Vervorming en herkristallisatie van metalen
(b – c – d).
Inhoudsopgave
Metalen zijn materialen met een kristallijne structuur die onder invloed van externe krachten permanent van vorm kunnen veranderen. Dit fenomeen, dat vervorming wordt genoemd, vormt de basis van plastische bewerking, een belangrijk technologisch proces in de metallurgie en materiaalkunde.
In de industriële praktijk worden metalen onderworpen aan verschillende soorten vervorming, variërend van elastische vervorming, die verdwijnt wanneer de belasting wordt weggenomen, tot plastische vervorming, die resulteert in een permanente verandering van de afmetingen en de interne structuur van het materiaal. Het is dit vermogen tot plastische vervorming dat ervoor zorgt dat metalen kunnen worden gewalst, getrokken, gebogen of gesmeed zonder te worden vernietigd.
Het proces van metaalvervorming gaat gepaard met aanzienlijke veranderingen in de interne structuur, met name op het niveau van het kristalrooster. Dit resulteert in structurele defecten, zoals dislocaties, die enerzijds slippen en vervorming mogelijk maken en anderzijds leiden tot versterking van het materiaal. Overmatige vervorming kan echter leiden tot verlies van plasticiteit en verminderde weerstand tegen verdere bewerking.
Om het metaal zijn oorspronkelijke eigenschappen terug te geven, wordt een herkristallisatieproces toegepast, waarbij de vervormde structuur wordt omgezet in een nieuwe, geordende kristalstructuur, waardoor de plasticiteit en de gunstige eigenschappen worden hersteld.
Inzicht in de mechanismen van vervorming en herkristallisatie is niet alleen cruciaal voor het ontwerpen van technologische processen, maar ook voor het voorspellen van het gedrag van materialen onder bedrijfsomstandigheden. Dit artikel onderzoekt zowel de theoretische grondslagen als de praktische toepassingen van deze verschijnselen, gaande van het atomaire niveau tot industriële omgevingen.
Elastische en plastische vervorming
Onder invloed van externe krachten verandert metaal van vorm en afmetingen. Afhankelijk van de grootte en de duur van deze krachten onderscheiden we twee basistypen van vervorming: elastische en plastische vervorming.
Elastische vervorming
Elastische vervorming is een tijdelijke vervorming die verdwijnt nadat de belasting is weggenomen, wat betekent dat het materiaal terugkeert naar zijn oorspronkelijke vorm en afmetingen. Op atomair niveau is er een verandering in de afstand tussen atomen in het kristalrooster, zonder dat dit permanent verandert. Onder trekkrachten worden de roostercellen langer, terwijl ze onder drukkrachten korter worden.
In het bereik van elastische vervorming bestaat er een lineair verband tussen spanning en relatieve vervorming, dat wordt beschreven door de formule:
\[ \sigma = E \,\cdot\,\epsilon\]
- \(\sigma\) – spanning,
- \(\epsilon\) – relatieve vervorming,
- \(E\) – longitudinale elasticiteitsmodulus (Young’s modulus).
De Young-modulus is een maat voor de stijfheid van een materiaal: hoe hoger de waarde, hoe sneller de spanning toeneemt bij toenemende vervorming. Deze is afhankelijk van het type metaal, het type kristalrooster en de richting van de belasting (vooral in enkelvoudige kristallen).
Naast axiale spanningen kunnen materialen ook tangentiële (schuif)spanningen ondergaan, waardoor de atoomlagen ten opzichte van elkaar verschuiven. Een dergelijke vervorming kan ook elastisch zijn en wordt gemeten met de transversale elasticiteitsmodulus.
Plastische vervorming
Wanneer de kracht de zogenaamde elasticiteitsgrens overschrijdt, begint het materiaal permanent te vervormen – dit is plastische vervorming. Nadat de belasting is weggenomen, keert het monster niet terug naar zijn oorspronkelijke vorm en zijn de veranderingen in de kristalstructuur onomkeerbaar.
Plastische vervorming vindt voornamelijk op twee manieren plaats: door slippen – de verplaatsing van delen van het kristal ten opzichte van elkaar langs de zogenaamde gemakkelijke slipvlakken, waar het metaal de minste weerstand biedt, en door tweelingvorming – de transformatie van een deel van het kristal in een spiegelbeeld van het andere deel, wat vooral voorkomt bij metalen met een hexagonaal of FCC-rooster.
De plasticiteit van een metaal hangt nauw samen met zijn kristalstructuur: hoe meer vlakken en richtingen van gemakkelijke slip er zijn, hoe groter het plastische vervormingsvermogen. In een FCC-structuur (bijv. aluminium) treedt bijvoorbeeld gemakkelijker slip op dan in een hexagonale structuur (bijv. zink, magnesium).
Het vermogen tot plastische vervorming bepaalt de technologische vormgevingsmogelijkheden van een metaal, maar beïnvloedt ook de verdeling van interne spanningen, de vorming van kristallografische textuur en verdere sterkte-eigenschappen van het materiaal.
Microscopische mechanismen van vervorming
Het proces van plastische vervorming van metaal houdt geen uniforme verplaatsing van hele fragmenten van het materiaal in. Dit fenomeen vindt plaats op microscopisch niveau door de lokale verplaatsing van atomen langs specifieke vlakken en richtingen, met als belangrijkste mechanismen slip en tweelingvorming.
Kristalslip
Slip omvat de verplaatsing van delen van een kristal ten opzichte van elkaar langs zogenaamde gemakkelijke slipvlakken, d.w.z. vlakken met de hoogste atoomdichtheid en de laagste weerstand tegen dislocatiebewegingen. Dit fenomeen treedt op wanneer de schuifspanningen in deze vlakken de kritische schuifspanning overschrijden.
De slipvlakken en de richtingen waarin het materiaal beweegt, zijn afhankelijk van de kristalroosterstructuur. Hoe meer van dergelijke structuren er zijn, hoe groter de plasticiteit van het metaal. Daarom is aluminium zeer buigzaam en is magnesium bijvoorbeeld relatief broos.
Afschuiving heeft niet in één keer invloed op het hele kristal, maar begint lokaal en verspreidt zich vervolgens langs het rooster. Op plaatsen waar afschuiving heeft plaatsgevonden, ontstaan karakteristieke afschuiflijnen of -banden, die onder een microscoop zichtbaar zijn.
Twinning
Het tweede mogelijke mechanisme is twinning, waarbij een deel van het kristal ten opzichte van een specifiek vlak, het zogenaamde tweelingvlak, als een spiegelbeeld van het andere deel wordt georiënteerd.
Dit proces vindt vooral gemakkelijk plaats in metalen met een hexagonale structuur en sommige FCC-metalen (bijv. koper, zilver) bij lage temperaturen of tijdens snelle vervorming. Tweelingvorming maakt vervorming mogelijk in gevallen waarin slip beperkt is, waardoor het een speciale rol speelt in metalen met een klein aantal gemakkelijke slipsystemen.
Dislocaties en de theorie van daadwerkelijke slip
Hoewel lange tijd werd aangenomen dat slip de verplaatsing van hele atoomvlakken tegelijk vereist, heeft onderzoek aangetoond dat de daadwerkelijke spanningen die voor een dergelijke verplaatsing nodig zijn, duizenden malen groter zouden zijn dan in de praktijk wordt waargenomen.
De oplossing voor deze tegenstrijdigheid werd gevonden in de dislocatietheorie. Volgens deze theorie vindt slip plaats door de beweging van dislocaties – lineaire defecten in de kristalstructuur. In plaats van de gelijktijdige beweging van het gehele atoomvlak, verloopt de vervorming in fasen, alsof er een “vervormingsgolf” door het kristal beweegt.
Dislocaties kunnen relatief gemakkelijk bewegen, maar hun beweging wordt belemmerd door obstakels zoals andere dislocaties, korrelgrenzen, onzuiverheden of secundaire fasedeeltjes. Naarmate hun aantal toeneemt, treedt een versterkend effect op, wat resulteert in een grotere weerstand tegen verdere slip.
Verplettering en versterking
Tijdens plastische vervorming, vooral onder koude bewerkingsomstandigheden, ondergaat de structuur van het metaal aanzienlijke veranderingen. Dit proces, dat bekendstaat als verplettering, omvat permanente vervorming van het metaal, gepaard gaande met een toename van de dichtheid van dislocaties en andere netwerkdefecten. Deze veranderingen hebben een aanzienlijke invloed op de mechanische en fysisch-chemische eigenschappen van het materiaal.
Verplettering
Naarmate de verplettering toeneemt:
- Het aantal dislocaties begint toe te nemen en vormt complexe, onregelmatige netwerken.
- Bij grotere vervormingen (10-25%) ontstaan continue wanden die gebieden met minder defecten omringen, de zogenaamde cellen.
- Verdere vervorming leidt tot een concentratie van dislocaties in de wanden en veranderingen in de vorm van de cellen.
Als gevolg hiervan raakt de structuur van het metaal ernstig vervormd en neemt het vermogen tot verdere vervorming af. Ook andere eigenschappen van het metaal veranderen: de elektrische geleidbaarheid neemt af, de coërciviteit en het restmagnetisme nemen toe, de oplosbaarheid in zuren neemt toe en de dichtheid neemt af terwijl het soortelijk gewicht toeneemt.
Verplettering verandert niet alleen de vorm van de korrels, maar ook hun ruimtelijke oriëntatie, wat leidt tot de vorming van een zogenaamde vervormingstextuur – een structurele ordening die kenmerkend is voor een specifieke vervormingsrichting (bijv. walsen, trekken).
Verharding van metaal
Een toename van de dislocatiedichtheid leidt tot een fenomeen dat verharding wordt genoemd. Dit houdt in dat de beweging van volgende dislocaties steeds meer wordt belemmerd door bestaande obstakels (andere dislocaties, korrelgrenzen, insluitsels), zodat steeds grotere krachten nodig zijn om de vervorming voort te zetten.
De effecten van verharding zijn zichtbaar in de eigenschappen van het metaal: de vloeigrens neemt toe, terwijl de treksterkte en hardheid ook toenemen; omgekeerd nemen plastische eigenschappen zoals rek, insnoering en slagvastheid af.
Deze verschijnselen zijn bijvoorbeeld geïllustreerd in studies van zuiver ijzer, waar een aanzienlijke toename van de sterkte werd waargenomen, samen met een afname van de ductiliteit bij toenemende mate van vervorming.
Herkristallisatie
Na intense plastische vervorming wordt de metaalstructuur gekenmerkt door een hoge dichtheid aan defecten, voornamelijk dislocaties en kristalroostervervormingen. Dergelijk materiaal bevindt zich in een energetisch instabiele toestand, met een veel hogere interne energie dan gegoten of gegloeid metaal. Om de oorspronkelijke eigenschappen te herstellen, wordt een herkristallisatieproces uitgevoerd, waarbij het metaal wordt verwarmd om de juiste kristalstructuur te herstellen.
Fasen van het herkristallisatieproces
- Genezing vindt plaats bij relatief lage temperaturen (bijvoorbeeld voor ijzer ongeveer 300-400 °C), puntdefecten diffunderen, tegengestelde dislocaties worden vernietigd en dislocaties herschikken zich; de structuur verandert niet zichtbaar onder een microscoop, maar de fysische (bijvoorbeeld geleidbaarheid) en mechanische eigenschappen verbeteren licht.
- Polygonisatie – dislocaties herschikken zich en vormen zogenaamde subkorrelgrenzen. Er ontstaan gebieden met licht verschillende kristaloriëntaties, die de interne energie van het materiaal verminderen. Dit is een vorm van interne herschikking die leidt tot structurele stabilisatie, maar zonder volledige korreldisintegratie.
- Primaire herkristallisatie begint boven de zogenaamde herkristallisatietemperatuur, in gebieden met een hoge dislocatiedichtheid. Er worden nieuwe korrelkernen gevormd, vrij van defecten; deze kernen groeien ten koste van de vervormde structuur totdat deze volledig is vervangen. Het metaal krijgt zijn plasticiteit en homogeniteit terug.
- Korrelgroei – na herkristallisatie kunnen de korrels blijven groeien en treedt spontane vergroting van grote korrels ten koste van kleine korrels op, waardoor het totale korrelgrensoppervlak en daarmee de energie van het systeem afneemt. Onder ongecontroleerde gloeicondities kan abnormale korrelgroei optreden, wat resulteert in de vorming van enkele, zeer grote korrels, wat ongewenst is in structuren die een hoge sterkte vereisen.
Herkristallisatie verhoogt de plasticiteit van het metaal, herstelt de mechanische en technologische eigenschappen, maakt het materiaal homogener en voorspelbaarder en vermindert interne spanningen en broosheid. Dit proces wordt in de praktijk toegepast als zogenaamde herkristallisatiegloeien, wat bijvoorbeeld nodig is bij trekken, walsen, buigen en andere plastische bewerkingen, zowel tussen bewerkingen als aan het einde van de verwerking.
Temperatuur en factoren die herkristallisatie beïnvloeden
De herkristallisatietemperatuur is de laagste temperatuur waarbij binnen een uur volledig herstel van de door vervorming vervormde structuur plaatsvindt. Deze waarde is niet constant – hij hangt af van verschillende factoren, waaronder het materiaal, de grootte van de vervorming, de zuiverheid van het metaal en de koelmethode. Voor de meeste zuivere metalen ligt de herkristallisatietemperatuur tussen 0,3 en 0,5 keer het smeltpunt (uitgedrukt in Kelvin).
Door de herkristallisatieomstandigheden te regelen, kan de microstructuur worden aangepast aan de technologische eisen, wordt de ductiliteit van het materiaal vóór verdere verwerking verbeterd en wordt de gewenste korrelgrootte bereikt, wat op zijn beurt weer van invloed is op eigenschappen zoals hardheid, vermoeiingsweerstand en elektrische geleidbaarheid.
Te hoge temperaturen of te lange gloeitijden kunnen echter leiden tot overmatige korrelgroei, waardoor het metaal verzwakt en zijn eigenschappen verslechteren. Daarom vereist het herkristallisatieproces een nauwkeurige selectie van parameters.
Factoren die de herkristallisatietemperatuur beïnvloeden
- Mate van vervorming – hoe groter de vervorming, hoe groter de dislocatiedichtheid, hoe meer plaatsen voor nieuwe korrelvorming en dus hoe lager de temperatuur die nodig is voor herkristallisatie. Bij zeer geringe vervorming (minder dan 5-10%) vindt het herkristallisatieproces mogelijk helemaal niet plaats.
- Chemische zuiverheid van het metaal – zuivere metalen herkristalliseren gemakkelijker en bij lagere temperaturen; de aanwezigheid van onzuiverheden (bijv. koolstof, zwavel, fosfor) belemmert de beweging van de korrelgrenzen, waardoor de herkristallisatietemperatuur stijgt.
- Korrelgrootte vóór vervorming – metalen met een fijnkorrelige structuur vóór vervorming hebben meer grenzen, wat de nucleatie vergemakkelijkt, terwijl grofkorrelige structuren een grotere oververhitting vereisen.
- Afkoelsnelheid na vervorming – langzame afkoeling bevordert genezing en polygonisatie, gevolgd door herkristallisatie, terwijl snelle afkoeling (blussen) het transformatieproces kan stoppen, waardoor een verbrijzelde structuur achterblijft.
- Vervormingstextuur en interne spanningen – gebieden met intense verbrijzeling of ongunstige kristallografische oriëntaties herkristalliseren sneller. Sommige korreloriëntaties kunnen preferentiële groei veroorzaken, wat leidt tot de vorming van een herkristallisatietextuur.
Materiaalvernietiging
Metaalvernietiging is de laatste fase van de mechanische bewerking – het moment waarop het materiaal zijn continuïteit verliest en zijn structurele functie niet meer vervult. Afhankelijk van de belastingsomstandigheden, de temperatuur, de interne structuur en het type materiaal kan vernietiging op twee manieren plaatsvinden: als brosse breuk of als ductiele breuk.
Brosse breuk
Brosse breuk ontstaat wanneer het materiaal plotseling breekt zonder voorafgaande plastische vervorming. Het wordt gekenmerkt door: geen verlenging of versmalling van het monster, een breukvlak, vaak met karakteristieke schelpachtige patronen, een luide, “glasachtige” breuk en een hoge breuksnelheid.
Dit mechanisme domineert in metalen met een lage plasticiteit (bijv. gietijzer, sommige geharde staalsoorten), met name bij lage temperaturen, onder dynamische of stootbelastingen en in aanwezigheid van defecten, inkepingen en reeds bestaande scheuren, die als spanningsconcentratoren werken. Brosse breuk is transkristallijn (door de korrels heen) of interkristallijn (langs de korrelgrenzen) van aard, afhankelijk van de microstructuur en de aanwezige onzuiverheden.
Ductiele breuk (afschuifbreuk)
Ductiele breuk komt voor in materialen die vóór het breken een aanzienlijke plastische vervorming ondergaan. Kenmerken zijn onder meer aanzienlijke rek van het monster, vernauwing op het breekpunt (de zogenaamde hals), een breukoppervlak met een ruwe, vezelachtige structuur en vernietiging als gevolg van dislocatiebeweging en de groei van microscheurtjes.
Dit type breuk is kenmerkend voor zachte en gemakkelijk vervormbare metalen (bijv. koper, aluminium) die bij kamertemperatuur of verhoogde temperaturen en onder statische of langzaam toenemende belastingen worden gebruikt. Afschuifbreuk kan als “veiliger” worden beschouwd omdat het een waarschuwingssignaal geeft – vervorming – voordat het materiaal volledig breekt.
Het type breuk hangt af van vele factoren, waaronder temperatuur – lagere temperaturen bevorderen broosheid, belastingssnelheid – hoe sneller, hoe groter het risico op bros breken, structuur en chemische samenstelling – onzuiverheden kunnen intergranulaire broosheid veroorzaken, aanwezigheid van oppervlaktefouten – bevorderen breuk zonder vervorming, en duur van de belasting – langdurige belasting kan leiden tot kruip en breuk bij lage spanningsniveaus.
Mechanische eigenschappen van metalen
Om te beoordelen hoe een metaal zich onder mechanische belasting zal gedragen, moeten geschikte laboratoriumtests worden uitgevoerd om de sterkte, ductiliteit, hardheid en weerstand tegen breuk en kruip te bepalen. De resultaten van deze tests vormen de basis voor de keuze van een materiaal voor een specifieke technische toepassing.
Trekproef
Een van de basistests is de trekproef, waarmee de elasticiteitsmodulus (E), de vloeigrens, de treksterkte en de relatieve rek en oppervlaktevermindering kunnen worden bepaald.
Op basis van de trekproef wordt een spanning-rekdiagram opgesteld, dat de vervorming van het metaal van de elastische fase via de plastische fase tot aan de breuk laat zien. Deze test levert belangrijke informatie over het gedrag van het materiaal onder statische werkomstandigheden.
Hardheidstests
Hardheid is de weerstand van een materiaal tegen blijvende vervorming onder invloed van een harder lichaam. De meest gebruikte methoden zijn Brinell (HB) – een stalen kogel, Vickers (HV) – een diamantpiramide en Rockwell (HR) – een stalen kegel of kogel. Hardheid hangt samen met andere mechanische eigenschappen: hoe harder het metaal, hoe groter de sterkte, maar vaak ook hoe lager de ductiliteit.
Slagproeven
Deze worden gebruikt om de weerstand van metaal tegen snelle dynamische belastingen te beoordelen. Ze worden uitgevoerd met behulp van de Charpy-slinger (inkepingstest) en de Izod-slinger. Het resultaat wordt weergegeven als de hoeveelheid energie die nodig is om het monster te breken, wat het gedrag van het materiaal onder slagbelasting illustreert. Dit is bijvoorbeeld cruciaal in de automobiel-, spoorweg- en luchtvaartindustrie.
Kruip
Kruip is de langzame, progressieve vervorming van metaal onder invloed van een constante belasting en temperatuur. Bij de test wordt een langdurige belasting op het monster uitgeoefend en wordt de vervorming in de loop van de tijd gemeten. Dit is van groot belang bij de keuze van materialen voor onderdelen die bij hoge temperaturen worden gebruikt, zoals turbines, ketels en reactoren.
Moderne beoordelingsmethoden
Naast klassieke tests worden steeds vaker niet-destructieve methoden en geavanceerde microscopische technieken gebruikt, zoals EBSD-analyse (elektronenachterwaartse verstrooiing), SEM/TEM-microscopie, ultrasone en röntgentests en nanometrische hardheidstests (nano-indentatie). Deze methoden maken het mogelijk om de structuur, defecten en mechanische eigenschappen met uiterste precisie te onderzoeken zonder het monster te vernietigen.
Vervorming en herkristallisatie van metalen – samenvatting
Inzicht in de mechanismen van vervorming en herkristallisatie in metalen is zowel vanuit wetenschappelijk als vanuit technisch oogpunt van cruciaal belang. De manier waarop een metaal reageert op spanning bepaalt niet alleen de duurzaamheid en betrouwbaarheid, maar ook de vervormbaarheid en verwerkbaarheid ervan.
Door bewuste controle van de interne structuur van een materiaal, door middel van de juiste keuze van vervormings- en warmtebehandelings omstandigheden, kunnen de mechanische eigenschappen worden geoptimaliseerd, wat in bijna alle industriële sectoren wordt toegepast: van machinebouw en luchtvaart tot kernenergie.
Kennis van deze processen is niet alleen theorie, maar een instrument voor bewust materiaalontwerp, afgestemd op de werkelijke gebruiksomstandigheden
