13. Definicja nadplastyczności Nadplastyczność – zdolność materiałów do bardzo dużego odkształcenia plastycznego, objawiająca

się w wysokiej temperaturze homologicznej pod wpływem małego naprężenia, którego wartość silnie

zależy od prędkości odkształcania.

Rozróżnia się dwa główne rodzaje nadplastyczności:

• strukturaln ą (izotermiczną) (fine-structure superplasticity) – będącą właściwością materiału

związaną z jego mikrostrukturą,

• warunkową (pod wpływem specjalnych warunków zewnętrznych) (internal-stress superplasticity) –

wywołaną przez specyficzne warunki zewnętrzne, powodujące generowanie przemian strukturalnych,

a w ich wyniku dużych naprężeń własnych, niezależnych od obciążenia zewnętrznego. Wartość m

wynosi ok 1. Nie jest wymagana drobnoziarnistość.

14. Czułość naprężenia płynięcia na prędkość odkształcania

•

⋅⋅= mnconst εεσ

nconst εσ ⋅=

•

⋅= mcons εσ m = 0; naprężenie płynięcia nie zależy n = 0; brak umocnienia od prędkości odkształcania odkształcającego W większości metali i stopów m < 0,2

W materiałach nadplastycznych m > 0,33 •=ε

σ

log

log

d

dm

15. Główne cechy nadplastyczności strukturalnej - wewnętrzna, strukturalna właściwość materiału

- możliwość otrzymywania bardzo dużych wartości odkształcenia plastycznego (ε> 2000%)

- zakres występowania: temperatura T > 0,4Ttop i prędkość odkształcania έ =10-4÷10-2 s-1

- charakteryzuje materiały drobnoziarniste (d < 10 µm) o równoosiowej mikrostrukturze

- duża czułość naprężenia płynięcia na prędkość odkształcenia (parametr m > 0,3)

- brak umocnienia odkształceniowego

- zachowywanie prawie równoosiowego kształtu ziarn

16. Porównanie cech odkształcenia plastycznego i nadplastycznego

Nadplastyczność 1. Duża czułość naprężenia płynięcia na prędkość odkształcania (m > 0,33) 2. Drugorzędny wpływ umocnienia odkształceniowego 3. Względne przemieszczanie się ziarn wywołane poślizgiem wzdłuż ich granic 4. Zmniejszenie początkowej tekstury wraz ze zwiększeniem wartości odkształcenia nadplastycznego zmniejszenie anizotropii) 5. Odkształcanie przez poślizg wzdłuż granic ziarn wraz z dyfuzyjnymi i dyslokacyjnymi mechanizmami akomodującymi 6. Zniszczenie powodowane inicjacją i rozrostem mikropustek

Plastyczność

1. Pomijalnie mały wpływ prędkości odkształcania na naprężenie płynięcia 2. Dominująca rola umocnienia odkształceniowego 3. Brak się wzdłuż ich granic względnego przemieszczania ziarn 4. Tworzenie się tekstury odkształcenia (zwiększenie anizotropii) 5. Odkształcanie w wyniku poślizgu dyslokacji 6. Zniszczenie powodowane wyczerpaniem zapasu plastyczności i lokalizacją odkształcenia

17. Rola parametrów mikrostruktury w procesie odkształcania nadplastycznego - rozmiar ziarna; im mniejsza średnica ziarna tym prędkość odształcania oraz parametr m przymują mnniejsze wartości - skład fazowy; wpływ zanieszczyszczeń, które pogarszają jakoś uzyskanego szkła metalicznego - granice ziarn i międzyfazowe; - tekstura i kształ zairn;

18. Mechanizm odkształcania nadplastycznego Pełzanie dyfuzyjne: Zachodzi przy małych naprężeniach i wysokich temperaturach poprzez wydłużenie ziarn materiału. Proces ten zachodzi na skutek: - dyfuzji atomów po granicach ziarn, dla niższych temperatur (mniejszych T/TM), - przez dyfuzję objętościową dla większych T/TM .

19. Cel i ogólna charakterystyka metod SPD Metody dużych odkształceń plastycznych SPD (Severe Plastic Deformation) są w ostatnich czasach

bardzo atrakcyjne z powodu możliwości rozdrobnienia ziaren do rozmiarów nanometrycznych, co

umożliwia uzyskanie lepszych właściwości mechanicznych [1]. Dotych metod możemy zaliczyć:

- cykliczne wyciskanie ściskające (CWS),

- skręcanie pod wysokim ciśnieniem (HPT),

- łączenie tradycyjnych procesów obróbki plastycznej np.

Walcowanie kumulacyjne (ARB) lub kucie wielokierunkowe.

Poza wymienionymi metodami, stosuje się również przeciskanie przez kanał kątowy (ECAP)

oraz wyciskanie hydrostatyczne (HE)

Rozdrobnienie ziaren w stopach serii 7xxx metodą ECAP . Jest bardziej efektywne poprzez prowadzenie

procesu w temperaturze ok. 77 K.

ŚCISKANIE WIELOKIERUNKOWE (MaxStrain)

Metody te umożliwiają otrzymywanie półwyrobów o jednorodnej strukturze nanometrycznej, o

względnie dużej objętości oraz nie wprowadzają dodatkowych zanieczyszczeń do materiału. Możliwość

wytwarzania w ten sposób półwyrobów o dużych wymiarach stwarza możliwość ich wykorzystania w

seryjnej produkcji części maszyn.

20. Kształtowanie nadplastyczne w praktyce – przykłady zastosowań Kształtowanie nadplastyczne umożliwia wytwarzanie wyrobów o złożonym kształcie w jednej operacji

technologicznej, a w połączeniu ze zgrzewaniem dyfuzyjnym otwiera nowe perspektywy w wytwarzaniu

skomplikowanych konstrukcji wielowarstwowych.

- drzwi awaryjne samolotu pasażerskiego BAe 125

- elementy konstrukcji nośnej kadłuba samolotu bojowego F-15e

21. Główne cechy szkieł metalicznych i warunki niezbędne do ich otrzymania

Szkło metaliczne, stop amorficzny (bezpostaciowy) dwu- lub wieloskładnikowy, w którym składnikiem

podstawowym jest metal.

Ta grupa materiałów ma bardzo interesujące właściwości magnetyczne i mechaniczne, lepsze niż

materiały polikrystaliczne, tradycyjnie stosowane w technice. Poza tym są to materiały odporne na

działanie środowiska. Szkła metaliczne stosowane są w elektronice, energetyce i przemyśle lotniczym

zastępując dominujące dotychczas materiały krystaliczne. Szkło metaliczne z pewnością jest o wiele

bardziej wytrzymałe od innych metali. Uderzenie młotkiem w metal krystaliczny zrobi w nim pewnej

głębokości dziurę. Po części zostanie więc wykorzystana energia, która została zużyta do jej wykonania.

W przypadku szkła metalicznego sytuacja jest zupełnie odwrotna - tam atomy znajdują się bardzo blisko

siebie i jakiekolwiek ich przesunięcie ma małe szanse powodzenia (trudniej więc odkształcić dany

przedmiot). Kolejną jego zaletą jest topliwość. Topi się w bardzo niskich temperaturach i może być

formowany przez nas prawie jak plastik.

W porównaniu z pokrystalicznymi metalami amorficzne stopy zachowują dobre właściwości

wytrzymałościowe w wyższych temperaturach oraz są bardziej odporne na działanie cyklicznych

naprężeń. Masywne szkła metaliczne na osnowie Zr cechują si´ dobrymi właściwościami

sprężystymi, jednak stosunkowo małą plastycznością i niewielkim odkształceniem plastycznym

poprzedzającym zniszczenie. Ta właściwość ogranicza ich zastosowanie w przypadkach, gdy istotnym

czynnikiem jest niezawodność konstrukcji (przemysł samochodowy, lotnictwo). Ze względu na strukturę,

m.in. na brak granic ziaren, szkła metaliczne są bardziej podatne na powstawanie i rozprzestrzenianie

się pasm ścinania. Z kolei wrażliwość na cykliczne zmęczenie prowadzi do pękania i ewentualnego

zniszczenia. Aby przeciwdziałać tym niekorzystnym zjawiskom, należy kontrolować powstawanie i

propagację pasm ścinania.

- duża twardość,

- wytrzymałość,

- plastyczność,

- sprężystość,

- odporność na korozję wżerową

- duży opór elektryczny

22. Zasady wytwarzania masywnych szkieł metalicznych ( stopów amorficznych )

zasada A. Inoue

Wykonywanie stopów metali w postaci masywnej przy wykorzystaniu konwencjonalnego procesu

odlewania. Stopy te przy jednoczesnej większej odporności na ścieranie i korozję maja dwa razy większa

wytrzymałość niż stal, są twardsze niż ceramika i mają większą sprężystość. Korzystne właściwości

plastyczne kompozytów o strukturze amorficzno-krystalicznej mogą decydować o ich potencjalnych

zastosowaniach. Szkła metaliczne pochłaniają mniej energii podczas odkształcenia i po odkształceniu

powracają do pierwotnego kształtu. Brak defektów struktury powoduje, że materiał wykazuje szczególne

właściwości mechaniczne

W latach 80. Akihisa Inoue z uniwersytetu w Tohoku oraz William Johnson z Caltech odkryli nowe stopy

na osnowie La, Mg, Zr, Pd, Fe, Cu i Ti amorfizujące się przy zastosowaniu prędkości odlewania od 1°C/s

do 100°C/s, a więc podobnie jak szkła tlenkowe. Pozwoliło to na zwiększenie krytycznej grubości

wlewka powyżej 1 cm w konwencjonalnym procesie odlewania do formy. W 1988 r.

Inoue odkrył że stopy z udziałem metali ziem rzadkich oraz Al, np. La-Al-TM (TM = Ni, Cu), łatwo się

amorfizują. Kolejną grupą stopów ulegających zeszkleniu są stopy Mg-TM-Y, a także stopy na osnowie

Zr. Na uniwersytecie Caltech w 1992 r., w ramach projektu dotyczącego badania nad materiałami

konstrukcyjnymi na potrzeby lotnictwa, wynaleziono stop Zr41,2Ti13,8Cu12,5Ni10Be27,5 znany jako

Vitreloy1 – pierwsze komercyjne masywne szkło metaliczne. Od tego czasu powstało wiele stopów o

podobnym składzie.

23. Czynniki wpływające na zdolność zeszklenia stopów amorficznych

- skład chemiczny

- zanieczyszczenia

Dodanie około 1,5% itru ma znaczenie kluczowe: spowalnia on wzrost kryształów pojawiających się

zwykle w czasie stygnięcia stali; w miejsce itru można także zastosować inny spośród lantanowców

24. Metody wytwarzania stopów amorficznych

Zazwyczaj stopy te otrzymuje się przez bardzo szybkie schłodzenie cieczy o składzie zapewniającym

dużą zdolność do zeszklenia (szybkość chłodzenia wynosi zwykle 105-106 K/s).

a) Natryskiwanie naddźwiękowe powłok HVOF powoduje utworzenie warstw powierzchniowych o

znacznej twardości i niskim współczynniku tarcia, odpornych na korozję, ścieranie oraz działanie

wysokich temperatur i umożliwia stosowanie takich materiałów, jak Fe, Al czy Ti w niekorzystnych

warunkach zewnętrznych, np. w wodzie morskiej. Powłoki o strukturze szkieł metalicznych są twarde,

gładkie i odporne na ścieranie. Ich twardość jest o 10 – 20% większa niż powłok chromowanych.

Współczynnik rozszerzalności cieplnej, podobny jak dla stali, powoduje znaczną odporność na termiczne

obciążenia cykliczne.

b) firma AlliedSignal opracowała inną metodę otrzymywania szkieł metalicznych o składzie Fe-Ni-P-B,

a mianowicie ciągłe odlewanie na wirujący walec. Tą metodą otrzymuje się materiał w postaci taśmy o

grubości kilku mikrometrów. Technologia została skomercjalizowana pod nazwą Metglas we wczesnych

latach 80. i zastosowana do produkcji materiałów na rdzenie transformatorowe o niskich stratach mocy.

c) Alternatywnie opracowano metodę szybkiego chłodzenia kropelek ciekłego stopu nanoszonych na

ochłodzoną powierzchnię. Jednak aby uzyskać masywne szkła metaliczne, należało znaleźć metodę

zmniejszenia prędkości chłodzenia ciekłego stopu.

Możliwe jest także wytwarzanie amorficznych stopów metodami elektrochemicznymi.