Strona główna

Przemiany fazowe II. Przemiany bezdyfuzyjne. Efekt pamięci kształtu


Pobieranie 33.24 Kb.
Data18.06.2016
Rozmiar33.24 Kb.

Temat



Przemiany fazowe II. Przemiany bezdyfuzyjne.

Efekt pamięci kształtu.





Przemiana martenzytyczna

Przemiana martenzytyczna jest przemianą bezdyfuzyjną i zachodzi przy dużym przechłodzeniu austenitu do temperatury M.s, początku tej przemiany, w przypadku dużej liczby stali mniejszej nawet od ok. 200C, przy chłodzeniu z szybkością większą od krytycznej vk­. W wyniku tej przemiany powstaje martenzyt, czyli przesycony roztwór węgla w żelazie . Przemiana martenzytyczna zachodzi pod warunkiem ciągłego obniżania temperatury w zakresie od temperatury początku przemiany Ms, do temperatury M.f – jej końca. Wartości temperatury M.s i M.f zależą od skladu chemicznego austenitu i obniżają się ze zwiększeniem stężenia węgla w austenicie oraz wszystkich niemal dodatków stopowych z wyjątkiem Al i Co.

Przemiana martenzytyczna rozpoczyna się od utworzenia w austenicie embrionów, tj. zarodków pierwotnych, którymi mogą być błędy ułożenia, źródła Franka–Reada, defekty sieciowe w austenicie, w tym pętle dyslokacji i równolegle ułożone dyslokacje śrubowe. Zarodkami przemiany martenztycznej są embriony, które przekraczają wielkość krytyczną. Z upływem czasu przemiany następuje autokataliza polegająca na przyspieszeniu zarodkowania. Tworzące się zarodki odkształcają bowiem otaczającą osnowę i sprzyjają powstawaniu nowych zarodków.

Podczas przemiany martenzytycznej następuje skoordynowane przemieszczenie atomów bez zmiany sąsiadujących atomów dziedziczonych z austenitu. Wszystkie atomy podlegają małym przemieszczeniom o ułamek odległości międzyatomowej względem atomów sąsiednich. W wyniku tego następuje charakterystyczny relief powierzchni austenitu, związany z nachyleniem powierzchni odpowiadającym każdej płytce lub listwie martenzytu. Granice ziarn martenzytu są położone wzdłuż nieodkształconej i nie ulegającej obrotowi płaszczyzny austenitu, zwanej płaszczyzną habitus. Płaszczyzna habitus jest zwykle zbliżona do {225} – w przypadku powstawania martenzytu listwowego lub {259} – w przypadku tworzenia się martenzytu płytkowego.

Przemiana martenzytyczna może przebiegać:


  • atermicznie przez tworzenie się kryształów martenzytu z austenitu w ciągu 10-7 s bez aktywacji cieplnej,

  • wybuchowo w kilku wybuchach zachodzących wyłącznie poniżej 0C,

  • izotermicznie, zwłaszcza gdy temperatura M.s jest wysoka, a przemiana jest funkcją czasu i zależy od małej szybkości zarodkowania aktywowanego cieplnie. Przemianę martenzytyczną ułatwiają naprężenia rozciągające i odkształcenie plastyczne. Temperatura początku przemiany martenzytycznej austenitu odkształconego plastycznie w temperaturze niższej od temperatury rekrystalizacji jest oznaczana M.d i jest wyższa od temperatury M.s stali nieodkształconej plastycznie przed rozpoczęciem przemiany.

W wyniku przemiany martenzytycznej w stalach mogą utworzyć się dwa rodzaje martnzytu: listwowy i płytkowy.
Przemiana martenzytyczna -w polimorficznych ciałach stałych podczas chłodzenia może występować bezdyfuzyjna przemiana martenzytyczna polegająca na skoordynowanym ruchu atomów na odległości mniejsze od parametrów komórki strukturalnej, przy zachowaniu składu chemicznego fazy wyjściowej i produktu przemiany. Spowodowana jest przemianą alotropową bez możliwości dyfuzji.
Martenzyt- jest to przesycony węglem ferryt o sieci tetragonalnej przestrzennie centrowanej. Stopień tetragonalności martenzytu zależy od zawartości węgla w roztworze stałym.

Martenzyt powstaje podczas ciągłego oziębiania austenitu w zakresie temperatur początku przemiany martenzytycznej i temperatur końca przemiany martenzytycznej. Obie temperatury zależą od zawartości węgla oraz składników stopowych . Objętość właściwa martenzytu jest około 3% większa od objętości właściwej austenitu . W austenicie wraz z rozwojem przemiany powstają naprężenia ściskające utrudniające tworzenia się martenzytu.. Po zakończeniu przemiany w strukturze pozostaje pewna ilość austenitu nazywanego- austenitem szczątkowym.


Przemieszczenie atomów podczas przemiany martenzytycznej można rozpatrywać makroskopowo jako jednorodne proste ścinanie kolejnych warstw atomów względem płaszczyzny niezmienniczej .

Utworzenie martenzytu towarzyszy najczęściej duże naprężenie wewnętrzne powodujące wstąpienie reliefu na wypolerowanej powierzchni próbki.

Dowolne odkształcenie kryształu można rozpatrywać jako połączenie prostego przemieszczenia i sztywnego obrotu. Podczas przemiany martenzytycznej sumowanie się odkształceń nie może spowodować zmiany struktury krystalicznej martenzytu . Można to uzyskać przez wykorzystanie mechanizmu poślizgu i bliźniakowania .

Martenzyt powstaje w wyniku heterogenicznego zarodkowania na defektach sieciowych. Płytki martenzytu rosną z prędkością około 0,3 prędkości dźwięku.




Mechanizm przemiany martenzytycznej:

Poślizg – powoduje nieodwracalne zmiany kształtu, powstaje na skutek działania naprężeń stycznych i polega na przemieszczaniu jednej części kryształu względem drugiej po uprzywilejowanej płaszczyźnie przy czym budowa krystaliczna obu części kryształu pozostaje niezmieniona.

Rozróżniamy poślizg: styczny- zachodzi jednocześnie na całej płaszczyźnie poślizgowej, dyslokacyjny- przebiega przy współudziale dyslokacji ruchliwych przemieszczających się w danej płaszczyźnie poślizgu.



Bliźniakowanie – polega na jednakowym ściskaniu kolejnych warstw kryształu o wektor bliźniakowania. Skutkiem tego jest obrót kryształu w taki sposób, że pozostała jego część jest zwierciadlanym odbiciem względem określonej płaszczyzny zwanej płaszczyzną bliźniakowania.
Schematyczne wykresy przemian austenitu przechłodzonego stali węglowej podeutektoidalnej.
CTPi przy chłodzeniu izotermicznym CTPC przy chłodzeniu ciągłym



Czas




Czas



Zjawisko pamięci kształtu- polega na tym, że element o określonym kształcie początkowym, odkształca się plastycznie, a następnie poddaje działaniu temperatury charakterystycznej dla danego stopu, która powoduje powrót elementu do kształtu początkowego. Powracanie do kształtu początkowego wiąże się wyzwalaniem energii która może wykonać prace mechaniczną.
Najprostszym modelem zjawiska pamięci kształtu jest tzw. jednokierunkowy efekt pamięci kształtu. W zależności od stanu początkowego polega on na:

przemianie martenzytycznej wywołanej w przedmiocie obrabianym prze obróbkę plastyczną, która nadaje mu żądany kształt, a następnie nagrzaniu do temperatury charakterystycznej, powodującej zajście odwrotnej przemiany martenzytycznej w fazę macierzystą, dzięki czemu element powraca do swego pierwotnego kształtu.


Schemat tej reakcji przedstawiam poniżej:

odkształcanie

FAZA MACIERZYSTA FAZA MARTENZYTYCZNA

nagrzewanie
Przemianach struktury martenzytycznej, która powstaje w elemencie poprzez hartowanie, następnie odkształcenie plastyczne powodujące reorientacje martenzytu, a następnie w wyniku ogrzewania powrót do kształtu pierwotnego w dwóch etapach: powrotu do martenzytu hartowania a następnie w wyniku dalszego ogrzewania do przemiany tego martenzytu w strukturę macierzystą.

Przemiana ta przebiega według schematu przedstawionego poniżej:


hartowanie odkształcanie

FAZA MACIERZYSTA MARTENZYT MARTENZYT ODKSZTAŁCONY

nagrzewanie nagrzewanie


Możliwość wykorzystania elementów z metali z pamięcią kształtu spowodowało wprowadzenie nowych zasad konstrukcyjnych. Umożliwiły one znaczne uproszczenie konstrukcji i miniaturyzacje produktów. Wykorzystywane są one do produkcji:


  • trwałych połączeń mechanicznych i elektrycznych,

  • temperaturowe zawory bezpieczeństwa w instalacjach gazowych,

  • systemu regulacji dopływu paliwa i powietrza w silnikach,

  • czujniki termopar,

  • elementy magazynujące energię,

  • elementy zastępujące bimetale,

  • silniki cieplne



Jako zastosowania w medycynie stopów z pamięcią kształtu można wymienić:

- klamry do leczenia złamanych kości

- płytki implantacyjne

- tulejki dystansowe do lokalnego usztywnienia kręgosłupa



  • druty w ortodoncji



Stopy Fe-Cr-Ni stosuje się na implanty dla krótkiego czasu implantacji, natomiast stopy Ti-Ni dla długich czasów implantacji.
Hartowanie - jest zabiegiem cieplnym polegającym na nagrzaniu przedmiotu do temperatury austenityzowania, wygrzaniu i szybkim chłodzeniu w celu otrzymania struktury martenzytycznej. Stosowanie odpowiedniej temperatury hartowania stali zapewnia otrzymanie drobnoziarnistego austenitu, a przy chłodzeniu drobnoiglastego martenzytu .

Temperaturę austenityzowania dobiera się w zasadzie w granicach 20÷50°C wyższą od Ac3 .

Zalecenie to należy traktować jako orientacyjne i odnoszące do stali węglowych i niskostopowych.

W zależności od rodzaju i zawartości pierwiastków stopowych, wymiarów i kształtu obrabianej części, rodzaju środowiska oziębiającego prawidłowa temperatura austenityzowania może odbiegać od podanych zaleceń.








a) stan po wyżarzaniu 

b) stan po hartowaniu

W zależności od rodzaju stali i sposobu chłodzenia rozróżnia się (rysunek):

  • hartowanie ciągłe (zwykłe)

  • stopniowe

  • z przemianą izotermiczną

Hartowanie prawie nigdy nie stanowi końcowej operacji cieplnej, gdyż obok pożądanego wzrostu  twardości i uzyskania wysokich własności wytrzymałościowych wywołuje niepożądany wzrost naprężeń własnych w metalu

oraz znaczące obniżenie własności plastycznych stali. Dlatego końcową operację po hartowaniu jest  z reguły odpuszczanie.   

Połączenie zabiegów hartowania i odpuszczania średniego lub wysokiego zwane jest ulepszaniem cieplnym.



Wykres równowagi fazowej stopu Fe-Ni



Nitinol to plastyczny związek niklu z tytanem, posiadający pamięć formy. Jego cechy molekularne są zmienne względem temperatury. Przedmiot z nitinolu splazmowanego w wysokiej temperaturze „pamięta" swoją formę i samoczynnie do niej powraca, kiedy temperatura przekracza tę, w której go zmodyfikowano. Nitinol, użyty w 1962 roku przez badaczy amerykańskich do budowania pocisków, jest dziś używany w chirurgii i optyce.
Poniżej przedstawiam dwa elementy wykonane z Nitinolu. Na rysunku 1b zauważyć możemy różne kształty jakie przybiera element. (zastosowanie w medycynie)

rys. 1a rys. 1b



Szukasz gotowej pracy ?

To pewna droga do poważnych kłopotów.

Plagiat jest przestępstwem !

Nie ryzykuj ! Nie warto !



Powierz swoje sprawy profesjonalistom.




©snauka.pl 2016
wyślij wiadomość