Konference TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ - PLZEŇ 2004 RENTGENOGRAFICKÉ SLEDOVÁNÍ ZMĚN, KE KTERÝM DOCHÁZÍ VE STRUKTUŘE MATERIÁLU PŘI OBRÁBĚNÍ X-RAY DIFFRACTION MONITORING OF CHANGES IN MATERIALS STRUCTURE PRODUCED BY MACHINING Jan Žižka1, Jaroslav Fiala2, Michal Kolega2 a Tomáš Baroch2 Annotation: Machining changes the materia/s structure, which in its turn influences the machining process. The changes appearing in the structure are difficuit to be observed under a microscope. In the present contribution, we inform on an x-ray diffraction technique capable or monitoring some structural changes easier.
Keywords: structure, machining, x-my diffraction
1. ÚVOD Snaha obrábět různé součásti provází člověka již po dlouhá tisíciletí, v podstatě od doby kamenné. Bez větších teoretických znalostí byla tato snaha obrábět úspěšná a to pouze na základě empirických poznatků, že materiál nástroje by měl být tvrdší než materiál obráběný. Dnešní moderní velmi výkonné obráběcí stroje, vybavené moderními nástroji dokáží obrábět moderní, většinou značně obtížně obrobitelné materiály, přesto v mnohých případech úspěšného obrábění chybí znalosti a povědomí o tom, k čemu vlastně dochází v obráběné vrstvě. Odřezávaná vrstva opouští obráběný materiál v podobě třísky, kterou málokdo v průmyslové praxi považuje za hodnou předmětu cíleného vědeckého bádání. Přesto tříska, která je mnohdy považována za pouhý odpad, nese informace o dějích, které proces jejího utváření doprovázely. V třísce je "zakonzervována" detailní informace o jejím vzniku, kterou by bylo možné přečíst, pokud bychom to uměli. Přímé pozorování a teoretická analýza jsou nezbytné kroky k vyjasnění dějů doprovázejících utváření třísky. Je zřejmé, že k pochopení dějů utváření třísky by bylo ideální přímé pozorování dynamických dějů během vlastního řezání. První nápad je použít k pořízení záznamu dějů vzniku a tvorby třísky vhodnou, nejlépe rychlostní videokamerou. První překážkou v použití dané metody bude to, že pozorované děje jsou skryty před kamerou vrstvou opticky neprůhledného materiálu obrobku, nástroje, popřípadě chladící kapaliny. Poznamenejme, že využití opticky transparentního nástroje, vyrobeného např. z diamantu nebo safíru [1] je velmi sporadické, vzhledem k omezeným rozměrům nástroje a jeho pořizovací ceně. 1
Prof. Ing. Jan Žižka, CSc., Fakulta strojní Technické university v Liberci, Hálkova 6, 461 17 Liberec; Prof. RNDr. Jaroslav Fiala, CSc., Ing. Michal Kolega, Ph.D., Tomáš Baroch: Nové technologie - Výzkumné centrum při Západočeské universitě v Plzni, Universitní 8, 306 14 Plzeň 2
Nezbývá než oželet dynamickou informaci a zabývat se "zakonzervováním" děje pomocí přerušovače řezu [1], který nám umožní získat vzorek s kořenem třísky. Výzkum vzorku se většinou provádí pomocí mikroskopu. Avšak některé změny, ke kterým ve struktuře materiálu dochází, se mikroskopem zjišťují obtížně. Cílem předkládaného příspěvku je upozornit na rentgenografickou metodu, která umožňuje sledovat některé strukturní změny snáze a mohla by tak dopomoci k lepšímu pochopení procesu tvorby třísky a utváření nových povrchů třískovým obráběním. 2. OVLIVNĚNÍ STRUKTURY OBRÁBĚNÍM Třískovým obráběním dochází k velké plastické deformaci obráběného materiálu v místě, kde do něj vniká břit řezného nástroje (obr.1). Materiál se přitom také zahřívá a rekrystalisuje. Hodnocení plastické deformace a rekrystalisace světelnou mikroskopií bývá ošidné. Vnější vzhled strukturních složek, tak jak se jeví pod mikroskopem, totiž často maskuje podstatu vnitřních změn, ke kterým ve struktuře v důsledku obrábění došlo. Mnohem spolehlivější technikou pro monitorování vlivu obrábění na strukturu je rtg difrakce [2,3].
Obr.1. Obráběním dochází k velké plastické deformaci mikrostruktury materiálu 3 . RTG STRUKTURNÍ ANALYSA Rentgenogram, vznikající interferencí rtg záření buzeného v jednotlivých atomech primárním svazkem, je totiž mnohem citlivější ke změnám rozložení atomů v důsledku plastická
deformace a rekrystalisace než zobrazení struktury ve světelném mikroskopu. Je to způsobeno rozdílností vlnové délky rtg záření a světla jakož i mechanismu, kterým tyto dva druhy záření interagují s hmotou [4, 5]. Plastická deformace vnese do krystalové struktury materiálu velké množství defektů, které se rekrystalisací postupně odstraňují. Zatímco ideální krystalovou strukturu lze díky její translační symetrii popsat několika málo parametry vyjadřujícími ustrojení base (základní buňky krystalové struktury resp. její asymetrické části), exaktní popis struktury reálného materiálu po plastické deformaci by vyžadoval 1023 parametrů na mol. Proto byla vyvinuta řada modelů, které reálnou strukturu materiálu vyjadřují aproximativně. Defekty, které mohou být do krystalové struktury vneseny plastickou deformací, lze vyjádřit v kategoriích lineárních poruch, vrstevných poruch, fluktuace prvkového složení, velikosti koherentních domén, Hosemannova pojetí parakrystalinity, Ergunova modelu silně defektních struktur, duplexních lamelárních struktur a j. [6].
10 mm Obr.2. Studovaný vzorek. Fotografie mikrostruktury tohoto vzorku v okolí kořene třísky je uvedena na obr. 1. V případě námi studovaného vzorku obráběné uhlíkové oceli ČSN 12050 s feritickoperlitickou strukturou (obr.1 a 2) jsme zjistili, že změřené difraktogramy odpovídají nejlépe modelu, který vyjadřuje vliv obrábění v termínech pnutí 3.druhu, jež je deformací do materiálu vnášeno a rekrystalisací anihilováno. Toto pnutí je vyvoláno vysunutím atomů z jejich rovnovážných poloh, které se mění od jedné základní buňky krystalové struktury k druhé [7].
Vysunutím atomů se poruší rovinnost strukturních rovin jež reflektují rentgenové paprsky, což způsobí snížení intensity difraktovaného záření. Intensita záření I difraktovaného ve směru r jednotkového vektoru s za předpokladu, že primární záření, které má vlnovou délku λ , dopadá r na materiál ve směru jednotkového vektoru s0 , jest r I = I (s ) = k
∑
2
n
f je
(
r r r 2 πi s rj + x j
)
∑
2
n
=k
j=1
f je
rr 2 πi s rj
⋅ e
(
r r r 2 πi s x j − x k
)
(1)
j=1
r r r kde s = (s − s0 ) / λ je vektor, který je kolmý k rovinám reflektující rovinné osnovy a jehož r velikost je rovna převrácené hodnotě mezirovinné vzdálenosti d této osnovy; r je rovnovážná r poloha j-tého atomu v základní buňce krystalové struktury, x j je výchylka tohoto atomu z jeho
rovnovážné polohy a fj je jeho atomový rozptylový faktor; n je počet atomů v základní buňce a k je konstanta úměrnosti [8, 9]. Výraz
∑f e n
2 rr 2 πi s rj
j
j=1
odpovídá ideální krystalové struktuře, zatímco faktor D= e
(
r r r 2 πi s x j − x k
)
vyjadřuje ovlivnění intensity difraktovaného záření pnutím 3.druhu. Závorky
představují
středování přes všechny základní buňky krystalové struktury v ozářeném a difraktujícím objemu materiálu. Zřejmě jest . rr r 1 2 rr r 2 4π 2 r r 2 r r 2 (s x j ) + (s x k ) − 2rs (xr j xr k ) = D = 1 + 2πi s (x j − x k ) − 4π s (x j − x k ) = 1 − 2 2 (2) . 2 2 − 2 2 rr 2 −4 π u d = 1 − 4π (s x j ) = e
[
]
kde u je střední kvadratická výchylka atomů z jejich rovnovážné polohy ve směru kolmém k rovinám difraktující rovinné osnovy. Intensita difraktovaného záření prudce klesá s rostoucími výchylkami atomů z jejich rovnovážné polohy. Tento jev byl pozorován na difraktogramech, jež jsme změřili v řadě bodů podél úsečky vyznačené tečkovaně na obr. 3. Celkem jsme naexponovali 25 difraktogramů. Kvůli přehlednosti však na obr. 4 uvádíme pouze radiální profil difrakce (211) feritu, a to jenom pro pět bodů (1, 2, 10, 11, 20 a 21), jejichž rozložení podél mapované úsečky je patrné z obr. 3. Intensita difrakce klesá monotonně od bodu 21 k bodu 1. V referenční oblasti zkoumaného vzorku, která je daleko od oblasti ovlivněné obráběním, jsme naměřili intensitu ještě trochu větší než v bodě 21. V této oblasti je tedy pnutí 3.druhu minimální; v bodě 21 už nějaké pnutí 3.druhu je a jeho velikost monotonně roste až k bodu 1. Střední hodnoty vysunutí atomů u z jejich rovnovážné polohy v bodech 1, 10 a 21, vypočtené pomocí vzorce (2), jsou uvedeny v tabulce 1. Jsou vztaženy k referenční oblasti, kde nepředpokládáme žádné ovlivnění struktury obráběním.
Obr.3. Rtg difrakční měření mikropnutí bylo provedeno na studovaném vzorku ve 25 bodech rozložených ekvidistantně podél úsečky vyznačené na obrázku tečkovaně a dlouhé 2,5 mm. Označeny jsou kvůli přehlednosti jen body 1, 2, 10, 11, 20 a 21. Jedno měření bylo provedeno také v „referenční oblasti“ dostatečné vzdálené od obráběné plochy.
Obr.4. Difrakce (211) feritu v bodech označených na obr.3.
bod
I [cps]
D [1]
u [pm]
1
31,2
0,555
14
10
43,0
0,765
10
21
53,1
0,945
4
R
56,2
1,000
0
Tab. 1. Statické výchylky atomů železa z jejich rovnovážné polohy u, které jsou příčinou pnutí 3.druhu vyvolaného obráběním. Ke statickým výchylkám se přičítají ještě dynamické výchylky teplotních kmitů (u železa je to při pokojové teplotě asi 7 pm). Poloha měřených bodů je označena na obr.3. I je intensita difrakce (211) feritu a D je její oslabení vzhledem k referenčnímu bodu R, počítané podle vzorce (2). 4. ZÁVĚR Vysunutí atomů z jejich rovnovážných poloh jsou patrně způsobeny uhlíkem nerovnoměrně rozloženým ve feritu. Z obr.5 je patrné, že obráběním došlo ve zkoumané oblasti k velké plastické deformaci. V jejím důsledku vznikla duplexní, velmi jemná lamelární superstruktura tvořená feritickými a perlitickými vrstvami s obrovskými koncentračními gradienty. Velká hustota dislokací generovaných intensivním přetvořením se pak stává předpokladem pro anomálně rychlou difusi uhlíku a jeho redistribuci ve struktuře. Tato difuse byla rychlejší v bodě 1, kde byl pomalejší odvod tepla, než v bodě 21. Proto jsou v bodě 1 největší koncentrační fluktuace a s tím spojená pnutí 3. druhu.
Obr.5. Obrovské místní deformace, které mohou při obrábění vzniknout, bývají leckdy větší než deformace ke kterým dochází při tváření. Na snímku mikrostruktury jsou tyto deformace patrné díky kontrastu mezi feritem a perlitem uhlíkové oceli, z níž je vyroben studovaný vzorek. Procesy, ke kterým dochází ve vnitřní struktuře materiálu během třískového obrábění a tváření, mají mnoho společného. Pomocí rtg difrakce lze při zkoumání těchto procesů získat užitečné informace.
Poděkování Tento článek vznikl za finančního přispění Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy v rámci projektu výzkumu a vývoje LN00B084. 5. LITERATURA
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9]
T.Childs, K.Maekawa, T.Obikawa, Y.Yamane: Metal Machining theory and applications, Arnold 2000. J.Fiala, I.Schindler, R.Foret, S.Němeček, Strojnícky časopis 53 (2002) č.1, 1 - 23. J.Kasl, J.Fiala, P.Zuna, Materials Structure 9 (2002) no.2, 94-98. A.Guinier: Théorie et technique de la radiocristallographie, Dunod, Paris 1956. Ch.S.Barrett: Struktura kovů, NČSAV, Praha 1959. R.L.Snyder, J.Fiala, H.J.Bunge (eds): Defect and microstructure analysis by diffraction, Oxford University Press, New York 1999. B.E.Warren: X-ray diffraction, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts 1969. R.W.James: The optical principles of the diffraction of x-rays, G.Bell and Sons, London 1954. J.B.Cohen, J.E.Hilliard (eds): Local atomic arrangements studied by x-ray diffraction, Gordon and Breach, New York 1965.
