Plastisk deformasjon i metaller

RA nov 2007
Plastisk deformasjon i metaller
PS
τ = = σcos
α ⋅ cosβ
A
σ
S
Figur 2. Plastisk flyt i korn.
Dannelse av glidelinjer skjer
først i korn der glideplanene
står 45° på strekkspenningen
σ
Metall-B 1

RA nov 2007
Glidelinjer i stål st
S235-type. Differensialinterferenskontrast, 500X
RA2003
Metall-B 2

RA nov 2007
Glidning av atomplan
ε
1
σ↵
σ y
45°
! flytegrensen er ikke så høy !
Det må være noe vi ”glemmer”
τ
Metall-B 3

RA nov 2007
Dislokasjoner
Ved plastisk deformasjon vandrer dislokasjoner (linjedefekter) i glideplanene
Metall-B 4

RA nov 2007
Dislokasjoner
Metall-B 5

RA nov 2007
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
Dislokasjoner
Metall-B 6

RA nov 2007
Annihilering
av dislokasjon
Formering av dislokasjoner
Dieter: Mechanical Metallurgy
Metall-B 7

RA nov 2007
Plastisk flyt i metaller
• Skjer alltid som skjærdeformasjon (som følge av
skjærspenninger)
• 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)
Metall-B 8

RA nov 2007
Herdemekansimer
Metall-B 9
• 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.
• Ved at materialet er finkornet, korngrenseherding. Mange korngrenser
gjør dislokasjonsvandringen tyngre. Denne herdemekanismen er den
som går minst ut over seigheten og er derfor gunstig

RA nov 2007
• Hensikt: Oppnå bedre fasthet og seighet
– varme til austenittiseringstemperatur (γområdet),
holde til homogenisering
(diffusjonsutjevning, ca 30 min)
Seigherding av stål st
– Bråkjøle, vi får hard martensitt =
øyeblikksdannet ferritt med tvangsløst karbon
– Anløpe ved 300 – 600 °(1/2 – 1 time), sette i gang
diffusjon slik at cementitt dannes, men nå som
små perler (ikke perlitt)
www.doitpoms.ac.uk
Metall-B 10

RA nov 2007
• Hensikt: kornforfining og / eller
polygonalisering av korn (bedre seighet)
– varme til austenittiseringstemperatur
(γ-området), holde til homogenisering
(diffusjonsutjevning, ca 30 min)
– Kjøle rolig slik at det blir normal
transformasjon til ferritt-perlitt
Normalisering av stål st
Støpt stål før og etter normalisering
www.doitpoms.ac.uk
Metall-B 11

RA nov 2007
Deformasjonsherding
Hensikt: øke fastheten, lage lette og høyfaste
produkter
Tynnplater og profiler, blanke, ofte elektroforsinket
Eksempel, letthimling (usg-europe)
Kaldvalsing
Varmvalset
Kaldvalset
Metall-B 12
www.doitpoms.ac.uk

RA nov 2007
Termomekanisk behandlede stål st
Mikrolegerte stål st
• TMCP:Thermo- mechanically controlled processing
• HSLA: High strength low alloy, også betegnet mikrolegering
• TMCP: En komplisert prosess der det startes med varmvalsing (i austenitttilstand).
Legeringselementer feller ut kornstørrelsekontrollerende
partikler. Kjølingen er aksellerert med vann mellom valsestegene.
Transformasjonen til ferritt og karbid skjer under deformasjon
• Korngrenseherding
• partikkelherding
• deformasjonsherding
• Høyfaste konstruksjonsprofiler i S355 og S460 typer stål, men også plater
med ennå høyere fasthet
• Høy fasthet, god seighet, god sveisbarhet
Metall-B 13

RA nov 2007
Ståltype
Velg rett tilsatsmaterial
Velg rett prosedyre
Sveising
Fugepreparering
Evt. forvarming
En eller flere strenger
B.A. Gustafsson:
Tilvirkningsteknikk
Metall-B 14

RA nov 2007
Ved smeltesveising
gjentas hele
”stålhistorikken”
Sveismetallet er svært
rent, blir til meget
finkornet struktur
Varmepåvirket sone
(HAZ) er utsatt for
skadelig påvirkning
Noe av det verste er
fukt under ukontrollerte
forhold, vil gi
hydrogensprøhet i
sveisen
Sveiseprosedyren er
viktig!
Sveising
Metall-B 15

Sveising
Jo mer karbon det er i et stål, jo hardere vil det bli ved raskt avkjøling.
Jo mer det finnes av legeringselementer i et stål, jo vanskeligere er det for karbonet å
diffundere slik at deannes karbidaggregater, dvs. det vil også føre til økt hardhet.
Det er derfor strenge krav til legeringsinnholdet i et stål som skal sveises.
Dette uttrykkes med en ”karbonekvivalent”. Dette er en empirisk størrelse og det finnes
forskjellige formler.
Her er to vanlige:
C
C
eq
eq
Mn
= C+ ≤ 0,32%
10
Mn Cr+Mo+V Ni+Cu
= C+ + + ≤
0, 41%
6 5 15

Det er vanlig å teste en sveis med hardhetsmåling.
Sveising, hardhet
Hardhet måles med forskjellige metoder, vanligst i europa er
Vickers hardhet. En pyramideformet diamantspiss trykkes
ned i underlaget med kraften F [N]. Hardhetsverdien er da
0,1891 2
F
HV = ,
d
d1 + d2
der d er diagonalen av inntrykket, d =
2
Det er vanlig å kreve at hardheten ved testsveising på en
materialprøve av samme type som den virkelige
konstrukjonen er under 300 HV (prosedyre-kvalifikasjon)
Dersom harheten i sveisen blir for høy, er det fare for sprøbrudd fordi dette gir områder med forhøyet
flytespenning.
Når sveisen blir kald, trekker den seg sammen. De termiske spenningene vil nå opp i flytespenningen for
materialet. Det er derfor viktig at både grunnmetall, sveisetilsett og varmepåvirket sone har god duktilitet

RA nov 2007
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.
Metall-B 18

RA nov 2007
Herding av aluminium. Partikkelherding
Metall-B 19

RA nov 2007
Fasediagrammet
Utherdbar aluminiumlegering
Strukturen som støpt
Metall-B 20

RA nov 2007
Innherding
Metall-B 21

RA nov 2007
Figur 1 Homogenisert
Figur 2 Diffusjon til
begynnende partikler,
GP-soner
Utherdingen
Figur 3 Koherente
partikler
Anmerkning: partiklene etter overelding er egl. svært mye større enn de koherente
partiklene (og langt færre)
Metall-B 22
Figur 4 Overelding,
koherensbrudd

RA nov 2007
Prosessoptimalisering
Metall-B 23

RA nov 2007
Forskjellige utherdbare Al-legeringer
Al legeringer
Metall-B 24

RA nov 2007
Legeringselementer
Varmebehandling
Kaldbearbeiding
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
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.
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
Metall-B 25