń. Hipoteza równych odkształceń mówi, że przy założeniu iż odkształcenie w każdej fazie jest równe, to średnie naprężenie w układzie dwufazowym dla danego odkształcenia będzie rosło liniowo ze wzrostem udziału objętościowego fazy „twardszej”.. a). b). Rys. 1.14 Schemat Kształtowania rur – a); i występujących w nich naprężeń – b) [34].. 23.

(24) 𝜎ś𝑟 = 𝑓1 𝜎1 + 𝑓2 𝜎2. (1). Gdzie f1 i f2 są udziałami objętościowymi poszczególnych faz a ich suma jest równa 1. (Rys. 1.15a) Hipoteza równych naprężeń natomiast zakłada, że dwie fazy poddane są działaniu równych naprężeń. Średnie odkształcenie w układzie dwufazowym przy danym naprężeniu wynosi (Rys. 1.15b):. 𝜀ś𝑟 = 𝑓1 𝜀1 + 𝑓2 𝜀2. (2). Dzięki tym hipotezom można analitycznie określić granicę plastyczności danego materiału oraz ocenić, jak materiał będzie się odkształcał w warunkach stałego obciążenia lub stałego odkształcenia (Rys. 1.15c). Powyższe zależności obserwowane są np. w niskowęglowych stalach DP, gdzie w osnowie ferrytycznej występują dyspersyjne wyspy martenzytu (5-30%). Ferrytyczna osnowa zapewnia dobre własności plastyczne, natomiast twardy martenzyt odpowiada za podwyższone własności wytrzymałościowe. Analiza własności stali DP w zależności. c). Rys. 1.15 Ilustracja hipotezy równych odkształceń –a); i równych naprężeń -b) [35]; oraz ich zastosowania w wielowarstwowych materiałach niejednorodnych strukturalnie –c) [ 36].. 24.

(25) od wpływu składu fazowego materiału jest obiektem intensywnych badań od wielu lat [37–39]. Udowodniono, że różnice we własnościach są bardzo duże, a co istotne, nawet w samej strukturze ferrytycznej można zaobserwować niejednorodność własności w zależności odległości do kolonii martenzytu (Rys. 1.16). Prowadzone badania pokazują, że stale wielofazowe można rozpatrywać jako kompozyt, w. którym. jeden. składnik. odpowiada. za. własności. wytrzymałościowe,. a drugi za własności plastyczne. Jednoczesne występowanie takich składników strukturalnych pozwala na uzyskanie materiału o dobrej kombinacji własności mechanicznych i użytkowych (Rys. 1.17). Obserwowany ciągły wzrost zapotrzebowania na nowoczesne stale wielofazowe spowodował intensyfikację badań również w zakresie modelowania i symulacji komputerowych, dzięki którym można. Rys. 1.16 Rozkład twardości ferrytu w stali DP. Rozkład miejsc pomiarowych w ziarnach –a,c); oraz rozkład nanotwardości w zależności od położenia odcisku –b,d) [37].. 25.

(26) Rys. 1.17 Własności stali DP [37].. przewidywać zachowanie materiałów niejednorodnych strukturalnie i mechanicznie w różnych warunkach obciążenia. Przykładowe wyniki symulacji komputerowych i wyniki badań doświadczalnych pokazujące własności każdej z faz oddzielnie oraz ich połączenia w materiale wielofazowym przedstawione zostały na Rys. 1.17.. 1.2.2 Niejednorodność wprowadzona. Niejednorodność zarówno mikrostruktury, jak i własności mechanicznych może być również wywołana w wyniku zewnętrznego oddziaływania na powierzchnię lub strukturę wyrobu gotowego. Procesami powodującymi niejednorodności mikrostrukturalne oraz mechaniczne są: przeróbka plastyczna [40–45], obróbka cieplna [46–48] oraz osadzanie powłok [49,50]. Każdy z tych procesów wykorzystywany jest w celu osiągnięcia różnych efektów kształtujących własności wyrobu gotowego. Odkształcenie plastyczne warstw powierzchniowych poprawia lokalne własności wytrzymałościowe i globalnie własności zmęczeniowe elementu konstrukcyjnego oraz dodatkowo zwiększa odporność na korozję oraz udarność. Stosunkowo dobrze rozwiniętą i stosowaną w warunkach przemysłowych metodą poprawy własności mechanicznych. poprzez. wprowadzanie. niejednorodności. mechanicznej. jest. wytwarzanie materiałów bimetalowych i wielowarstwowych na drodze spajania wybuchowego. Dzięki specyfice tego procesu w rezultacie uzyskuje się nie tylko trwałe połączenie pomiędzy warstwami, ale również umocnienie łączonych materiałów 26.

(27) w wyniku działania fali wybuchowej. Dzięki zastosowaniu odkształcania plastycznego można uzyskać korzystny z punktu widzenia własności eksploatacyjnych gradientowy rozkład wielkości ziarna, a tym samym własności wytrzymałościowych. Na szczególną uwagę, ze względu na szeroki zastosowanie zasługuje metoda dynamicznej powierzchniowej obróbki plastycznej. Przykładem takiej metody jest proces kulowania (ang. Shot Peening- SP), w którym w wyniku działania strumienia powietrza śrut oddaje energię kinetyczną powierzchni, o którą uderza [51,52]. Modyfikacją tej metody jest tzw. ultradźwiękowe kulowanie wprawiające w ruch kulę poprzez wibrującą powierzchnię zwaną sonotrodą (ang. Surface Mechanical Attrition Treatment – SMAT)[53]. W SMAT można uzyskać niejednorodność strukturalną ze względu na gradient wielkości ziarna od mikro- do nano-skali. Rozdrobnienie ziarna odkształcanego w ten sposób materiału odbywa się na drodze tzw. Rekrystalizacji ciągłej (in situ), czyli mechanizmu rozwoju mikrostruktury podobnego do tego uzyskiwanego w procesach SPD (Severe Plastic Deformation). Zróżnicowanie stopnia rozdrobnienia struktury. wynika. z. różnej. siły. oddziaływania. energii. odkształcenia. na głębokości materiału – od bardzo dużego na powierzchni materiału, do nieodkształconego rdzenia dostatecznie oddalonego od warstw powierzchniowych. Różnice w stopniu rozdrobnienia i umocnienia można badać poprzez obserwację zmian mikrostrukturalnych na przekroju, co pozwala na wyznaczenie wpływu parametrów procesowych na własności oraz pozwala na określenie potencjalnego obszaru zastosowania tak odkształcanych materiałów. Ze względu na bardzo korzystne efekty w/w technik prowadzone są intensywne badania nad. ich zastosowaniem. do kontrolowania niejednorodności w różnych materiałach – stalach austenitycznych [53] i ferrytycznych [54,55], nadstopach niklu [56], stopach tytanu [57] czy magnezie [58]. Grubość warstwy odkształconej, w której można zaobserwować niejednorodność jest zależna nie tylko od parametrów procesowych, ale również od struktury odkształcanego materiału. Dla przykładu w stalach austenitycznych [53] grubość warstwy odkształconej osiąga najczęściej 60μm i warstwę taką można podzielić na trzy podstawowe strefy (Rys. 1.18): ● 0-15μm – obszar nano ● 15-40μm – obszar submikronowy 27.

(28) ● 40-60μm – obszar mikro ● 60-110μm- obszar nieodkształcony plastycznie. W stalach wolnych od atomów węzłowych (ang. IF- Interstitial Free) grubość warstwy odkształconej jest zdecydowanie większa, sięgająca 500μm (Rys. 1.18a). Obserwowane są strefy bardzo silnego odkształcenia plastycznego do 200μm oraz strefa oddziaływania energii odkształcenia, do 500μm. Powyżej tej grubości ziarna pozostają nieodkształcone. W prezentowanych wynikach badań poszczególne ziarna zostały odkształcone w kierunku działania naprężeń stycznych. Różnice w rozmiarze i kształcie danego ziarna (zaznaczony. białymi. znacznikami). spowodowane. zostały. różną. orientacją. krystalograficzną pomiędzy przylegającymi sąsiadami, a tym samym różnymi. b). c). Rys. 1.18 Niejednorodność wprowadzona poprzez odkształcenie powierzchniowe. Stal IF –a) [55]; stal austenityczna –b)[53]; stop magnezu –c) [58].. 28.

(29) oddziaływaniami. pomiędzy. poszczególnymi. granicami. ziaren.. Obserwowana. mikrostruktura jest typową dla materiałów wytwarzanych technikami wykorzystującymi silną akumulację energii odkształcenia (SPD) [24,59–61]. W ostatni latach obserwowany jest szybki rozwój produkcji i zastosowania stopów magnezu. Ze względu na strukturę heksagonalną odkształcenie w stopach magnezu odbywa się w oparciu o inne mechanizmy niż np. w stalach austenitycznych czy stopach niklu, gdzie obserwowana jest niska energia błędu ułożenia, a rozdrobnienie ziarna odbywa się poprzez poślizg dyslokacji i bliźniakowanie oraz ich wzajemne oddziaływanie. W strukturze heksagonalnej odkształcenie odbywa się poprzez. bliźniakowanie. przy. małych. odkształceniach. i. jest. mechanizmem. wspomagającym poślizg dyslokacji spełniając tzw. kryterium Misesa [62]. Przemiana mechanizmu odkształcenia z bliźniakowania w poślizg dyslokacji występuje przy wzroście naprężenia, co powoduję rozdrobnienie ziarna w trakcie odkształcenia procesem. SMAT. [63]. Zaobserwowana. w tych. badaniach. niejednorodność. mikrostrukturalna w przypadku stopów magnezu. wynosiła 40μm (Rys. 1.18c). Wielkość ziarna. w zależności od głębokości na którą sięgało odkształcenia wynosiła odpowiednio: przy. powierzchni. (10μm),. głębiej. -. w. odkształconej. powierzchni. (30μm). i w nieodkształconej (100μm) – 100nm, 300-400nm oraz 2μm. Przytoczone wyniki badań wskazują na bardzo duży wpływ procesu SMAT na niejednorodność strukturalną w stopach o strukturze heksagonalnej. W większości przypadków, uszkodzenie-pęknięcie wyrobu metalowego rozpoczyna się od powierzchni. Dotyczy to również pęknięcia zmęczeniowego materiału, zużycie ściernego czy też korozji chemicznej. Wszystkie te przykłady zniszczeń są zależne w bardzo dużym stopniu od własności i struktury powierzchni materiału. Poprawa struktury powierzchniowej wyrobu, a tym samym własności jest więc niezwykle istotna w projektowaniu materiałów konstrukcyjnych. Jak już wspomniano dzięki zastosowaniu dynamicznej powierzchniowej obróbki plastycznej można uzyskać silne odkształcenie struktury powierzchniowej, co bezpośrednio przekłada się na jej rozdrobnienie i własności.. 29.

(30) a). b). Rys. 1.19 Wpływ odkształcenia powierzchniowego na wielkość ziarna –a;) i własności mechaniczne–b); czystego Fe [24].. Ferryt charakteryzuje się wysoką energią błędu ułożenia. Zastosowanie odkształcenia powierzchniowego w tym przypadku [73] powoduje rozdrobnienie mikrostruktury do poziomu nanometrycznego na głębokość ok. 60μm, gdzie wielkość ziarna wynosi ok. 10nm (Rys. 1.19a). Rozdrobnienie do tak małych rozmiarów ziaren jest możliwe dzięki występowaniu trzech podstawowych mechanizmów: zwiększenie gęstości dyslokacji w ścianach komórkowych, gęstości splotów dyslokacji zwiększania się kata dezorientacji w granicach wąskokatowych czyli zachodzi wspomniana wcześniej tzw. rekrystalizacja ciągła. Własności mechaniczne zmierzone w warstwie odkształconej czystego żelaza, reprezentowane poprzez nanotwardość na różnej głębokości wnikania energii odkształcenia powierzchniowego przedstawione zostały na Rys. 1.19b.. W górnej warstwie maksymalna wartość naprężenia wynosiła ok. 3,8 GPa, co jest wartością dwukrotnie wyższą niż w materiale nieodkształconym. Dodatkowo sprawdzona została odporność odkształconej warstwy na działanie temperatury, co pozwoliło na stwierdzenie, że wyżarzanie w 593K przez godzinę nie ma wpływu na wartość nanotwardości. Wzrost temperatury do 923K powoduję całkowite zdrowienie odkształconego materiału oraz relaksację naprężeń i spadek twardości do wartości obserwowanych przed odkształceniem. Istotnym aspektem w ocenie wzrostu własności materiałów odkształcanych powierzchniowo jest również globalna ocena wzrostu np. wytrzymałości na rozciąganie. W pracy [64] wykonano próby jednoosiowego rozciągania próbek odkształcanych powierzchniowo obustronnie 30.

(31) Rys. 1.20 Krzywe naprężenie odkształcenie dla materiału nieodkształconego i odkształconego powierzchniowo [24].. w tzw. stalach opornych na korozję atmosferyczną. Dzięki wprowadzeniu do materiału obustronnego odkształcenia na głębokość ok. 10μm uzyskano wzrost granicy plastyczności z 280 MPa do 550 MPa oraz wzrost wytrzymałości na rozciąganie o ok. 13% (z 620 do 700 MPa) (Rys. 1.20). Analiza mechanizmu pękania ujawniła, że nanostruktura powstała z obu stron materiału, która ma znacznie wyższą wytrzymałość od pozostałej nieodkształconej części, uniemożliwia rozprzestrzenianie się pęknięć powstałych w większych ziarnach w rdzeniu materiału. Dzięki temu efektywnie opóźniany jest moment inicjacji pęknięcia. Dzięki możliwości rozdrobnienia ziaren w warstwie powierzchniowej do poziomu nanostruktury uzyskiwana jest znacząca poprawa odporności materiału na ścieranie i zmniejszenie współczynnika tarcia. Przedstawione w literaturze [120] wyniki badań nad poprawą własności trybologicznych w stalach niskowęglowych wyraźnie wskazują na istniejący potencjał w wykorzystaniu rozdrobnieni mikrostruktury do poprawy odporności na ścieranie. Odporność stali na ścieranie z nanostrukturalnymi warstwami przypowierzchniowymi jest znacznie wyższa, niż w materiale który nie został poddany obróbce. powierzchniowej. odkształceniem. plastycznym.. Zauważono,. że przy zwiększaniu obciążenia na powierzchnie trące różnice w ubytku masy zwiększały się. w. stosunku. do. materiału. odkształcanego. powierzchniowego. (Rys. 1.21a). Podobna sytuacja obserwowana jest w przypadku oceny współczynnika 31.

(32) a). b). Rys. 1.21 Odporność zmęczeniowa –a); i zmiana współczynnika tarcia –b); dla stali niskowęglowej [24].. tarcia, jednakże różnicę są znacznie większe pomiędzy dwoma rozpatrywanymi powierzchniami (Rys. 1.21b). Pozwoliło to na stwierdzenie, iż stal niskowęglowa może charakteryzować się znacznie wyższą odpornością na ścieranie, jeżeli zostanie wprowadzona do wyrobów niejednorodność – materiał zostanie poddany odkształceniu powierzchniowemu i zostanie wytworzona nanostruktura na jego powierzchni. Przedstawione przykłady wpływu rozdrobnienia struktury warstw powierzchniowych na własności wyrobów stalowych pokazują, że dzięki zastosowaniu powierzchniowej obróbki wykorzystującej SMAT-owanie, uzyskuje się bardzo korzystne własności technologiczne, istotnie podnoszące walory użytkowe elementów konstrukcyjnych. Dzięki temu wzrasta również obszar potencjalnych zastosowań wyrobów wytwarzanych z materiałów konwencjonalnych ale poddawanych powierzchniowej obróbce mechanicznej prowadzącej do silnego rozdrobnienia mikrostruktury. Niejednorodność mechaniczna i mikrostrukturalna może być również wprowadzona do materiału dzięki połączeniu dwóch lub kilku warstw różnych materiałów na drodze łączenia wybuchem, tzw. techniką wysokich energii. Technologie te pozwalają nie tylko na wytworzenie materiału wielowarstwowego, składającego się z tych samych lub różnych materiałów, co już tworzy materiał niejednorodny, ale dodatkowo również w wyniku działania umocnienia odkształceniowego tworzy się na połączeniu warstw bardzo niejednorodna struktura i niejednorodny rozkład własności materiału. Istotne jest również powstawanie na połączeniu materiałów warstw międzymetalicznych. 32.

(33) a). b). Rys. 1.22 Charakterystyka połączenia wybuchowego układu Al/Ti. SEM połączenia i przetopień –a); EBSD –b) [65].. oraz zmiany kształtu linii połączenia w zależności od rodzaju materiałów i parametrów wybuchu. Ze względu na coraz większe zapotrzebowanie na materiały charakteryzujące się różnymi kombinacjami własności mechanicznych i technologicznych np. wysokiej wytrzymałości i odporności korozyjnej często wytwarzane są układy składające się np. z warstwy tytanu i warstwy aluminium [66]. W pracy [65] przeprowadzono analizę niejednorodności strukturalnej i własności w połączeniu bimetalowych stopów tytanu i aluminium. Zauważono, że w trakcie łączenia tych metali pojawia się warstwa przetopień (Rys. 1.22a), która w bardzo istotny sposób wpływa na charakterystykę połączenia materiałów i może odpowiadać za obniżenie własności całego bimetalu [41], dlatego należy ją usuwać mechanicznie lub chemicznie. W trakcie spajania bardzo duże odkształcenie, powoduje również silne rozdrobnienie ziarna przy powierzchni stryku łączonych materiałów (Rys. 1.22b). W miejscu połączenia pojawiają się silnie rozdrobnione ziarna zarówno jednego, jak i drugiego z łączonych materiałów, co sprawia, że warstwa ta jest bardzo niejednorodna strukturalnie. Uzyskane różnice w jednorodności materiału bardzo istotnie wpływają na własności mechaniczne takiego połączenia. Umocnienie odkształceniowe działające na materiały zmienia charakterystykę materiałów w złączu. Najczęściej stosowaną metodą analizy niejednorodności takich materiałów są pomiary mikrotwardości na przekroju łączonego bimetalu (Rys. 1.23). 33.

(34) Rys. 1.23 Zmiana twardości po spajania wybuchem [65].. W. bimetalu. tytanowo-aluminiowym. wytrzymałościowych. wraz. ze. obserwuje. zbliżaniem. się. do. się. wzrost. warstwy. własności. łączącej. [67].. Charakterystycznym jest, że twardość rośnie znacząco dla warstwy tytanowej, a warstwa aluminium praktycznie nie uległa umocnieniu. Maksymalne wartości twardości uzyskane zostały w pobliżu połączenia, co potwierdza ogólną zasadę wzrostu umocnienia odkształceniowego w miarę zbliżania się do miejsca łączenia. Podobne efekty. zaobserwowano. w. bimetalach:. stal. duplex/X65. [68],. Mg/Al[69,70]. czy też Al/Cu[71]. W przypadku spajania wybuchowego bardzo istotny wpływ na własności wytwarzanych materiałów wielowarstwowych mają parametry procesowe. W pracach [72–74] przeanalizowano wpływ parametrów procesowych na rozkład niejednorodności własności mechanicznych i struktury wytwarzanych bimetali. Głównymi parametrami determinującymi reakcję materiałów łączonych jest szybkość detonacji [75] i odległość pomiędzy zgrzewanymi płytami [76]. W przypadku łączenia cyrkonu ze stalą [77], gdzie analizowany był wpływ szybkości detonacji, widać bardzo istotne różnice w charakterystyce strefy połączenia (Rys. 1.23). Przy najniższej prędkości detonacji (2200m/s) linia połączenia charakteryzowała się łagodnym „falistym” kształtem (Rys. 1.24a), natomiast wraz ze wzrostem prędkości niejednorodność kształtu linii połączenia wzrasta. Przy prędkości 2500 m/s zaczynają 34.

(35) Rys. 1.24 Wpływ prędkości detonacji na zmianę charakterystyki połączenia [77].. pojawiać się nieregularne fale (Rys. 1.24b) oraz wzrasta niejednorodność strukturalna w postaci pojawienia się drobnych intermetalików w połączeniu. Maksymalna zastosowana szybkość detonacji spowodowała wystąpienie bardzo dużej ilości warstw intermetalicznych (Rys. 1.24c). Różna charakterystyka strefy połączenia, zarówno ze względu na kształt linii łączenia jak i mikrostruktury ma bezpośredni wpływ na zmianę umocnienia odkształceniowego a w konsekwencji np. na wzrost twardości w warstwie połączenia. Jak przedstawiono na Rys. 1.24a maksymalna zastosowana szybkość detonacji powoduje największy wzrost mikrotwardości. oraz. zmianach. w. granicy. na rozciąganie (Rys. 1.25b).. 35. plastyczności. i. wytrzymałości.

(36) a). b). Rys. 1.25 Zmiana własności materiału w zależności od zastosowanej szybkości detonacji. Twardość -a); własności mechaniczne –b); Rs – wytrzymałość na naprężenie styczne; Ro – wytrzymałość na ścieranie; Rm – wytrzymałość na rozciąganie [77].. 36.

(37) 1.3 Mechanizmy odkształcenia.. 1.3.1 Mechanizmy odkształcenia w materiałach niejednorodnych.. Materiały niejednorodne strukturalnie i wielowarstwowe, wytwarzane na drodze przeróbki plastycznej charakteryzują się lepszymi kombinacjami własnościami mechanicznych aniżeli te, jednorodne, które zostały zastosowane do ich wytworzenia. Jest to spowodowane bardziej złożonym procesem odkształcania składowych komponentów np. dwóch lub więcej warstw ze względu na różny stopień przenoszenia obciążeń przez „twarde” i „miękkie” komponenty. Materiał niejednorodny i wielowarstwowy, którego np. jedna warstwa charakteryzuje się wysokimi własnościami wytrzymałościowymi, a druga dobrą plastycznością pozwala na uzyskanie specjalnych wynikowych własności mechanicznych, które są bezpośrednim efektem synergii wynikającej z tej niejednorodności. W związku z tym, w przypadku próby jednoosiowego rozciągania potencjalne pojawienie się przewężenia w materiale „twardszym” jest uprzedzane,. kompensowane. przez. lepszą. plastyczność. drugiego. materiału.. Schematycznie mechanizm procesu odkształcania takich materiałów przedstawiony jest na Rys.1.26.. Rys.1.26 Schemat przedstawiający źródło poprawy plastyczności w materiałach wielowarstwowych z gradientem własności mechanicznych [6].. 37.

(38) W materiałach niejednorodnych dyslokacje powstające podczas odkształcania poszczególnych warstw, są stosunkowo szybko magazynowane w celu odpowiedniej akomodacji gradientu odkształcenia, co pozwala na równoważne odkształcanie każdej z warstw. W materiałach tych, szczególnie w przypadku występowania różnego stopnia rozdrobnienia mikrostruktury w poszczególnych warstwach, istotne są granice ziaren oraz międzymetaliczne warstwy odgrywające bardzo istotną rolę w procesie kreowania własności wytrzymałościowych, ogólnie w umocnieniu, inicjacji pękania, ale przede wszystkim w oddziaływaniu na mechanizmy odkształcenia plastycznego. Tak więc, wielowarstwowość materiału w istotny sposób wpływa na zachowanie się materiału poddanego obciążeniu siłami zewnętrznymi oraz na wynikające z tego mechanizmy odkształcenia. Można przyjąć, że podstawowymi przyczynami takiej charakterystyki materiałów wielowarstwowych są: a) Defekty strukturalne istniejące w materiałach składowych (punktowe, liniowe, powierzchniowe). b) Absorpcja i anihilacja defektów w materiałach składowych. c) Możliwe bariery dla przemieszczania się defektów, przede wszystkim punktowych i liniowych. d) Akumulacja oddziaływania defektów. Znaczenie. złożonego. charakteru. odkształcania. materiałów. niejednorodnych. jest bardzo istotne w projektowaniu własności wytrzymałościowych i ma decydujący wpływ na analizę zwłaszcza własności plastycznych. Najbardziej istotne oddziaływanie na mechanizm odkształcenia w materiałach wielowarstwowych wynika z: 1) Zależności Halla-Petcha. 2) Wspinania się dyslokacji na graniach warstw i ziaren. 3) Poślizgu na granicach warstw.. 1.3.2 Mechanizm odkształcenia materiałów niejednorodnych, mikrowarstwowych.. Materiały niejednorodne w których widoczny jest układ warstwowy składników strukturalnych, wynikający np. z gradientowego rozkładu wielkości ziarna, czy też jako kompozycja wielowarstwowa różnych materiałów, stanowią dobry model dla analizy 38.

(39) Rys. 1.27 Schematycznie przedstawiony mechanizm odkształcenia materiałów niejednorodnych w zależności od grubości warstwy [78].. wpływu ich niejednorodności na zdolność do odkształcania plastycznego. Naprężenie płynięcia. w. materiałach. niejednorodnych,. wielowarstwowych. wzrasta. wraz ze spadkiem grubości warstw. Występuje tutaj pełna analogia do równania HallaPetcha w odniesieniu do wpływu wielkości ziarna na granicę plastyczności. Tak więc, opis przebiegu procesów odkształcania materiałów wielowarstwowych może być analizowany z wykorzystaniem propozycji przedstawionej przez Halla i Petcha [79,80] Rys. 1.27 .Według tej hipotezy pojedyncze dyslokacje przemieszczają się poprzez poślizg w przypadku, gdy zostanie osiągnięte naprężenie krytyczne  na danej płaszczyźnie poślizgu. Na wielkość naprężenie  wpływa szereg czynników umacniających np. efekt umocnienia roztworowego czy też wydzieleniowego. Liczba dyslokacji oddziaływujących z pojedynczą przeszkodą może być wyznaczona z następującej zależności:. 𝑁=. 𝜋ℎ′(𝜏−𝜏0 ). (3). 𝐺 ′ 𝑏′. gdzie:  - naprężenie wspinania dyslokacji; b - wektor Burgersa; G’=G/(1-ν); G - moduł ścinania, 39.

(40) ν-liczba Poissona. Natomiast w miejscu gdzie dyslokacja przecinana warstwę materiału,. 𝑁(𝜏 − 𝜏0 ) = 𝜏 ∗. (4). Porównując oba równania uzyskamy równanie Halla-Petcha pozwalające wyznaczyć wartość wymaganego naprężenia do przecięcia warstw przez dyslokację.. 𝜏𝐻𝑃 = 𝜏0 + (. 𝐺 ′ 𝑏𝜏∗ 𝜋ℎ′. 1/2. ). (5). W przypadku, gdy grubość warstw jest wystarczająco duża aby występowały w niej ziarna o wielkości d<h’ w równaniu 3, h’ zastępuję się d i wówczas * określa się jako graniczne naprężenie dla granic ziarn. W przypadku gdy d lub h’ jest bardzo małe (Rys.1.28b), N jest również małe i wspinanie się dyslokacji jest ograniczone. W takim przypadku rzeczywiste HP osiąga wartość mniejszą niż to obliczone na podstawie Równania (5). Ostatecznie, gdy N=1, HP jest równe . Z mechanicznego punktu widzenia w materiałach niejednorodnych analiza odkształcenia plastycznego może być ograniczona do małych obszarów poprzez kontrolę zarówno częstotliwości występowania, jak i wielkości przeszkód dla przemieszczania się dyslokacji. Odległości pomiędzy poszczególnymi przeszkodami, ich stopień dyspersji może być efektywnie wykorzystany w celu zarówno podwyższenia własności wytrzymałościowych, jaki ich stabilności np. ze względu. Rys.1.28 Schemat ilustrujący wspinanie się dyslokacji w pojedynczej warstwie [81].. 40.

(41) na wpływ ciepła lub zewnętrzny stan naprężenia. Wzrost własności wytrzymałościowych zależy również nie tylko od grubości poszczególnych warstw, ale również od stopnia rozdrobnienia ziaren w poszczególnych warstwach materiału. Wynika to z faktu, że skuteczność tego typu przeszkód w ograniczeniu poślizgu jest na tyle duża, aby zapewnić uruchomienie mechanizmu wspinania dyslokacji prowadząc do szybszego umocnienia.. 1.3.3 Mechanizm odkształcenia materiałów niejednorodnych, nanowarstwowych.. W przypadku odkształcania niejednorodnych materiałów wielowarstwowych bardzo istotnym w ocenie procesu umocnienia jest występujący, charakterystyczny brak zdolności generowania nowych dyslokacji i ich wspinania się po granicach warstw, przy określonej wartości  (patrz Rozdział 1.3.2). Zauważono, że wspinanie się dyslokacji śrubowych i powstanie pętli dyslokacyjnych na granicach warstw musi zostać rozpoczęte w wyniku napotkania przeszkód, w których linie dyslokacyjne posiadają pewną energię w odniesieniu do długości danej warstwy, jak przedstawiono na Rys.1.29. [81,82].. Rys.1.29 Wpływ przyłożonego naprężenia na przemieszczanie dyslokacji [81].. 41.

(42) Krytyczne naprężenie ścinające dla poślizgu w ograniczonym obszarze warstwy (ang. Confined Layer Slip CLS)[82–84] może być wyznaczone z następującego równania:. 𝜏𝐶𝐿𝑆 (𝑁, ℎ′ ) =. 2𝑇(𝑁,ℎ′ ). (6). 𝑏ℎ′. gdzie: h’ odległość między sąsiadującymi warstwami.. Dla powstania pierwszej pętli dyslokacyjnej, wzdłuż danej warstwy potrzebna jest następująca wartość energii:. 𝑇(𝑁 = 1) ≈. ℎ′ 𝑏. 𝐺 ′ 𝑏2 ln. (7). 4𝜋. Głównym punktem wyjściowym jest 0 (równania (7)), które przy cienkich warstwach nie jest stałe tzn. rośnie wraz ze spadkiem grubości warstw, zgodnie ze wzorem (8) na CLS. Drugim istotnym czynnikiem, wynikającym z nanowarstwowej budowy materiału, jest mała liczba dyslokacji powstałych na granicach warstw w wyniku działania krytycznego naprężenia ścinającego. Przybliżenie wyrażenia ograniczenia poślizgu warstw dla N=1 lub N=2 przybiera wtedy postać jak w równaniu (8).. 𝜏𝐶𝐿𝑆 (𝑁,ℎ′ ) 𝐺′. =. ℎ′ 𝑏 2𝜋(ℎ′ /𝑏). ln( ). +. 𝑓(ℎ′ /𝑏) 𝜋(ℎ′ /𝑏). (𝑁 − 1). (8). Badania literaturowe [85–87] pokazują ze jeżeli f(h’/b) ma wartość dodatnią i zmienia się w zależności od h’. W takiej sytuacji CLS wzrasta wraz ze wzrostem N, a wartość krytycznego naprężenia ścinania można wyznaczyć znacznie dokładniej przy mniejszych grubościach warstw. Znaczenie zależności Halla-Petcha w procesie umocnienia zmienia się dla różnych grubości warstw (Rys. 1.27)[78]. Można je podzielić na 3 podstawowe grupy. Gdy grubość warstwy jest większa od 50-100 nm stosowane jest prawo Halla-Petcha mówiące że σ ∝ h-1/2 (gdzie h jest grubością warstwy). Działanie tego mechanizmu występuje, gdy wspinanie dyslokacji odbywa się w sposób ciągły. Ogólnie przyjmuje się, że równanie to dla pojedynczego spiętrzenia dyslokacji jest do zastosowania, 42.

(43) gdy całkowita liczba dyslokacji w spiętrzeniu (N) jest większa niż 6. W przypadku występowania. podwójnego. spiętrzenia. równanie. jest. również. możliwe. do zastosowanie i daje dokładne wyniki, gdy N>3. Innymi słowy nawet dla spiętrzenia dwóch czy trzech dyslokacji, omawiane równanie pozwoli na poprawny opis ich spiętrzania i odzwierciedlenie ich wpływu na proces umocnienia. Model ten nie jest możliwy do zastosowania w przypadku mniejszych grubości warstw, przy N=1. Gdy grubość warstwy jest w zakresie 5-100nm mechanizmy odkształcenia hamują poślizg po warstwach odpowiedzialnych za równoległy poślizg dyslokacji względem dwóch warstw. Gdy grubość warstw jest w zakresie 2-5nm uzyskiwane są najwyższe własności wytrzymałościowe materiału. Przy dalszym zmniejszaniu grubości warstw nie obserwuje się znaczącej poprawy własności materiału. Można to wyjaśnić zmianą mechanizmu umocnienia tj. z ograniczenia poślizgu na przecinanie warstw przez pojedyncze dyslokacje. Powodem tej zmiany jest fakt, że naprężenie poślizgu dyslokacji wzrasta lub osiąga graniczną wartość naprężenia ( na granicy warstw co uniemożliwia wspinanie się pojedynczej dyslokacji.  jest to naprężenie związane z. przecinaniem warstw, które nie powoduje wspinania się dyslokacji. Jest ono. niezależne od grubości warstw, ale może występować w materiale, gdzie grubość warstwy spada poniżej 1 nm. Odkształcenie plastyczne materiałów wielowarstwowych powoduje jego umocnienie wraz ze wzrostem N, zgodnie z równaniem (7). Analiza równania pozwala na stwierdzenie, że pojedyncza dyslokacja (N=1) może być bardziej korzystna, z punktu widzenia odkształcania się poszczególnych warstw, niż kilka dyslokacji (N>1). Taki przypadek można uznać za wyidealizowaną pojedynczą przeszkodę dla warstw, jak przedstawiono na Rys. 1.30, gdzie można zauważyć liczne miejsca, w których generowane jest CLS. Rys. 1.30a przedstawia efekt działania naprężenia stycznego, a Rys. 1.30b naprężenia normalnego, rozciągającego.. 43.

(44) Rys. 1.30 Odkształcenie warstwy materiału niejednorodnego. Działanie naprężenie ścinającego oraz naprężenie normalnego, rozciągającego. S – odległość między dyslokacjami, h – grubość warstwy [81].. Odkształcenie zachodzące przy jednorodnym CLS, dla obu przypadków działających ℎ′. naprężeń, spełnia zależność 𝜏𝑠ℎ𝑒𝑎𝑟 = 𝜎𝑠𝑡𝑟𝑒𝑡𝑐ℎ =. 𝐺′ 𝑏2 ln 𝑏 2𝜋ℎ. , aż do osiągnięcia wartości. odkształcenia = b/10h. W takim przypadku nie obserwuje się już umacniania czy też mięknięcia materiału podczas początkowych etapów odkształcenia plastycznego, ponieważ S jest wystarczająco duże dla zjawiska CLS na każdej z warstw w materiale. Dla odkształceń większych niż założone b/10h, pojedyncze CLS zaczyna oddziaływać na warstwy materiału, tak że naprężenie styczne zaczyna maleć ze wzrostem odkształcenia plastycznego, a naprężenie normalne, rozciągające zaczyna rosnąć.. 1.3.4 Koherentne i semi-koherentne połączenia warstw. Problem przemieszczania się dyslokacji przez warstwy materiału powinien być również analizowany z uwzględnieniem typów warstw i połączeń pomiędzy nimi. Dla warstw koherentnych w materiałach niejednorodnych naprężenie występujące na połączeniu dwóch warstw odgrywa szczególnie istotną rolę w uzyskaniu efektu maksymalnego umocnienia. Według badań zaprezentowanych przez zespół pod kierownictwem Hoaglanda [88] ruch dyslokacji nie jest możliwy przez warstwy materiału dopóki naprężenia wypadkowe przyłożone do dyslokacji we wszystkich warstwach są tego 44.

(45) samego znaku. Według tej hipotezy przemieszczanie się dyslokacji jest możliwe w przypadku, gdy przynajmniej w jednej z warstw usunięte zostanie naprężenie koherencji. Dla przykładu, w układach Cu-Ni przy równych grubościach warstw naprężenie koherencji wynosi ok. 2 GPa. Dla koherentnych połączeń w stopach jednofazowych (Rys. 1.31a), również takich jak koherentne zbliźniakowania, pojawienie się bliźniakowania powoduje zmianę orientacji krystalograficznej pomiędzy osnową a bliźniakami powodując nieciągłość systemów poślizgu. Podobnie w materiałach o kilku warstwach, występowanie naprężeń ścinających powoduje przemieszczanie się pojedynczych dyslokacji przez granicę międzywarstwową, co tym samym prowadzi do umocnienia materiału.. a). b). c). d). Rys. 1.31 Schematyczne przedstawienie propagacji odkształcenia materiałów wielowarstwowych. Naprężenie koherentne –a); nieciągłość poślizgu przez granice bliźniacze–b); semi-koherentne połączenie warstw i występujący na nich poślizg dyslokacji –c); poprzeczny poślizg dyslokacji przez połączenie o niskim naprężeniu ścinania [89].. 45.