Plastisk deformasjon i metaller

Transkript

1 Plastisk deformasjon i metaller τ = P A S S = σcosα cosβ σ σ Figur 2. Plastisk flyt i korn. Dannelse av glidelinjer skjer først i korn der glideplanene står 45 på strekkspenningen 1

2 Glidelinjer i stål 2

3 1ε Planglidning σ σ y 45 τ! flytegrensen er ikke så høy! Det må være noe vi glemmer 3

4 Dislokasjoner 4

5 Dislokasjoner 5

6 Dislokasjoner Figur 6. Kant- og skruedislokasjon Skjærspenningen får dislokasjoner til å vandre i et glideplan. En kantdislokasjon (figurene til venstre) beveger seg i skjærspenningens retning. En skruedislokasjon (figurene til høyre) beveger seg vinkelrett på skjærspenningen 6

7 Formering av dislokasjoner Annihilering av dislokasjon 7

8 Plastisk flyt i metaller Skjer alltid som skjærdeformasjon (som følge av skjærspenninger) Skyldes glidning langs tettpakkede plan ({111} i fcc) eller ganske tette plan ({110} mfl. i bcc) (hcp-metaller har kun ett tett plan (1000) og er mindre duktil) MEN atomplanene glir ikke i sin helhet, de glir ved at dislokasjoner vandrer i planet, drevet av skjærspenning Ved vedvarende plastisk flyt (dislokasjonsbevegelser) formerer dislokasjonene seg Når det har blitt veldig mange dislokasjoner, vil de møte hverandre på en slik måte at det blir konflikt om glideplanene, duktilitetsgrensen er nådd, videre deformasjon vil gi brudd Alle måter / mekanismer som bremser dislokasjonenes evne til vandring, vil gi en herdeeffekt (dvs. det kreves høyere spenning for å oppnå flyt) 8

9 Herdemekansimer Herdemekanismer Herding av metaller betyr å øke flytegrensen, dvs. å gjøre det tyngre for dislokasjonene å vandre. Dette kan skje på forskjellige måter. Ved at det er fremmedatomer i gitteret. Det er da ikke så ensartet og dislokasjonene har vanskeligere for å passere. Dette kalles løsningsherding. Ved at det er partikler eller inneslutninger i krystallene. Dette kalles partikkelherding. Den sterkeste effekt av partikkelherding fås når partiklene er mange og små. Det finner vi i utherdbare aluminiumlegeringer, der partiklene er koherente (bryter ikke gitteret). I kulegrafittjern (seigjern) er partiklene store og runde, og gir liten herdevirkning, kulegrafittjern ganske duktilt. Ved at det genereres så mange dislokasjoner at de henger seg opp i hverandre. Dette kalles deformasjonsherding, og utnyttes i kaldbearbeiding av metaller (hardvalsing). Hardvalset materiale kan gjøres bløtt igjen ved en varmebehandling som setter fart på atomene slik at dislokasjonstettheten går ned til det normale igjen. 9

10 Herding av aluminium Aluminium er et lettmetall med meget stor anvendelse. Aluminium kan som kjent tilvirkes ved støping, profilpressing og platevalsing. Aluminium er godt sveisbart og det finnes mange legeringer som har gode maskineringsegenskaper. Aluminium i alle former kan også behandles slikt at fastheten økes, dvs. herdes. Aluminium har kubisk flatesentrert struktur (fcc). Dette innebærer at aluminium i ren, glødet form vil være meget duktilt. Ultrarent, mykglødet aluminium vil ha flytegrense omkring 3-5 MPa. Aluminiumlegeringer angis oftest ved det amerikanske nummersystemet, med det finnes også norske standarder, NS 17xxx. 10

11 Deformasjonsherding Kalddeformasjon vil gi en fasthetsøkning av alle formbare aluminiumlegeringer, knalegeringer. Knalegeringer kan valses helt til 75% arealreduksjon, som betegnes deformasjonstilstand H18, helhard. A A A 100% 11

12 Oppløsningsherding Herding pga. oppløste elementer Alle metaller får økt flytegrense ved innlegering av andre elementer. Når løselighetsgrensen ikke overskrides, beholdes samtidig en god duktilitet fordi legeringen kun har en fase. Når løseligheten overskrides blir det to faser og legeringen blir sprøere. Dette utnyttes når avsponingsegenskapene er viktigere enn seigheten. Aluminium løser magnesium. Opp mot 5% Mg kan beholdes i løsning i kald tilstand (selv om løselighetsgrensen er svakt overskredet). Innlegeringen av Mg fører til en meget gunstig løsningsherding. Flytegrensen er 110 MPa uten kaldbearbeiding. (AA 5000, NS 17210) Mangan løses kun opp til 1,8%, men kaldbearbedingsegenskapene er svært gode. AlMn-legeringer som er de aluminiumlegeringene som benyttes i størst tonnasje. Fastheten er omkring 50 MPa, men øker ved kaldbearbeiding. Al-1Mn har meget gode kaldbearbeidingsegenskaper og benyttes til plater for mange formål samt ikke minst til bokser for brus og øl. (AA 3000, NS 17405) 12

13 Partikkelherding Partikkelherding Alle partikler som er innesluttet i metallkorn gjør det vanskeligere for dislokasjoner å vandre gjennom kornet, dvs. vi får en herdeeffekt. Billig renaluminium, 99-99,7% Al (AA-1000-legeringer, NS 170xx legeringer) vil alltid inneholde partikler av FeAl3, som gir en fasthetsøkning i forhold til aluminium 99,9%) eller ultraren aluminium. Flytegrensa er omkring 30 MPa uten kaldbearbeiding. Legeringene benyttes vanligvis i plater og profiler som har en viss kaldbearbeiding. De er noe problematiske å maskinere pga. klebing på verktøy. Varmebehandling kan gjøres i mange varianter for å herde aluminium. Det er viktig å forstå at prosessen er prinsipielt forskjellig fra stålherding. Alle varmebehandlingsherdinger spiller på varianter av partikkelherding. 13

14 Partikkelherding 14

15 Utherdbar aluminiumlegering Fasediagrammet Strukturen som støpt 15

16 Innherding 16

17 Utherdingen Figur 1 Homogenisert Figur 2 Diffusjon til begynnende partikler, GP-soner Figur 3 Koherente partikler Figur 4 Overelding, koherensbrudd Anmerkning: partiklene etter overelding er egl. svært mye større enn de koherente partiklene (og langt færre) 17

18 Prosessoptimalisering 18

19 Forskjellige utherdbare Al-legeringer legeringer 19

20 Legeringselementer Aluminiumlegeringer AW EN nummer Legeringselementer Varmebehandling 1xxx Super- or commercial-purity Al. Non-heat-treatable 2xxx Al-Cu(-Mg) Heat-treatable 3xxx Al-Mn(-Mg) Non-heat-treatable 4xxx Al-Si Non-heat-treatable 5xxx Al-Mg Non-heat-treatable 6xxx Al-Mg-Si Heat-treatable 7xxx Al-Zn-Mg(-Cu) Heat-treatable 8xxx Other alloys Varmebehandling T1 T2 T3 T4 T5 T6 T7 T8 T9 Cooled from elevated temperature shaping process > Naturally aged to a substantially stable condition Cooled from elevated temperature shaping process > Cold worked > Naturally aged Solution heat treated > Cold worked > Naturally aged Solution heat treated > Naturally aged Cooled from high temperature shaping > Artificially aged Solution heat treated > Artificially aged Solution heat treated > Overaged (i.e. beyond maximum strength) Solution heat treated > Cold worked > Artificially aged Solution heat treated > Artificially aged > Cold worked Det brukes også 2-sifrede angivelser. Disse er fabrikksangivesler, HXY. Kaldbearbeiding Y Degree of strain hardening X Secondary treatment 2 1/4 hard 1 Cold worked only (no anneal) 4 1/2 hard 2 Cold worked + partial anneal 6 3/4 hard 3 Cold worked + "stabilised" 8 fully hard 4 Cold worked + baked 9 extra hard 20

21 Al Li 21

22 AlLi Weldalite AW 2090 Flere? Hvilke primære fordeler? Hvilke herdemekanismer er brukt? Hvilke ulemper? Hvilke varmebehandlingstilstander? 22