Widok Wyciskanie metali i stopów metodą KOBO

Prof. dr hab. inŜ. Włodzimierz BOCHNIAK1),2), prof. dr hab. inŜ. Andrzej KORBEL1), mgr inŜ. Paweł OSTACHOWSKI2), dr inŜ. Stanisław ZIÓŁKIEWICZ1),

dr inŜ. Jacek BOROWSKI1) 1)_{Instytut Obróbki Plastycznej, Poznań}

2) _{Akademia Górniczo-Hutnicza, Katedra Struktury i Mechaniki Ciała Stałego, Kraków}

E-mail: bow@agh.edu.pl

Wyciskanie metali i stopów metodą KOBO

Extrusion of metals and alloys by KOBO method

Streszczenie

Praca dostarcza wiedzy na temat cech mechanicznych procesu współbieŜnego wyciskania metali i stopów meto-dą KOBO oraz mających wówczas miejsce zjawisk strukturalnych, wskazując na ich odmienność w stosunku do występujących podczas wyciskania konwencjonalnego. Na bazie doświadczalnej, została przeprowadzona anali-za skuteczności sterowania parametrami procesu w celu uzyskania anali-załoŜonych własności mechanicznych. Z drugiej strony, praca uzasadnia uznanie lepkiego płynięcia o cechach „cieczy newtonowskiej” jako dominują-cego mechanizmu odkształcenia materiałów metalicznych poddanych cyklicznie zmiennym warunkom plastycz-nego płynięcia. Decydującą rolę odgrywają wygenerowane w procesie KOBO defekty punktowe o ponadrów-nowagowej koncentracji. Ich konfiguracja od formy rozproszonej do postaci nanowymiarowych klastrów defi-niuje uzyskane przez wyroby własności uŜytkowe, w szczególności nieosiągalne innymi sposobami obróbki pla-stycznej własności wytrzymałościowe i plastyczne (nadplastyczne). Dotyczy to zarówno czystych metali jak i trudno odkształcalnych stopów magnezu oraz aluminium.

Abstract

The study represents knowledge about mechanical features of direct extrusion process of metals and alloys by KOBO method and related structural phenomena, showing their dissimilarity in relation to these ones appeared during a conventional extrusion. The control effectiveness of process parameters has been analysed on an experimental base in order to achieve assumed mechanical properties.

On the other hand, the paper gives reasons for regarding a viscous flow with “Newtonian fluid” features as a dominant mechanism of strain of metallic materials exposed periodically to variable conditions of plastic flow. Point defects with supra-equilibrium concentration, generated in the KOBO process play a decisive role. Their configuration from a dispersed form to the form of nanodimensional clusters defines applicational proper-ties obtained by the products, in particular, mechanical and plastic (superplastic) properproper-ties, unattainable by other plastic forming methods. It concerns both pure metals and hard-deformable magnesium and aluminium alloys.

Słowa kluczowe: współbieŜne wyciskanie, metoda KOBO, mikrostruktura prasówki, własności mechaniczne

Keywords: direct extrusion, KOBO method, microstructure of compact, mechanical properties

1. WPROWADZENIE

Przeprowadzona w niniejszej pracy anali-za, bazuje na wynikach badań procesu wyci-skania konwencjonalnego i metodą KOBO [1, 2] metali i stopów, na prasie hydraulicznej 1 MN z podstawową prędkością wyciskania (przemieszczenia stempla) wynoszącą 0,5 mm/s w temperaturze pokojowej (bez wstępnego nagrzewania wsadu), przy czym średnica pojemnika prasy oraz wsadów wyno-

1. INTRODUCTION

An analysis conducted in this study is based on the results of the tests related to the extrusion of metals and alloys performed in a conventional process and by KOBO method [1, 2], using a hydraulic press 1 MN at a basic extrusion rate (punch displacement) amounting to 0.5 mm/s at the ambient tempera-ture (without initial charge heating), however, the diameter of press container and charges

siła 40 mm, a średnica wyrobów od 4 mm do 12 mm. W przypadku wyciskania metodą KOBO, matryca wprowadzana była w cyklicz-ny ruch obustronnie obrotowy o kąt ±8° z pod-stawową częstością 5 Hz.

Konwencjonalne wyciskanie metali nie jest zaliczane do metod SPD, pomimo realizo-wanego ogromnego stopnia przerobu λ (od kilku do kilkuset) odpowiadającego rzeczywi-stemu odkształceniu przekraczającemu wartość 2. Zasadniczym tego powodem jest wysoka temperatura procesu, przewyŜszająca tempera-turę rekrystalizacji, co sprawia, Ŝe wyroby nie są umocnione odkształceniowo, a wielkość ich ziarn o rzędy wielkości przekracza te uzyski-wane w niskotemperaturowych procesach SPD.

Z kolei, niskotemperaturowe wyciskanie metali, w szczególności stopów, praktycznie nie jest stosowane z powodu występującego wówczas bardzo wysokiego oporu plastyczne-go płynięcia, co bezpośrednio przekłada się na bardzo niekorzystne warunki siłowe (energe-tyczne) procesu jak i nadzwyczaj wysokie wy-magania stawiane narzędziom roboczym prasy. Charakterystyka mechaniczna konwencjo-nalnego, współbieŜnego wyciskania prowadzo-nego ze stałą prędkością, prezentowana w ukła-dzie siła czas (siła wyciskania-droga stempla), osiąga swoje maksimum w momencie zainicjowania procesu, a więc rozpoczęcia plastycznego płynięcia (rys. 1), po czym systematycznie maleje aby w końcowym etapie (piętka) gwałtownie wzrosnąć.

amounted to 40 mm, and the diameter of pro-ducts was from 4 mm to 12 mm. In case of the extrusion by KOBO method, a die has been set in a periodical bilaterally rotational motion by an angle of ±8° with a basic fre-quency of 5 Hz.

A conventional extrusion of metals is not included in SPD methods, despite a huge real-ized degree of processing λ (from several to several hundred) corresponding with a real strain exceeding the value 2. A basic reason for that is a high temperature of the process, ex-ceeding the recrystallization temperature what causes that the products are not deforma-tionally strengthened and the size of their grains exceeds these ones achieved in low-temperature SPD processes by orders of mag-nitude.

It should be noted that the low-tempe-rature extrusion of metals, in particular, alloys, is practically not used due to a very high resis-tance of plastic flow what directly translates to very disadvantageous force (energetic) condi-tions of the process and extremely high re-quirements imposed on working tools of the press.

A mechanical characteristic of conven-tional direct extrusion performed at a constant rate, represented in the extrusion force – time (extrusion force – punch travel) system reaches its maximum at the moment of process initia-tion, i.e. plastic flow beginning (fig. 1) and then

it systematically decreases in order to grow

suddenly in a final stage (butt).

Rys.1. ZaleŜność siły wyciskania (1) oraz drogi stempla (2) od czasu trwania procesu konwencjonalnego wyciskania aluminium (99,7%), ze stopniem przerobu λ = 100, w temperaturze 350ºC z prędko-ścią przemieszczania stempla 0,5 mm/s Fig. 1. Dependence of extrusion force (1) and punch travel (2) on duration of con-ventional aluminium extrusion process (99.7%), with processing degree of λ = 100, at temperature of 350ºC at punch displacement rate of 0.5 mm/s

Spadek siły w konwencjonalnych proce-sach wyciskania, powszechnie łączony jest ze zmniejszającą się w trakcie trwania procesu powierzchnią kontaktu wsadu z pojemnikiem (skracanie się długości wsadu), a więc i syste-matycznym obniŜaniem sił tarcia. RównieŜ zmieniająca się temperatura wyciskanego wsa-du z jednej strony spowodowana odprowadza-niem ciepła do chłodniejszego pojemnika, a z drugiej jego generacją we wsadzie wskutek odkształcania, moŜe wpływać zarówno na opór odkształcenia jak i współczynnik tarcia. Stąd zróŜnicowanie struktury i własności mecha-nicznych na długości wyrobów. W celu elimi-nacji tego niepoŜądanego efektu, stosuje się tzw. wyciskanie izotermiczne polegające na kontrolowanym, zróŜnicowanym nagrzewaniu wsadu bądź regulowanej w trakcie procesu, prędkości wyciskania.

Gwałtowny wzrost siły wyciskania pod-czas końcowego etapu procesu, związany jest ze skracaniem, umiejscowionej w sąsiedztwie matrycy, strefy odkształcania (ścinania) i tym samym zakłóceniem osiowo-promieniowego płynięcia metalu. Strefa odkształcenia posiada znaczny zasięg (około 15 mm) i charakteryzuje się stoŜkowym kształtem, przy czym ścięty wierzchołek stoŜka znajduje się w „oczku” matrycy. JeŜeli w trakcie wyciskania, nastąpi skrócenie wsadu (piętki) do długości mniejszej od wysokości stoŜka strefy, zostanie zakłócona geometria naturalnego przebiegu plastycznego płynięcia. W szczególności, skracająca się stre-fa odkształcenia wymusza wzrost prędkości odkształcenia, prowadząc do nasilającego się efektu siłowego.

WspółbieŜne wyciskanie metodą KOBO (rys. 2) wykorzystuje w trakcie przebiegu całe-go procesu zjawisko permanentnej zmiany dro-gi odkształcenia, realizowane poprzez cyklicz-ne, obustroncyklicz-ne, plastyczne skręcanie metalu. W ten sposób ma miejsce silna ingerencja w mikro/nano/strukturę metalu, drastyczny wzrost koncentracji defektów sieci krystalicz-nej, w tym przede wszystkim defektów punk-towych (defektów Frenkla) (rys. 3) [3, 4].

A force drop in the conventional extrusion processes is commonly connected with a con-tact surface of charge and container (charge length shortening), decreasing during the proc-ess, i.e. systematic reduction of friction forces. The changing temperature of extruded charge caused on one hand by heat transferring to the cooler container, and on the other hand, its generation in the charge as a result of deform-ing, can affect both strain resistance and fric-tion coefficient as well. Therefore a structure diversity and mechanical properties appear on the length of the products. In order to elimi-nate this undesirable effect a so called iso-thermal extrusion is used consisting in con-trolled differentiated charge heating or extru-sion rate regulated during the process.

A sudden growth of extrusion force during the final stage of the process is connected with shortening of the die, located in the neighbour-hood, deforming (shearing) zone, thus distur-bance of axial and radial metal flow. The strain zone has a significant range (about 15 mm) and is characterized by a conical shape while a truncated top of the cone is lo-cated in the die “eye”. If during the extrusion the charge (butt) is shortened to the length smaller than the cone zone height, a geometry of natural course of plastic flow will be dis-turbed. In particular, a shortening strain zone compels the growth of strain rate, leading to an increasing force effect.

The direct extrusion by KOBO method (fig. 2) employs, during the course of the whole process, a phenomenon of permanent change of strain travel, realized by a periodical, bilat-eral, plastic metal torsion. Thus there are a strong intrusion in a micro/nano/structure of metal, drastic growth of concentration of lattice defects, including, first of all, point defects (Frenkel defects) (fig. 3) [3, 4].

Rys. 2. Schemat współbieŜnego wyciskania metodą KOBO; 1 – stempel, 2 – pojemnik, 3 – cyklicznie obracana matryca z rowkami na powierzchni czołowej, 4 – wyciskany metal/wsad, 5 – wyrób

Fig. 2. Diagram of direct extrusion by KOBO method; 1 – punch, 2 – container, 3 – periodically rotated die with grooves on face, 4 – extruded metal/charge, 5 – product

a) b)

Rys. 3. Klastry defektów punktowych w drutach otrzymanych drogą wyciskania metodą KOBO; a) aluminium, b) stop magnezu AZ31

Fig. 3. Clusters of point defects in wires extruded by KOBO method; a) aluminium, b) magnesium alloys AZ31

Cykliczne obustronne skręcanie wyciska-nego metalu wprowadza go w stan charaktery-styczny dla stanu cieczy (przykładowo: współ-czynnik lepkości η dla aluminium wynosi wówczas około 107 P) pomimo zachowywania stanu stałego [5]. W takich warunkach pla-styczne płynięcie metalu przez oczko matrycy pod wpływem siły wyciskania (nacisku stem-pla), jest nadzwyczaj łatwe (rys. 4) i nie wy-maga Ŝadnych specjalnych uwarunkowań od-nośnie procesu, poza skorelowaniem częstości skręcania z prędkością wyciskania.

Pomimo podobieństwa przebiegu siły w konwencjonalnym procesie wyciskania oraz realizowanym metodą KOBO, odbywają się one na znacznie zróŜnicowanych poziomach wartości. W szczególności, siła wyciskania w metodzie KOBO jest co najmniej dwukrotnie

A periodical bilateral torsion of extruded metal leads it to a state characteristic of the state of fluid (for example: then viscosity coefficient η for aluminium amounts to about

107 P) while a solid state is maintained [5].

In such conditions, the plastic flow of metal through the die eye under the extrusion force (punch pressure) is extremely easy (fig. 4) and requires no special conditions in relation to the process, except the correlation of torsion frequency and extrusion rate.

Despite a similarity of force course in

the conventional extrusion process and

the process realized by KOBO method they take place at considerably differentiated levels of values. In particular, the extrusion force in KOBO method is at least twice as low as this one that is necessary to realize the conventio-

niŜsza od tej niezbędnej dla realizacji kon-wencjonalnego wyciskania. TakŜe siła tarcia posiada niewielką wartość i praktycznie pozo-staje na stałym poziomie niezaleŜnie od stopnia zaangaŜowania procesu [3]. Jak wynika to z dotychczasowych badań doświadczalnych wyciskania metodą KOBO [5], w strefie od-kształcenia (ścinania) zdecydowanie dominuje płynięcie promieniowe, a stabilna podczas pro-cesu geometria strefy, posiada postać walca o podstawie będącej przekrojem poprzecznym wsadu i wysokości zaledwie ~2 mm (rys. 5).

nal extrusion. The friction force also has a small value and remains practically at a con-stant level regardless of process engagement degree [3]. According to the hitherto experi-mental researches on the extrusion by KOBO method [5] a radial flow dominates decidedly in the strain (shearing) zone and the zone ge-ometry, stable during the process, takes a form of cylinder with base being a cross-section of the charge and having the height just only of ~2 mm (fig. 5).

Rys. 4. Charakterystyki mechaniczne procesu wyciskania aluminium metodą KOBO (1 – siła wyciskania, 2 – droga stempla, 3 – moment skręcający), ze stopniem przerobu λ = 100, w temperaturze 350˚C z prędkością przemieszczania stempla ν = 0,5 mm/s, kątem oscylacji matrycy ± 8° i częstością 5 Hz. Dodatkowo, linią przerywaną (4), naniesiono dane dla konwencjonalnego wyciskania

(jak na rys. 1)

Fig. 4. Mechanical characteristics of aluminium extrusion process by KOBO method (1 – extrusion force, 2 – punch travel, 3 – torsional moment), with processing degree of λ = 100, at temperature of 350˚C at punch displacement rate of ν = 0.5 mm/s,

angle of die oscillation of ± 8° and frequency of 5 Hz. Additionally, the data for conventional extrusion are plotted by means of a dotted line (4) (as in fig. 1)

Rys. 5. Przekrój wzdłuŜny drutu miedzianego wraz z piętką wyciśniętego metodą KOBO ze stopniem przerobu λ = 44,4, w temperaturze 20˚C z prędkością przemieszczania stempla ν = 0,5 mm/s, kątem oscylacji matrycy ± 8°

i częstością 5 Hz. W wyniku trawienia została ujawniona strefa odkształcenia

Fig. 5. Longitudinal section of copper wire along with butt extruded by KOBO method with processing degree of λ = 44.4, at temperature 20˚C at punch displacement rate of ν = 0.5 mm/s, angle of die oscillation of ± 8°

Niska siła wyciskania, powoduje spęczanie metalu (wsadu) znajdującego się w pojemniku prasy jedynie w dynamicznie „miękkim” ob-szarze strefy odkształcenia. Nie dochodzi więc do spęczania całego wsadu, jak to ma miejsce w przypadku wyciskania konwencjonalnego, a zatem podczas całego procesu, powierzchnia tarcia, a takŜe i siła tarcia, praktycznie nie ule-gają zmianie. Za powód obniŜania się siły wy-ciskania podczas trwania procesu KOBO, nie moŜna takŜe uznać nagrzewania się wsadu, co istotnie ma miejsce pomimo odprowadzania ciepła do pojemnika prasy [5] i mogłoby uza-sadniać znacznie wyŜsze własności wytrzyma-łościowe próbek pochodzących z początko-wych fragmentów wyrobów (niska rzeczywista temperatura wyciskanego wsadu) w porówna-niu ze znacznie niŜszymi, typowymi dla frag-mentów końcowych (rys. 6 i 7), wytworzonych z nagrzanego odkształceniowo wsadu.

Takie wyjaśnienie nie znajduje jednak po-twierdzenia w wynikach badań wyciskania metali i stopów przeprowadzonych metodą KOBO w warunkach stałej prędkości wyciska-nia z jednocześnie zachowaną stałą siłą wyci-skania.

A low extrusion force causes upsetting of metal (charge) located in the press container only in a dynamically “soft” area of the strain zone. So the whole charge is not upset as it happens in case of conventional extrusion therefore during the whole process, a friction area as well as friction force are practically not changed. The charge heating cannot be regarded as a reason for the extrusion force reduction during the KOBO process, it is essential that it happens despite heat transfer-ring to the press container [5] and it could give reasons for significantly higher mechanical properties of samples collected from initial fragments of products (low real temperature of extruded charge) in comparison with signifi-cantly lower properties typical for final frag-ments (fig. 6 and 7) made of deformationally heated charge.

However, such an explanation is not con-firmed by the results of researches on the ex-trusion of metals and alloys by KOBO method in conditions of constant extrusion rate and maintenance of constant extrusion force at the same time.

Rys. 6. Krzywe rozciągania (T = 20°C, έ = 10-4 _s-1_{) początkowego (1), środkowego (2) i końcowego (3) fragmentu}

drutu aluminiowego otrzymanego w procesie wyciskania metodą KOBO (λ = 100, ν = 0,5 mm/s, T = 20˚C, α = ± 8°, f = 5 Hz)

Fig. 6. Initial (1), middle (2) and final (3) tension curves (T = 20°C, έ = 10-4 s-1) of fragment of aluminium wire achieved in extrusion process by KOBO method (λ = 100, ν = 0.5 mm/s, T = 20˚C, α = ± 8°, f = 5 Hz)

Rys. 7. Krzywe rozciągania (T = 20°C, έ = 10-4 s-1) początkowego (1), środkowego (2) i końcowego (3) fragmentu drutu ze stopu aluminium 7075 otrzymanego w procesie wyciskania metodą KOBO

(λ = 100, ν = 0,5 mm/s, T = 20˚C, α = ± 8°, f = 5 Hz)

Fig. 7. Initial (1), middle (2) and final (3) tension curves (T = 20°C, έ = 10-4 s-1) of fragment of wire from aluminium alloys 7075 achieved in extrusion process by KOBO method (λ = 100, ν = 0.5 mm/s, T = 20˚C, α = ± 8°, f = 5 Hz)

NaleŜy podkreślić, Ŝe taka procedura jest moŜ-liwa wyłącznie w procesie wyciskania metodą KOBO, poprzez dokonywaną w trakcie proce-su ciągłą redukcję częstości skręcania (obniŜa-nie częstości obustronnego obracania matrycy). Pomimo, w ten sposób prowadzonego procesu i obserwowanego wówczas wzrostu temperatu-ry wsadu [5], własności wytrzymałościowe na długości wyrobów pozostają identyczne (rys. 8 i 9).

It should stressed that such a procedure is pos-sible only in the extrusion process by KOBO method through a continuous reduction of tor-sion frequency (bilateral die rotation frequency decrease) performed during the process. Despite the process is conducted in such a way and the temperature growth of the charge is observed [5], the mechanical properties re-main identical on the length of products (fig. 8 and 9).

Rys. 8. Krzywe rozciągania (T = 20°C, έ = 10-4 _s-1_{) początkowego (1), środkowego (2) i końcowego (3) fragmentu}

drutu aluminiowego wyciśniętego metodą KOBO (λ = 100, ν = 0,5 mm/s, P = 0,7 MN, T = 20˚C, α = ± 8°, f początkowa = 8 Hz)

Fig. 8. Initial (1), middle (2) and final (3) tension curves (T = 20°C, έ = 10-4 s-1) of fragment of aluminium wire extruded by KOBO method (λ = 100, ν = 0.5 mm/s, P = 0.7 MN, T = 20˚C, α = ± 8°, f initial = 8 Hz)

Rys. 9. Krzywe rozciągania (T = 20°C, έ = 10-4 _s-1_{) początkowego (1) i końcowego (2) fragmentu drutu ze stopu}

aluminium 7075 otrzymanego w procesie wyciskania metodą KOBO (λ = 100, ν = 0,5 mm/s, P = 0,85 MN, T = 20˚C, α = ± 8°, f początkowa = 8 Hz)

Fig. 9. Initial (1) and final (2) tension curves (T = 20°C, έ = 10-4 s-1) of fragment of wire from aluminium alloys 7075 achieved in extrusion process by KOBO method (λ = 100, ν = 0.5 mm/s, P = 0.85 MN, T = 20˚C,

α = ± 8°, f initial = 8 Hz)

Koncepcja wyjaśniająca ten stan rzeczy bazuje na podstawowym zjawisku struktural-nym mającym miejsce podczas wyciskania metodą KOBO, a mianowicie generowania silnie-ponadrównowagowej koncentracji defek-tów punktowych, w szczególności atomów międzywęzłowych własnych dokonująca się w strefie odkształcenia wskutek cyklicznego, obustronnego skręcania wyciskanego metalu. Jak określono w pracy [3], statystycznie rzecz biorąc, koncentracja atomów międzywęzło-wych w strefie odkształcenia osiąga wartość około 10-8, czyli o ponad 20 rzędów wielkości wyŜszą niŜ w stanie równowagowym. Ponadto, w związku z bardzo niską energią migracji ato-mów międzywęzłowych własnych (dla alumi-nium E ≈ 0,06 eV [3]), która moŜe być pozy-skiwana juŜ w temperaturze kilku Kelvin’ów, wyrównanie w całej objętości metalu koncen-tracji atomów międzywęzłowych drogą dyfuzji, jest intensywnie realizowane. Z tego powodu poszczególne fragmenty wyciskanego wsadu zanim znajdą się w strefie plastycznego płynię-cia, wcześniej juŜ i to w narastającym stopniu, nabywają zwiększonej koncentracji defektów punktowych. Gdy więc zostaną wprowadzone do tej strefy, juŜ tylko niewielka liczba skręceń jest potrzebna w celu zwiększenia koncentracji defektów punktowych do poziomu umoŜliwia-jącego dominację mechanizmu odkształcenia

A concept explaining this state of affairs relies on a basic structural phenomenon occur-ring duoccur-ring the extrusion by KOBO method, i.e. generation of strongly supra-equilibrium con-centration of point defects, in particular, own interstitial atoms taking place in the strain zone as a result of periodical, bilateral torsion of extruded metal. As it is determined in the study [3], statistically, the concentration of interstitial atoms in the strain zone reaches

the value of about 10-8, i.e. over 20 orders

of magnitude higher than in the equilibrium state. Furthermore, in connection with a very low migration energy of own interstitial atoms (for aluminium E ≈ 0.06 eV [3]) that can be gained already at a temperature of several Kelvins, the equalization of the concentration of interstitial atoms via diffusion in the whole volume of metal is intensively realized. For this reason individual fragments of extruded charge before they are in the plastic flow zone, just earlier and to a growing degree, they acquire an increased concentration of point defects. So when they are introduced to this zone, only a small number of torsions is necessary to in-crease the concentration of point defects to the level enabling a domination of strain mechanism in the form of viscous flow.

w formie lepkiego płynięcia. Innymi słowy, materiał wprowadzany do strefy odkształcenia w warunkach stałych parametrów procesu (prędkości wyciskania i częstości skręcania), w miarę jego trwania, posiada coraz większą koncentrację defektów punktowych i potrzebu-je coraz mniejszej siły dla kontynuacji od-kształcenia. Stąd trend spadającej siły wyci-skania jest utrzymywany aŜ do osiągnięcia przez wsad/piętkę (rys. 10) długości około 2 mm (długość strefy odkształcenia w procesie KOBO).

Z drugiej strony, utrzymywanie podczas wyciskania metodą KOBO równocześnie stałej prędkości i stałej siły wyciskania, pomimo ro-snącej temperatury procesu sprawia, Ŝe zgodnie ze spełnianym w procesie KOBO prawem la-minarnego przepływu Newtona σ = ηέ (gdzie: σ – napręŜenie płynięcia, έ – prędkość od-kształcenia) współczynnik lepkości η zachowu-je stałą wartość, decydując o jakościowej i ilo-ściowej niezmienności przebiegu procesu, a więc i struktury oraz własności na długości wyrobów [5].

In other words, the material introduced to the strain zone in the conditions of constant parameters of the process (extrusion rate and torsion frequency), as it lasts, has a higher concentration of point defects and requires lesser and lesser force to continue the strain. Therefore a trend of decreasing extrusion force is maintained till the charge/butt (fig. 10) reaches the length of about 2 mm (strain zone length in the KOBO process).

On the other hand, maintaining a constant rate and constant extrusion force at the same time during the extrusion by KOBO method despite an increasing process temperature causes according to the Newton’s laminar flow principle, met in the KOBO process, σ = ηέ (where: σ – flow stress, έ – strain rate) that a viscosity coefficient η maintains the constant value, determining a qualitative and quantita-tive invariability of the process course, i.e. structure and properties on the length of the products [5].

a) b)

Rys. 10. Piętki z aluminium (a) i cynku (b) o długości (wysokości) ~ 0,5 mm otrzymane w procesie wyciskania metodą KOBO

Fig. 10. Butts from aluminium (a) and zinc (b) with length (height) ~ 0.5 mm obtained in extrusion process by KOBO method

2. NANO/STRUKTURA METALI I STO-PÓW WYCIŚNIĘTYCH METODĄ KOBO

Obustronne skręcanie wyciskanych mate-riałów metalicznych spełnia warunki cyklicz-nej zmiany drogi odkształcenia skutkując per-manentną destabilizacją „obcej” dystrybucji dyslokacji [6] jak i zlokalizowanego plastycz-nego płynięcia w pasmach ścinania [7], a zja-wisku temu towarzyszy intensywna generacja defektów punktowych.

2. NANO/STRUCTURE OF METALS AND ALLOYS EXTRUDED BY KOBO METHOD

A bilateral torsion of extruded metallic materials meets conditions of periodical change of strain travel resulting in a perma-nent destabilization of “strange” dislocation distribution [6] as well as localized plastic flow in shearing bands [7] and this phenome-non is accompanied by an intensive generation of point defects.

Przecinające się pasma ścinania tworzą prze-strzenną sieć dyslokacji, która niezaleŜnie od temperatury procesu, moŜe drogą dyfuzji zo-stać przekształcona w zrelaksowaną strukturę pod/ziarnową. W zaleŜności od tego na jakim etapie zostanie zahamowany proces tworzenia i rozrostu pod/ziarn (temperatura i czas prze-bywania w niej danej objętości metalu), ich wielkość w wyrobie moŜe pozostać w skali nanometrycznej, lub osiągnąć wymiar kilkuset mikrometrów (rys. 11). Gęstość dyslokacji w wyrobach jest zazwyczaj bardzo mała (rys. 12), a to z powodu - wspomaganych in-tensywną dyfuzją – procesów ich relaksacji i anihilacji.

The crossing shearing bands form a spatial

dislocation network that, regardless of

the process temperature, can be reformed in a relaxed sub/grain structure via diffusion. Depending on the stage at which a formation and growth process of sub/grains is stopped (temperature and staying time of given metal volume at this temperature) their size in the product can remain on a nanometric scale or reach the dimension of several hundred mi-crometers (fig. 11). The dislocation density in the products is usually very small (fig. 12) due to the processes of their relaxation and annihilation, supported by an intensive diffu-sion.

a) b)

c) d)

Rys. 11. Mikro/struktury drutów otrzymanych drogą wyciskania metodą KOBO; a) aluminium (STEM), b) cynk (mikroskop optyczny), c) stop aluminium 7075 (TEM), d) stop magnezu AZ91 (STEM) Fig. 11. Micro/structures of wires obtained in extrusion process by KOBO method; a) aluminium (STEM),

a) b)

Rys. 12. Przykładowe mikrostruktury aluminium wyciśniętego metodą KOBO widziane w jasnym (a) i ciemnym (b) polu

Fig. 12. Exemplary microstructures of aluminium extruded by KOBO method seen in light (a) and dark (b) field

Co ciekawe, proces rekrystalizacji nie zaw-sze „uwalnia” wyroby wyciśnięte metodą KOBO od obecności ponadrównowagowej koncentracji defektów punktowych i wówczas wewnątrz ziarn pozostają nanowymiarowe kla-stry (rys. 13) będące skupiskami defektów punktowych.

Rola klastrów defektów punktowych w kre-owaniu własności wytrzymałościowych meta-lu, odpowiada roli stref GP w stopach. Otwar-tym pozostaje pytanie czy oprócz klastrów o wielkości około 2 nm, ujawnionych odpo-wiednią techniką obserwacji elektronomikro-skopowych, sieć krystaliczna zawiera takŜe drobniejsze („niewidoczne” dla TEM-u) obsza-ry zdefektowania (mniejsze skupiska atomów międzywęzłowych).

Interestingly, the recrystallization process does not always “free” the products extruded by KOBO method from the presence of supra-equilibrium concentration of point defects and then nanodimensional clusters (fig. 13), being centres of point defects, remains inside the grains.

A role of clusters of point defects in form-ing mechanical properties of metal corre-sponds with a GP zone in alloys. The question is open whether except the 2 nm clusters, re-vealed by means of proper electronomicro-scopic observation technique, the lattice con-tains also finer (“invisible” for TEM) disorder areas (smaller centres of interstitial atoms).

a) b)

Rys. 13. Przykłady (a i b) obecności klastrów defektów punktowych w aluminium wyciśniętym metodą KOBO i wyŜarzonym w temperaturze 200°C przez 1 godz., g – (111)

Fig. 13. Examples (a and b) of presence of clusters of point defects in aluminium extruded by KOBO method and annealed at temperature of 200°C for 1 hour, g – (111)

Takie przypuszczenie, nawiązuje do rze-czywistej budowy metalicznych roztworów stałych, odmiennej od powszechnie uznawane-go jej teoretyczneuznawane-go wizerunku. Stwierdzono bowiem [8, 9], Ŝe wartość objętości aktywowa-nej w roztworach stałych wielokrotnie przekra-cza objętość typową dla występowania poje-dynczych atomów, co świadczy o obecności tam, usytuowanych obok siebie (związanych wzajemnymi oddziaływaniami) skupiskach co najmniej kilku atomów dodatku stopowego (drugiego pierwiastka). Taka sytuacja moŜe wystąpić w metalach równieŜ w odniesieniu do atomów międzywęzłowych.

Od koncentracji defektów punktowych w materiale wyciśniętym metodą KOBO, ich powiązań, wielkości i dystrybucji oraz parame-trów odkształcania (T, έ), zaleŜy charaktery-styka mechaniczna określona w próbie rozcią-gania, w szczególności wartość napręŜenia płynięcia (granicy plastyczności, wytrzymało-ści na rozciąganie), a takŜe jej monotoniczny bądź niestateczny (powstanie i rozwój szyjki natychmiast po opuszczeniu zakresu spręŜyste-go, odkształcenie typu Lőders’a, efekt Portevi-na-Le Chatelier’a) przebieg.

Ogólnie rzecz biorąc, moŜna wyszczegól-nić dwa mechanizmy plastycznego płynięcia odpowiedzialne za zjawisko niestateczności siły rozciągania, obydwa związane z lokaliza-cją odkształcenia. Pierwszy obejmuje niestabil-ność struktury dyslokacyjnej, z kolei drugi ba-zuje na niestabilności sieci krystalicznej. O ile jednak niestabilność struktury dyslokacyjnej w warunkach zmieniającego się stanu napręŜe-nia jest powszechnie uznawana za przyczynę lokalizacji odkształcenia, o tyle niestateczność sieci krystalicznej nie jest w zasadzie rozpa-trywana. Zagadnienie to nabiera jednak szcze-gólnego znaczenia w wyrobach wytworzonych w procesie wyciskania metodą KOBO. Wystę-pująca w próbie rozciągania wyrobów otrzy-manych metodą KOBO spręŜysta deformacja sieci krystalicznej (tetragonalność) gęsto „ude-korowanej” defektami punktowymi, moŜe zo-stać zdestabilizowana pod wpływem stosun-kowo niewielkiego napręŜenia, towarzysząc, a nawet i wyprzedzając, potencjalny efekt de-stabilizacji struktury dyslokacyjnej.

Such a supposition refers to a real struc-ture of metallic solid solutions, different from its commonly recognised theoretical image. It is stated [8, 9] that the value of volume acti-vated in the solid solutions exceeds manifold the volume typical for occurrence of single atoms what shows the presence of centres of at least several atoms of alloy addition (second element), located side by side (tied by mutual interactions). Such a situation can occur in metals with reference to interstitial atoms.

The mechanical characteristics, deter-mined in the tensile test, in particular, flow stress (yield point, tensile strength) value as well as its monotonic or instable course (neck formation and development immediately after leaving a resilient range, Lőders strain, Porte-vin-Le Chatelier effect) depend on the concen-tration of point defects in the material extruded by KOBO method, their connections, sizes, distribution and straining parameters (T, έ),

Generally, two mechanisms of plastic flow, responsible for an instability phenomenon of tension force, can be specified, both connected with a strain location. The first one includes the dislocation structure instability and the other one is based on the lattice insta-bility. However, if the dislocation structure instability in conditions of changing stress state is commonly regarded as a reason for the strain location, the lattice instability is not taken into consideration in principle. This issue becomes especially important in the products

manufactured in the extrusion process

by KOBO method. A resilient lattice deforma-tion (tetragonality) thickly “decorated” with point defects, occurring in the tensile test of the products obtained by KOBO method, can be destabilized under the influence of relatively small stress, accompanying and even overtak-ing, a potential effect of dislocation structure destabilization.

Stąd, kontynuacja odkształcenia drogą rozcią-gania wyrobów wyciśniętych metodą KOBO, jest w temperaturze pokojowej mocno ograni-czona [3].

Jednak w odróŜnieniu od rozproszonej dystrybucji defektów punktowych dynamicznie występującej w materiale podczas jego (ziden-tyfikowanego jako nadplastyczne) wyciskania metodą KOBO, dominującą formą organizacji defektów punktowych w wyrobie w pokojowej temperaturze, są klastry. Stąd trudność w de-stabilizacji sieci krystalicznej i dominacja nie-stabilności struktury dyslokacyjnej.

Całkowicie odmienne zachowanie wyka-zują wyroby KOBO w warunkach podwyŜszo-nej temperatury i ograniczopodwyŜszo-nej prędkości od-kształcenia, kiedy to dominującym staje się mechanizm lepkiego płynięcia o charakterze globalnym, obejmujący cały odkształcany (długość pomiarowa rozciąganej próbki) mate-riał. W efekcie ma miejsce nadplastyczne pły-nięcie (rys. 14).

Therefore, the strain continuation

of the products extruded by KOBO method via tension is strongly limited at the ambient tem-perature [3].

However, as opposed to the dispersed dis-tribution of point defects dynamically appear-ing in the material durappear-ing its extrusion (identi-fied as superplastic) by KOBO method, the clusters are dominant organization forms of point defects in the product at the ambient temperature. Hence, there are difficulty in the lattice destabilization and dislocation structure instability domination.

The KOBO products in the increased tem-perature and limited strain rate conditions be-have completely differently when a global-nature viscous flow mechanism, including the whole deformed material (measuring length of stretched sample) becomes dominant. As a result the superplastic flow occurs (fig. 14).

Rys. 14. Próbki wycięte z taśmy wyciśniętej metodą KOBO ze stopu magnezu AZ91 w temperaturze 20°C, przed (górny obraz) i po próbie rozciągania przeprowadzonej w temperaturze 350°C z prędkością 10-4 _s-1_[5]

Fig. 14. Samples cut out from band extruded by KOBO method from magnesium alloy AZ91 at temperature of 20°C, before (upper image) and after tensile test performed at temperature of 350°C at rate of 10-4 s-1[5]

Jak stwierdzono w pracy [10], własności mechaniczne wyrobów wyciśniętych metodą KOBO są stabilne cieplnie do znacznie wyŜ-szych temperatur niŜ wyciśnięte konwencjo-nalnie. Własności te równieŜ nie ulegają zmia-nom podczas niskotemperaturowego odkształ-cenia (walcowania prętów) prowadzonego aŜ do wartości (gniotu) bliskiej 40% [11]. Prze-kroczenie temperatury stabilności cieplnej wy-robów KOBO, bądź wzmiankowanego od-kształcenia powoduje „rozbicie” klastrów i ich rozproszenie w sieci krystalicznej. Zjawisko to przebiega dynamicznie i w pierwszym przy-padku (temperatura) znajduje analogię do

As it is stated in the study [10], the me-chanical properties of the products extruded by KOBO method are thermally stable to sig-nificantly higher temperatures than these ones extruded conventionally. These properties do not change during the low-temperature strain (rolling of bars) performed till the value (of the draft) close to 40% [11]. The exceedance of thermal stability temperature of the KOBO products or mentioned strain causes a “break-down” of clusters and their dispersion in

the lattice. This phenomenon progresses

dynamically and in the first case (temperature) it is analogous to the one occurring during

występującego podczas wyciskania metodą KOBO (nadplastyczne płynięcie), chociaŜ po pewnym czasie pozostawania w wysokiej tem-peraturze, moŜe zakończyć się redukcją kon-centracji defektów punktowych do poziomu równowagowego. W drugim przypadku (gniot), uwalniane defekty punktowe są na-tychmiast angaŜowane do porządkowania two-rzącej się struktury dyslokacyjnej, a przede wszystkim anihilacji dyslokacji (rys. 15).

NaleŜy pamiętać, Ŝe nadplastyczne (lepkie) płynięcie materiałów metalicznych wyciśnię-tych metodą KOBO następuje w sytuacji współobecności w strukturze obszarów o zróŜ-nicowanej budowie, będącej następstwem jej heterogenizacji (pasma ścinania – osnowa), a więc obszarów odmiennie reagujących w pró-bie rozciągania. Stąd „strugowy” obraz nadpla-stycznego płynięcia rozciąganego materiału (rys. 16).

the extrusion by KOBO method (superplastic flow), however, after some time when remain-ing at the high temperature, it can result in the reduction of the concentration of point de-fects to the equilibrium level. In the second case (cold work), the freed point defects are immediately engaged in arranging of forming dislocation structure, first of all, annihilation of dislocation (fig. 15).

It should be remembered that the super-plastic (viscous) flow of metallic materials ex-truded by KOBO method occurs in case of co-presence of areas with differentiated constitu-tion, being a result of its heterogenization (shearing bands – matrix) in the structure, i.e. areas reacting differently in the tensile test. Hence, a „stream” image of superplastic flow of stretched material (fig. 16).

Rys. 15. Mikrostruktury drutu aluminiowego wyciśniętego metodą KOBO i poddanego walcowaniu z 40% gniotem Fig. 15. Microstructures of aluminium wire extruded by KOBO method and rolled with 40% draft

Rys. 16. Powierzchnia nadplastycznie rozciągniętej próbki (T = 450°C, έ = 10-4 _s-1_{) ze stopu aluminium 7075}

wyciśniętej metodą KOBO obserwowana techniką STEM. Kierunek rozciągania jest zgodny z krótszą krawędzią zdjęcia

Fig. 16. Surface of superplastically stretched sample (T = 450°C, έ = 10-4 s-1) from aluminium alloy 7075 extruded by KOBO method observed by STEM technique. Tension direction is compliant with shorter photo edge

Badania przeprowadzono w ramach projektu rozwojowego Nr 15-0140-10 pt. "Niskotempe-raturowe kształtowanie metodami obróbki pla-stycznej wyrobów z trudno odkształcalnych stopów lekkich" finansowanego przez Narodo-we Centrum Badań i Rozwoju ze środków pu-blicznych na naukę. Autorzy serdecznie dzięku-ją prof. Ludwikowi BłaŜowi za pomoc w ba-daniach mikrostrukturalnych.

Studies were conducted within the framework of development project No. 15014010 titled “Low-temperature forming of products made from hard-deformable light alloys using plastic working methods" financed by the National Centre for Research and Development with public funds for science. The authors sincerely thank Professor Ludwik BłaŜ for helping in microstructural researches.

LITERATURA / REFERENCES

[1] Korbel A., Bochniak W.: Method of plastic forming of materials, U.S. Patent No 5,737,959 (1998), European Patent No 737, 959 (1998).

[2] Bochniak W., Marszowski K., Korbel A.; J. Mater. Process. Technol., 169 (2005) 44. [3] Korbel A., Bochniak W., Ostachowski P., BłaŜ; Metall. Mater. Trans. A 42A (2011) p. 2881.

[4] Korbel A., Pospiech J., Bochniak W., Tarasek, Ostachowski P.; Inter. J. Mater. Res. (formerly: Z. Metallkd.) 102 (2011) 4.

[5] Korbel A., Bochniak W.; Philos. Mag. 93 (2013) 1883. [6] Basinski Z.S., Jackson P.J.; Phys. Stat. Sol., 10 (1965) 45. [7] Korbel A., Bochniak W.; Scr. Mater., 51 (2004) 755. [8] Basinski Z.S.; J. Phys. Condens. Matter., 2 (1990) 5797. [9] Nabarro F.R.N.; Proc. R. Soc. London A 381 (1982) 285.

[10] Pieła K., Bochniak W., Korbel A., Ostachowski P., BłaŜ L.; Rudy i Metale NieŜelazne 54 (2009) 356. [11] Jaskowski M., Brzostowicz A., Bochniak W., Korbel A,, Pieła K.; Rudy i Metale NieŜelazne 57 (2012) 437.